DE69812726T2

DE69812726T2 - Methode und vorrichtung zur herstellung von knochenzement

Info

Publication number: DE69812726T2
Application number: DE69812726T
Authority: DE
Inventors: Slobodan Tepic
Original assignee: AO RESEARCH INSTITUTE; AO Res Inst Davos
Current assignee: AO RESEARCH INSTITUTE; AO Res Inst Davos
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: WO2000035506A1; EP1140234B1; JP2002532155A; EP1140234A1; US6709149B1; DE69812726D1; ES2197525T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zubereitung von Knochenzement gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein nach diesem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 20 gewonnenes Knochenzementgemisch, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 21.
Die Erfindung ermöglicht die Zubereitung eines porenfreien Knochenzements mit herausragenden mechanischen Eigenschaften in einem geschlossenen System, das nur minimales menschliches Zutun erfordert und eine konsistente, bedienerunabhängige Leistung erbringt.
Chirurgischer Knochenzement kommt üblicherweise zur Fixierung von Gelenkprothesen, zumeist im Zuge eines totalen Hüft- bzw. Kniegelenkersatzes, zum Einsatz. Er wird durch Mischen einer emulsionspolymerisiertes Polymethylmethacrylat (PMMA) enthaltenden, pulverförmigen Komponente mit einer auf Methylmethacrylat (MMA) basierenden Flüssigkeit hergestellt. Das herkömmliche katalytische System für bei Raumtemperatur aushärtende Kunstharze basiert auf der chemischen Zersetzung von Benzoylperoxid mittels eines Beschleunigers, N,N-Dimethylp-toluidin. Durch die Zersetzung von Benzoylperoxid werden freie (Phenyl-)Radikale freigesetzt und wird der Polymerisationsprozess des MMA in Gang gesetzt. Das Benzoylperoxid ist entweder als bei der Polymerisation des PMMA-Pulvers übriggebliebenes Restprodukt vorhanden oder wird dem PMMA in Pulverform beigemengt. Der Beschleuniger wird der MMA-Flüssigkeit beigegeben, welche zur Verhinderung einer unbeabsichtigten Polymerisation zumindest auch Radikalfänger-Hydrochinon enthält.
Bei den erstmals von Dr. John Charnley in den frühen Sechzigerjahren im Rahmen der chirurgischen Herstellung eines totalen Hüftgelenkersatzes (THR) verwendeten, herkömmlichen Knochenzementen werden die pulverförmigen und die flüssigen Komponenten entweder mittels eines Spatels in einer einfachen Rührschüssel oder in speziell für diesen Zweck bestimmten Misch-/Dosiervorrichtungen zusammengemischt. Die zunehmende klinische Verwendung von speziellen Mischvorrichtungen ist grossteils auf zwei Faktoren zurückzuführen: (i) bei einer von Hand erfolgenden und der Umgebungsluft ausgesetzten Vermischung kommt es zum Einschluss von Luftbläschen, wodurch die Festigkeit des Knochenzements wesentlich beeinträchtigt wird; (ii) das Operationssaalpersonal wird in unerwünschter Weise Monomerdämpfen ausgesetzt. Im Knochenzementmantel vorhandene Poren, welche meist durch den während des Mischvorgangs erfolgenden Einschluss von Luftbläschen verursacht werden, beeinträchtigen dessen Materialermüdungsfestigkeit, was aus heutiger Sicht als einer der Hauptrisikofaktoren im Zusammenhang mit der aseptischen Lockerung einzementierter Prothesekomponenten gilt.
Beim Vermischen des Pulvers mit der Flüssigkeit kommt es darauf an, dass das Pulver zur Gänze benetzt wird, d. h.
sämtliche Pulverkörnchen sollen von der Flüssigkeit umgeben werden. Im Zuge der Zersetzung von Benzoylperoxid und der Freisetzung von freien Radikalen polymerisiert das Monomer unter Kernbildung an der teilweise aufgelösten Oberfläche der Pulverkörnchen. Die Relation zwischen Monomermenge und Pulvermenge wird somit vornehmlich eher von physikalischen als von chemischen Erwägungen bestimmt. Drei Merkmale der Polymerisation nehmen Einfluss auf deren Ergebnis und setzen somit auch Grenzen für mögliche Verfahrensverbesserungen.
Die Polymerisation ist:

(i) exothermisch: Bei der Polymerisation von MMA zu PMMA wird eine bestimmte Wärmemenge pro Mol (55,6 kJ/Mol) freigesetzt. Die Freisetzung von Polymerisationswärme könnte theoretisch die Temperatur des Knochenzementgemischs um mehr als 100°C erhöhen, bedingt durch den Wärmetransfer in die umliegenden Gewebe und in die Prothese übersteigen die Temperaturen an der Grenzfläche zum Knochen jedoch nur selten 60°C. Das Monomer-Polymer-Verhältnis ist ein wichtiger Faktor, welcher auf den schlussendlich tatsächlich erreichten Temperaturanstieg Einfluss nimmt. Eine geringere Monomermenge, die polymerisiert werden kann, ergibt weniger freizusetzende Wärme, und je mehr Polymer vorhanden ist, das aufgewärmt werden muss, um so niedriger fällt die dabei erreichte Temperatur aus. Bei dem erfindungsgemässen Knochenzement wird um ca. 20% weniger Monomer verwendet als bei herkömmlichen, handgemischten Rezepturen, was sich in (um ca. 8°C) niedrigeren Spitzentemperaturen niederschlägt.
(ii) dichteerhöhend: Die Dichte des MMA-Monomers beträgt 943 kg/m3, die Dichte des Polymers beträgt 1180 kg/m3, d. h. die Polymerisation geht mit einem Volumenverlust von ca. 20% einher. Bei einem typischen Polymer-Monomer-Verhältnis von 2,1 1 führt das zu einer zu erwartenden Schrumpfung des ausgehärteten Zements von etwa 6,5%. Die letztendliche, experimentell messbare Volumenverringerung ist jedoch von anderen Faktoren abhängig, und zwar zuallererst von der in dem Zement enthaltenen Porenmenge. Durch die vorhandenen Poren kann der Schrumpfungsvorgang von innen her kompensiert werden, d. h. es kommt zu einer Porenvergrösserung und die von aussen messbare Volumenänderung fällt geringer aus als dies bei einem porenfreien Zement der Fall wäre. Ganz allgemein gesprochen tragen alle Verfahren, die auf eine Verringerung der Porosität des Zements abzielen, zu einer verbesserten Schrumpfung bei. Die Verwendung einer geringeren Monomermenge in dem erfindungsgemässen Zement ist in diesem Zusammenhang ebenfalls von Vorteil; der Schrumpfungsgrad wird dadurch um etwa 1% verringert, wobei andere Faktoren (d. h. die Zement- und Proben-Zubereitungstechnik) gleich bleiben.
(iii) unvollständig: Um den Polymerisationsprozess in Gang zu bringen, bedarf es zuvor der Bildung von freien Radikalen, und damit die Kernbildung erfolgen kann, bedarf es noch vorhandener Polymeroberflächen sowie der Verfügbarkeit von Monomermolekülen, um die im Entstehen begriffenen Ketten weiter auszubauen. In allen Fällen wird eine gewisse Anzahl von Monomermolekülen nicht in die Polymerketten eingebaut werden können und wird somit als Restmonomer innerhalb der polymerisierten Matrix verbleiben. Bedingt durch die Mobilität der innerhalb der polymerisierten Matrix befindlichen Monomermoleküle setzt sich der Polymerisationsprozess mit stark beschränkter Geschwindigkeit auch dann noch fort, wenn die Polymermatrix bereits grösstenteils ausgebildet ist. Und gerade durch diese Mobilität kann es zu Monomeraustritten aus dem bereits ausgehärteten Zement kommen. Dies gilt jedoch im Hinblick auf die Gewebeverträglichkeit als unerwünscht. Der in handelsüblichen Zementen unmittelbar nach deren Zubereitung vorgefundene Restmonomergehalt beträgt zwischen 2 und 6% (Monomergewicht im Verhältnis zum Gesamtgewicht). Mit der Zeit (ein Quasigleichgewicht wird innerhalb von 2 bis 4 Wochen erreicht) verringert sich dieser Gehalt bedingt durch die kombinierte Wirkung der weiter voranschreitenden Polymerisation einerseits und der Migration und Freisetzung von freiem Monomer andererseits auf weniger als 0,5%. Auch hier erweist sich die Verwendung einer geringeren Monomermenge bei dem erfindungsgemässen Zement wiederum als vorteilhaft; wenn von vornherein eine geringere Monomermenge zum Einsatz kommt, ergibt sich auch eine verringerte Restmonomermenge (um ca. 20% verglichen mit dem gängigsten Zement mit normalem Viskositätsgrad).

In den frühen Achtzigerjahren wurden die Nachteile der Handmischung und -verabreichung von Knochenzement im Zuge eines breiten Bewusstwerdungsprozesses immer deutlicher erkannt. Mit der Erscheinen der ersten Langzeitstudien über verbesserte Verzementierungstechniken, welche bessere klinische Resultate lieferten als die herkömmliche Handvermischung und -verabreichung, kam es nicht nur zu einem stetig steigenden Interesse an verschiedenen Systemen zur Knochenzementzubereitung, sondern wurden diese auch mehr und mehr in der chirurgischen Praxis eingesetzt.
Rückschläge bei den klinischen Ergebnissen im Zusammenhang mit zementlosen Prothesen trugen ebenfalls dazu bei, dass der zementierte, totale Gelenkersatz sich erneut als ein chirurgisches Standardverfahren etablieren konnte und insbesondere für die femorale Komponente des totalen Hüftgelenkersatzes sowie für die totale Knieprothese verwendet wird.
Alle bekannten, im Handel erhältlichen und im klinischen Einsatz stehenden Mischsysteme zielen darauf ab, Lufteinschlüsse zu entfernen, zu denen es immer dann kommt, wenn die flüssige und die pulverförmige Komponente miteinander in Kontakt gebracht werden. Diese Aufgabe lässt sich bedingt durch die zeitlichen Beschränkungen, welche durch den Auflösungsprozess von PMMA in MMA und durch die Kinetik der Polymerisation gegeben sind, nur teilweise erfüllen.
Zentrifugieren:
Das von Dr. William Harris aus Boston favorisierte Zentrifugieren stellte sich als teilweise wirksames Verfahren zur Porositätsverringerung gewisser handelsüblicher Knochenzementmarken heraus. Das Zentrifugieren konnte zwar bei einigen der verfügbaren Zemente angewendet werden, dies erforderte jedoch eine schwerfällige Ausrüstung, ein Abkühlen des Zements (zur Verringerung der Viskosität und zur Verlängerung der Verfestigungszeit) sowie eine straffe Koordination des Operationssaalpersonals. Diese Technik konnte sich in der klinischen Praxis in den Vereinigten Staaten nur sehr bedingt durchsetzen und fand in Europa sogar noch weniger Anklang. Des weiteren wurde von Dr. Harris auch die Verwendung des unter Zuhilfenahme einer Abdichtpistole, einer Spritze und einer langgestreckten Fülldüse von unten nach oben erfolgenden, sogenannten "Bottom-up"-Füllverfahrens des Oberschenkelknochens, sowie das diesem Operationsschritt vorangehende und eine Druckbeaufschlagung des Zements ermöglichende Verstopfen des Femoralkanals eingeführt. Derzeit wird in Europa sowohl das ältere "Topdown"- als auch das "Bottom-up"-Füllverfahren angewendet, während in den Vereinigten Staaten das letztere eine vorherrschende Stellung einnimmt.
Teilweises Vakuum-Mischverfahren:
Diese von Dr. Lars Lidgren aus Lund entwickelte und in die klinische Praxis eingeführte Technik wurde aus der Dentalmedizin übernommen, in welcher dieselben Materialien bereits über Jahrzehnte hinweg in Verwendung waren, bevor sie in der Orthopädie Eingang fanden. Bei der Formpressung von Zahnprothesen aus MMA/PMMA-Kunstharzen haben sich Lufteinschlüsse ebenfalls als unerwünscht herausgestellt; hier geht es allerdings weniger um die damit verbundene Festigkeitsverringerung als um Schwierigkeiten bei der Zahnhygiene, die auftreten können, wenn die Zahnprothesen Poren aufweisen, welche zur Oberfläche hin offen sind. Durch die Mischung des Zements in einer unter teilweisem Vakuum (von einigen 100 mbar) gehaltenen Schüssel kann die Porosität des bei atmosphärischem bzw. erhöhtem Druck aushärtenden Materials reduziert werden. Teilweise Vakuum-Mischsysteme haben in der klinischen Praxis die weiteste Verbreitung gefunden. Zemente mit normalem Viskositätsgrad, wie etwa Palacos R, werden (zur Verringerung der Viskosität und zur Verlängerung der Verfestigungsdauer) üblicherweise gekühlt, bevor sie in diesen Systemen aufbereitet und im "Bottom-up"-Verfahren durch die Düse extrudiert werden.
Labortests zufolge weisen teilweise vakuumgemischte Zemente zwar verbesserte Materialermüdungseigenschaften auf, klinische Langzeitstudien haben die diesbezüglich darin gesetzten Erwartungen jedoch nicht bestätigen können. Die Ursachen dafür liegen derzeit noch im dunkeln, es gibt jedoch Anzeichen dafür, dass sich diese Diskrepanz durch die Lernkurve im weitverbreiteten Umgang mit teilweisen Vakuum-Mischsystemen erklären lässt; chirurgische Abteilungen, welche solche Systeme bereits seit längerem in Gebrauch haben, erzielen durchweg bessere Resultate als solche, die gerade erst damit beginnen.
Vorverdichtung:
Das von Dr. K. Draenert aus München entwickelte Vorverdichtungsverfahren für Knochenzement zielt darauf ab, die Porosität durch eine über längere Zeit hinweg einwirkende Druckbeaufschlagung des fertig gemischten Zements zu verringern. Zwar werden dabei die Poren während der in der Spritze stattfindenden Druckbeaufschlagung verringert, diese Wirkung geht allerdings in dem Moment grösstenteils wieder verloren, da der Zement in den Knochen extrudiert wird, wo er in nur unwesentlichem Ausmass mit Druck beaufschlagt werden kann. Ein gewisser Nutzen wäre unter Umständen insofern zu erwarten, als die Ausdehnung der in den Poren enthaltenen Druckluft der Polymerisationsschrumpfung entgegenwirken könnte, dies ist jedoch in hohem Ausmass von der zeitlichen Ablaufplanung der Verfahrensschritte und von der Viskosität des Zements abhängig. Alles in allem handelt es sich (selbst in unter optimalen Bedingungen durchgeführten Labortests) bei der Vorverdichtung wahrscheinlich um die am wenigsten effiziente Massnahme zur Porositätsverringerung. Dr. Draenart erweiterte in der Folge sein ursprüngliches System dahingehend, dass neben der Vorverdichtung auch ein teilweises Vakuum-Mischverfahren zur Anwendung kam.
In der klinischen Praxis haben sich verschiedene Systeme zur Durchführung des teilweisen Vakuum-Mischverfahrens durchgesetzt. Das Haupthindernis dabei stellt das Vakuumniveau dar, bei welchem der Mischvorgang durchgeführt werden kann. Bei Raumtemperatur kocht das MMA-Monomer bei 38 mbar. Die meisten Systeme sind für einen Betrieb bei einem Druck von etwa 100 mbar ausgelegt. Dadurch bleibt eine beträchtliche Menge Restluft in dem fertig gemischten Zement eingeschlossen; wird daraufhin das Gemisch auf atmosphärischen Druck zurückgeführt, so schrumpfen die Lufteinschlüsse um einen Faktor von etwa 10 bis 20, doch die Poren bleiben nach wie vor bestehen – sie weisen lediglich eine verringerte Grösse auf. Das führt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften, inklusive einer besseren Materialermüdungsfestigkeit, die jedoch in erster Linie durch die effektive Querschnittvergrösserung und weniger durch eine reduzierte Spannungskonzentration bedingt sind, welche ja nicht so sehr von der Porengrösse beeinflusst wird.
Aus W088/03811 TEPIC ist ein Vakuum-Flutungssystem bekannt, das im wesentlichen frei von Lufteinschlüssen ist, doch die Erzeugung des bei diesem System erforderlichen Hochvakuums ist mit Schwierigkeiten technischer Art verbunden.
Aus W09718031 JONSSON ist eine Knochenzement-Mischvorrichtung bekannt, bei der eine externe Vakuumquelle zur Entfernung der gefährlichen, gasförmigen Erscheinungsform der verwendeten monomeren Flüssigkeit zum Einsatz kommt. Da die blosse Beimischung der Flüssigkeit zu dem Pulver noch kein homogenes Knochenzementgemisch ergibt, kommt hier eine spezielle Mischvorrichtung in Form eines Rührwerks zum Einsatz, mit welchem die Flüssigkeit und das Pulver in einem Nachbehandlungsschritt noch besser miteinander vermischt werden.
Aus US 5 588 745 TANAKA ET AL. ist eine weitere Knochenzement-Mischvorrichtung bekannt, bei welcher das Einströmen der Flüssigkeit über eine Mehrzahl von Schlitzen gleichzeitig von innen und von den Randbereichen her erfolgt. Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch auch den Nachteil, dass dabei das nur begrenzt vorhandene Vakuum der vorevakuierten Pulverkammer genutzt wird.
Im folgenden werden die Grundprinzipien des erfindungsgemässen Verfahrens – vakuumbedingte Flutung des Pulvers und Entzug überschüssiger Flüssigkeit – im Detail beschrieben. Im Unterschied zu anderen, bekannten Knochenzement-Zubereitungssystemen zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, den Einschluss von Luft von vornherein zu vermeiden, anstatt ihn in Kauf zu nehmen, um ihn anschliessend zu reduzieren. Dies erfolgt dadurch, dass das Pulver zuerst in die Spritze gepackt wird und daraufhin die Flüssigkeit mittels Vakuum durch die Pulversäule gezogen wird. Mit dem Eindringen der Flüssigkeit in die Pulversäule wird die vor der Flutungsfront befindliche Restluft von dem Vakuum abgesaugt. Das Endresultat besteht darin, dass die zwischen den Staubpartikeln verbliebene Restluft durch die Zementflüssigkeit ersetzt wird. Dieser Prozess führt zu einem vollständigen Benetzungskontakt zwischen den Pulverkörnchen und der Flüssigkeit und macht somit jeglichen mechanischen Mischvorgang überflüssig.
Aufgrund der hohen Löslichkeit von Benzoylperoxid in MMA sollte das Benzoylperoxid vorzugsweise nicht in Pulverform beigefügt werden. Das Fluten in Pulverform würde zu einem Katalysatorgefälle und somit zu einer ungleichmässigen Polymerisation führen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, emulsionspolymerisierte PMMA-Pulver mit einem Rest von Benzoylperoxid herzustellen, der im Zuge der Auflösung der Oberflächenschicht der Pulverkörnchen verfügbar wird und mit dem Toluidin in Reaktion treten kann. Die Verwendung solcher Pulver mit einem ausreichenden Rest an Benzoylperoxid (wobei der Durchschnittswert in einem Bereich von 1,0% bis 2,5% liegt) macht es möglich, eine gepackte Pulversäule bei einem nur geringen Konzentrationsgefälle der katalytischen Systemkomponenten zu fluten.
Durch die Anwendung eines vakuumbedingten, kontrollierten Flutungsverfahrens entfällt die Notwendigkeit des Mischens und kann somit eine der Hauptursachen für Qualitätsschwankungen bei der Zementzubereitung umgangen werden. Die Löslichkeit des PMMA-Pulvers führt zu einer zusätzlichen Verdichtung (Konsolidierung) der Säule nach deren Flutung, wodurch ein geringer Monomerüberschuss an der Eintrittsseite der Spritze entsteht. Dieser Überschuss wird durch die Wirkung eines pneumatisch betriebenen Kolbens verdrängt (d.h. in die Ampulle zurückgepresst), bevor die Zementspritze aus der Vakuumpumpe entnommen und zum Zweck der Extrusion auf die Abdichtpistole aufgesetzt wird. Da die Spritzenöffnungen für Vakuum und Flüssigkeit jeweils mit einem Sieb ausgestattet sind, das einen Verlust von Pulver verhindert, führt die Wirkung des Pneumatikkolbens dazu, dass dem Zementgemisch Flüssigkeit (in Form von überschüssigem Monomer) entzogen wird. Dadurch wird auch der (um ca. 20%) geringere zuletzt noch vorhandene Monomergehalt ermöglicht, der in anderen Zementgemischen als Überschuss vorhanden sein muss, damit eine bessere Benetzung gewährleistet wird.
Neben Methylmethacrylat können auch andere geeignete polymerisationsfähige Monomere oder Comonomere, wie z. B. Ethylmethacrylat oder Butylmethacrylat oder Mischungen aus diesen Methacrylaten verwendet werden.
Die Vakuumquelle sollte in der Lage sein, ein Vakuum in einem Bereich von 10 bis 200 mbar, vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 100 mbar, zu erzeugen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung der Bewegung der Monomerflutungsfront durch die zum Zweck des erfindungsgemässen Verfahrens unter Vakuumeinwirkung stehende Pulversäule;
2 ist eine schematische Darstellung der Hauptmerkmale des Pulverbehälters der erfindungsgemässen Vorrichtung;
3 ist ein Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Pulverbehälters der erfindungsgemässen Vorrichtung;
4 ist eine schematische Darstellung der auf der Vakuumpumpe erfolgenden Knochenzementflutung;
5 ist eine schematische Darstellung der Quellungsphase des Knochenzements;
6 ist eine schematische Darstellung der Phase des Flüssigkeitsentzugs aus dem Knochenzement;
7 ist eine schematische Darstellung, welche die Extrusion des Knochenzements zeigt;
8 ist ein Schnitt durch einen mit einem Ventil versehenen Pulverbehälter der erfindungsgemässen Vorrichtung;
9 ist eine schematische Darstellung eines als Vakuumquelle für das erfindungsgemässe Verfahren dienenden Vakuumbehälters;
10 ist eine schematische Darstellung einer vorevakuierten Packung mit einem in Verbindung mit dem erfindungsgemässen Verfahren zu verwendenden Vakuumbehälter; und
11 zeigt ein Weibull-Diagramm für die Zugfestigkeit des unter Einsatz des erfindungsgemässen Verfahrens gewonnenen Knochenzements in Gegenüberstellung zu PALACOS R.
Der wichtigste Vorgang bei der erfindungsgemässen Knochenzementzubereitung besteht in der methodischen Ersetzung der in den Zwischenräumen der pulverförmigen Komponente verbliebenen Restluft durch die flüssige Komponente. Während dieser in 1 dargestellten, sogenannten Flutungsphase wird die aus PMMA-Pulverkörnchen 1 und Zusatzstoffen 2 (wie zum Beispiel Zirconiumdioxid und antibiotischem Wirkstoff) bestehende Pulversäule in zwei durch die Flutungsfront 3 voneinander getrennte Abschnitte aufgeteilt. Die Flutungsfront 3 durchströmt das Pulvervolumen in Pfeilrichtung 4 und wird dabei angetrieben von einem Druckgefälle, welches auf einen Unterdruck (Vakuum) zurückzuführen ist, der in den noch ungefluteten Zwischenräumen 5 in Bezug auf die bereits gefluteten Zwischenräume 6 herrscht. Experimentaluntersuchungen haben gezeigt, dass es dann, wenn das Flutungsdruckgefälle durch eine Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks anstatt durch eine Verringerung des Luftdrucks erzeugt wird, zu einer ungeordneten Flutung kommt, wobei die Flutungsfront sich ungleichförmig voranbewegt und dabei Lufteinschlüsse verursacht.
Damit die Flutungsfront 3, wie in 2 dargestellt, das Volumen des Pulverbehälters 9 zur Gänze durchströmen kann, ist es erforderlich, den Unterdruck in den noch ungefluteten Zwischenräumen 5 während der gesamten Flutungsphase hindurch aufrechtzuerhalten. Daher verfügt der Behälter 7 über zwei Öffnungen 8: eine Eintritts- oder Zuströmöffnung 8 und eine Austritts- oder Abströmöffnung 9. Beide Öffnungen müssen von ihrem Entwurf her entsprechend ausgebildet sein, um zu verhindern, dass das Pulver vor und während der Zementzubereitung aus dem Behälter 7 austritt. Darüber hinaus muss die Eintrittsöffnung 8 einen relativ ungehinderten Monomerstrom und die Austrittsöffnung 9 einen ungehinderten Luftstrom ermöglichen.
Die Flutung erfolgt durch das Verbinden der Austrittsöffnung 9 mit einer Vakuumquelle 10 und der Eintrittsöffnung 8 mit einem Monomerbehälter 11. Da für die erfindungsgemässe PMMA-basierte Knochenzementzubereitung kein Mischvorgang erforderlich ist, ist der Behälter 7 vorzugsweise starr und zur Gänze mit Pulver befällt. Die Eintrittsöffnung 8 kann wahlweise mit einem Ventil 12 ausgestattet sein, welche entweder von Hand oder automatisch betätigt wird und auf den Druckunterschied zwischen dem evakuierten Pulverbehälter 7 (an der Eintrittsöffnung 8) und dem Monomerbehälter 1T (welcher im wesentlichen einem atmosphärischen Druck unterworfen ist) anspricht. Das Ventil 12 könnte dazu verwendet werden, um zu verhindern, dass ein Monomerstrom stattfindet bevor ein gewisses Vakuumniveau innerhalb des Pulvers erreicht worden . ist. Experimente haben gezeigt, dass die Permeabilität der Pulversäule gegenüber der Luft ausreichend ist, um es einer Hochleistungsvakuumpumpe zu ermöglichen, den Druck der Restluft schnell genug zu verringern, so dass auch dann ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, wenn der Monomerstrom nicht mittels eines Ventils zurückgehalten wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Pulverbehälters wird detailliert in 3 gezeigt. Der Pulverbehälter besteht aus einer Spritze 13, einem zweiteiligen Kolben 14 und 15 und einem Ampullenadapter 16. Der Adapter 16 wird auf die Spritze 13 geschraubt. Der Adapter 16 ermöglicht von seinem Aufbau her eine Verbindung zwischen dem Monomer-Saugrohr 17 und der Eintrittsöffnung 18, welche von einem feinen, rostfreien Stahlmaschengitter 19 bedeckt ist. In vollständig festgeschraubtem Zustand steht der Adapter 16 mittels einer Dichtung 20 in hermetisch abgedichteter Verbindung mit der Spritze 13. Die mit Monomer 22 gefüllte Ampulle 21 wird geöffnet und in den Adapter 16 eingeführt, so dass das Saugrohr 17 bis in die Nähe des Ampullenbodens reicht. Das Maschengitter 19 ist äusserst engmaschig mit Öffnungen im Submikronbereich ausgebildet; dadurch können selbst kleinste Pulverpartikel zurückgehalten werden. Zugleich ist jedoch der dem Monomerstrom entgegengebrachte Widerstand nur sehr gering. Der Adapter 16 ist aus drei getrennten Plastikkomponenten aufgebaut: dem Saugrohr 17, dem Hauptkörper 23 und der Abdeckplatte 24, welche mit dem Maschengitter 19 ultraschallverschweisst sind.
Die beiden Kolbenkomponenten, die Kappe 14 und der Dichtungsabschnitt 15, werden entlang dem Umfang 25 zusammengepresst. Bei dieser Ausführungsform ist die Kolbenkappe 14 mit ca. 50 Mikrometer tiefen Mikrorippen 26 versehen. Dadurch ergibt sich zwischen den Komponenten 14 und 15 ein breitengeregelter Spalt. Dieser Spalt stellt die Abström- oder Austrittsöffnung 9 der Pulverkammer 7 aus 2 dar. Das Maschengitter 19 entspricht der Zuströmoder Eintrittsöffnung 8 aus 2.
Der Kolben ist innerhalb der Spritze 13 durch zwei Lippen 27 und 28 abgedichtet. Die zylindrischen Abschnitte 29 und 30 der Kolbenkappe 14 einerseits und 31 und 32 des Dichtungsabschnitts 15 andererseits bilden eine Labyrinthdichtung, die dazu dient, dass Monomer, welches am Ende der Flutungsphase in den Kolben geraten kann, nicht so leicht auslaufen kann. Der Bodenabschnitt 33 der Spritze 13 ist abdichtend mit der Vakuumpumpe verbunden, welche die in der Pulverkammer 35 der Spritze 13 befindliche Pulversäule evakuiert, wie dies durch die Pfeile 34 angedeutet wird. Der Monomerstrom wird durch die Pfeile 36 angedeutet. Die in der Pulverkammer 35 befindliche Pulversäule wird auf eine vorgegebene Dichte gepackt. Da die Permeabilität der Säule von der fraktionierten Porosität P und von der Gesamtoberfläche S der in einer Volumeneinheit befindlichen Partikel abhängig ist, wie in der Kozenyschen Gleichung angegeben: k = 1/5 [P3/(1 – P)2]/S2
ist es von Bedeutung, den Vorgang der Pulververdichtung unter Kontrolle zu haben. Wäre das Pulver zu locker gepackt, so würde es beim Transport und bei der Handhabung zu einer weiteren Verdichtung kommen, was zu einer ungleichförmigen Flutung führen würde; eine zu feste Packung hingegen würde den Flutungsprozess verlangsamen. Die Grössenverteilung der Pulverkörnchen muss ebenfalls genau unter Kontrolle gehalten werden; sehr feine, staubartige PMMA-Partikel sind nicht erlaubt, da sonst die Viskosität des Monomers zu rasch ansteigen würde, was eine vollständige Flutung verhindern würde.
Die für das Verfahren ausgewählte Knochenzementzubereitung enthält 10 Masseprozent Zirconiumdioxid und ungefähr 2,5 Gentamycinsulphat. Bei optimaler Verdichtung ergibt sich eine Pulversäule mit einer fraktionierten Porosität P = 0,36 und eine Flutungsdauer von ungefähr 30 Sekunden für 63 Gramm Pulver. Der akzeptable Bereich für P liegt zwischen 0,34 und 0,38 .
Ein bevorzugtes Verfahren zur Zubereitung von Knochenzement umfasst einen Ablauf in vier Schritten:
Schritt 1: Flutung
Die Monomerampulle 21 wird geöffnet, in den Adapter 16 eingebracht und das gesamte Aggregat wird daraufhin, wie in 4 dargestellt, an eine Vakuumquelle, z. B. eine druckluftbetriebene (Venturi-)Vakuumpumpe 37, angeschlossen. Die Vakuumpumpe 37 wird eingeschaltet und setzt die Flutungsphase in Gang, welche durchschnittlich 30 Sekunden dauert.
Schritt 2: Quellung
Nachdem die Pulversäule geflutet ist, wird die Vakuumpumpe abgeschaltet. Die Viskosität des an die Austrittsöffnung 25 gelangenden Monomers wird erhöht und der durch den Spalt zwischen den Kolbenkomponenten 14 und 15 fliessende Monomerstrom wird sehr stark verlangsamt. Die Zeitgebung für den Vakuumschalter ist somit nicht kritisch; eine gewisse Menge Monomer kann in die Labyrinthdichtung des Kolbens eindringen. Nach Abschluss der Flutung wird die Spritze während eines für die Wartephase vorgegebenen Zeitraums (von 1,5 bis 3 Minuten, je nach Raumtemperatur) unverändert belassen. Während dieser Zeit quillt das PMMA auf und geht in dem MMA in Lösung. Dadurch wird Benzoylperoxid freigesetzt und die Polymerisation in Gang gebracht. Die auf das gelöste Polymer zurückzuführende, erhöhte Viskosität des Monomers ist der Zementmasse im Hinblick auf deren späteren Extrusion zuträglich; ansonsten würden nämlich die rheologischen Eigenschaften des Zements jenen von nassem Sand ähneln. Während der Quellphase kommt es auch zu einem Absitzen von Pulver, wodurch im oberen Bereich der Spritze, wie in 5 dargestellt, ein Überschuss an Monomer 38 entsteht.
Schritt 3: Flüssigkeitsentzug
Das überschüssige Monomer 38, das sich im oberen Bereich der Spritze angesammelt hat, sowie ganz zu Beginn der Flutungsphase entstandene, kleinere Luftbläschen, werden, wie in 6 dargestellt, durch die Wirkung des in der Pumpe 37 befindlichen Kolbens 39 über das Maschengitter 19 wieder zurück in die Ampulle 21 befördert. Da weder das Maschengitter 19 noch die Kolbenspalte 25 ein Austreten von Pulverpartikeln erlauben, wird ausschließlich Monomer aus der Zementmasse ausgepresst, wenn der Kolben 14/15 in die Spritze 13 hineingedrückt wird. Diese etwa 15 bis 30 Sekunden andauernde Phase wird mit der Bezeichnung "Flüssigkeitsentzug" charakterisiert. Besonders hingewiesen sei hier auf den Hauptunterschied zu der von Draenart vorgeschlagenen Verdichtung; bei der Verdichtung wird der Zementmasse keine Flüssigkeit entzogen.
Schritt 4: Extrusion
Nachdem das überschüssige Monomer in die Ampulle zurückgeleitet worden ist, wird der Adapter von der Spritze abgenommen und beiseite gelegt (wobei die Unterseite mit einer Schutzkappe 40 abgedeckt wird), eine Düse 41 an der Spritze angebracht und der Zement, wie in 7 dargestellt, mittels einer Abdichtpistole 42 extrudiert.
Wird die Flutung bereits mit Eintreten des ersten Druckgefälles zwischen der Eintrittsöffnung und der Ampulle begonnen, so kommt es in den ersten Sekunden der Flutung zum Einschluss einer gewissen Menge von Luft. Der Grossteil davon wird während des Flüssigkeitsentzugs wieder ausgestossen. Dieser anfängliche Lufteinschluss kann, wie in 8 dargestellt, mittels eines in den Strömungspfad des Monomers eingesetzten Ventils 43 reduziert werden. Wird dieses Ventil mit einer Verzögerung von angenommen 15 bis 30 Sekunden nachdem das Vakuum an den Spritzenboden angelegt worden ist geöffnet, so befindet sich in der Pulversäule bereits weniger Restluft, wenn diese mittels des Monomers geflutet wird. Als Anbringungsort für das Ventil bietet sich vom technischen Standpunkt aus betrachtet im besonderen das Saugrohr 17 an. Das Ventil könnte auch so ausgebildet sein, dass es sich, sei es mechanisch oder durch Bruch, durch den Druckunterschied zwischen der Pulverkammer und der Ampulle öffnet.
Als Alternative zu der Vakuumpumpe ist auch ein in 9 dargestellter Vakuumbehälter 44 denkbar. Solche Behälter könnten als sterile Einwegbehälter angeboten werden, wodurch der Aufwand für die Reinigung und Sterilisation (sowie im übrigen auch für die Anschaffung) einer Vakuumpumpe wegfallen würde. In diesem Fall könnte der Vorgang des Flüssigkeitsentzugs vor der Extrusion durch die Abdichtpistole erfolgen.
Ein aus w099/03811 TEPIC bekanntes Verfahren zur Zubereitung von Knochenzement erfordert zur Gewährleistung einer vollständigen Flutung ein hohes Vakuumniveau in der Pulversäule. Die durch die aktuelle Erfindung an dem Pulverbehälter vorgesehenen zwei Öffnungen (8 und 9, Figur 2), sowie das geänderte Grundkonzept, welches nunmehr darin besteht, Leerraum durch Monomer aufzufüllen, anstatt wie früher Restluft durch Monomer zu ersetzen, ermöglicht nunmehr eine integrierte Vakuumquelle – und zwar in Form eines vergrösserten Kolbens, wie in 10 dargestellt. Die Evakuation des Systems könnte durch die Eintrittsöffnung erfolgen, die in diesem Fall z. B, mittels eines Ventils 43 abzudichten wäre.
Die Vorteile der aktuellen Erfindung konnten durch extensive Tests der mechanischen und chemischen Eigenschaften der erfindungsgemäss zubereiteten Knochenzemente veranschaulicht werden. Zu Vergleichszwecken wurden die meisten der im Handel erhältlichen Zementmarken, sowie einige gemäss derselben Rezeptur, jedoch mit herkömmlichen Mitteln (Handvermischung und teilweises Vakuum-Mischverfahren) angefertigte Knochenzementzubereitungen getestet.
Die Belastung des Operationssaals durch freigesetztes Monomer konnte, verglichen mit dem offenen Spatel-und-Schüssel-Mischverfahren mit anschliessendem Knetvorgang um das 60-fache verringert werden. Verglichen mit einem herkömmlichen teilweisen Vakuum-Mischverfahren ist die freigesetzte Monomermenge 4 Mal geringer. Wie bereits weiter oben erwähnt, erfolgte eine Verringerung der Spitzentemperatur um ca. 8 Grad C; der Schrumpfung um ca. 1% absolut, d.h. um etwa 20% relativ; des Restmonomers um ca. 20%.
Die Zugfestigkeitsmessung ergab einen Wert von 65 MPa, verglichen mit 40 bis 55 MPa für alle im Handel erhältlichen, handvermischten bzw. teilweise vakuumvermischten Knochenzemente. Das bedeutet eine Erhöhung von 20 bis 60% und kommt somit der spezifischen Bruchfestigkeit von reinem, blockpolymerisiertem PMMA (70 bis 75 MPa) bereits sehr nahe. Ein bedeutender Unterschied liegt auch in der stark reduzierten Qualitätsschwankung, wie aus den in 11 dargestellten Weibull-Diagrammen von statischen Zugfestigkeitstests (erfindungsgemässer Knochenzement in Gegenüberstellung zu PALACOS R) hervorgeht.
Die intrinsische (ohne Poren) Materialermüdungsfestigkeit (Biegefestigkeit) entspricht jener des besten am Markt erhältlichen Zements (PALACOS R).

Claims

Verfahren zur Zubereitung von Knochenzement aus einem polymeren Pulver und einer flüssigen Komponente, welches ein durch die Einwirkung eines katalytischen Systems polymerisationsfähiges Monomer oder Comonomer umfasst, wobei die Partikel der pulverförmigen Komponente in einem Pulverbehälter (7;35) mit einer Eintrittsöffnung (8) und einer Austrittsöffnung (9) gepackt sind und die flüssige Komponente in einem Flüssigkeitsbehälter (11) bereitgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass A) der Pulverbehälter (7;35) zur Gänze mit dem polymeren Pulver befüllt ist; B) der Flüssigkeitsbehälter (11) mit der Eintrittsöffnung (8) verbunden ist; und C) eine Vakuumquelle (10) mit der Austrittsöffnung (9) verbunden ist; wobei D) der Leerraum zwischen den Partikeln der pulverförmigen Komponente durch die flüssige Komponente geflutet wird, welche infolge der Einwirkung der Vakuumquelle (10) von der Eintrittsöffnung (8) in Richtung zu der Austrittsöffnung (9) strömt.
Verfahren zur Zubereitung von Knochenzement aus einem polymeren Pulver und einer flüssigen Komponente, welches ein durch die Einwirkung eines katalytischen Systems polymerisationsfähiges Monomer oder Comonomer umfasst, wobei die Partikel der pulverförmigen Komponente in einem Pulverbehälter (7;35) mit einer Eintrittsöffnung (8) und einer Austrittsöffnung (9) gepackt sind und die flüssige Komponente in einem Flüssigkeitsbehälter (11) bereitgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass A) das in dem Pulverbehälter (7;35) befindliche Pulver bis zu einer fraktionierten Porosität von 0,30 bis 0,43 verdichtet ist; B) der Flüssigkeitsbehälter (11) mit der Eintrittsöffnung (8) verbunden ist; und C) eine Vakuumquelle (10) mit der Austrittsöffnung (9) verbunden ist; wobei D) der Leerraum zwischen den Partikeln der pulverförmigen Komponente durch die flüssige Komponente geflutet wird, welche infolge der Einwirkung der Vakuumquelle (10) von der Eintrittsöffnung (8) in Richtung zu der Austrittsöffnung (9) strömt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytische System Benzoylperoxid umfasst, wobei das Benzoylperoxid vorzugsweise im Inneren der Partikel enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zuströmseitige Eintrittsöffnung (8) und die abströmseitige Austrittsöffnung (9) des Behälters (7) zwar für die Luft und die Flüssigkeit durchlässig, für das Pulver jedoch undurchlässig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverbehälter (7; 35) starr und vorzugsweise in Form einer Spritze (13) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Pulverkammer (35) enthaltene Pulver bis zu einer fraktionellen Porosität von 0,34 bis 0,38 verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Pulverkammer (35) enthaltene Pulver bis zu einer fraktionellen Porosität von 0,35 bis 0,37 verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Komponente durch die flüssige Komponente innerhalb eines Zeitraums von 15 bis 60 Sekunden geflutet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Komponente durch die flüssige Komponente innerhalb eines Zeitraums von 25 bis 35 Sekunden geflutet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der flüssigen Komponente durch ein zwischen dem Flüssigkeitsbehälter (11) und der Eintrittsöffnung (8) angeordnetes Ventil (12) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an die Flutung der pulverförmigen Komponente durch die flüssige Komponente die Schritte der Quellung, des Entzugs der überschüssigen flüssigen Komponente, sowie der Extrusion der miteinander vermischten Komponenten stattfinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Entzug der überschüssigen Flüssigkeit mittels eines in einer Vakuumpumpe enthaltenen Kolbens (39) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (8) ein Maschengitter (19) umfasst, welches für die Pulverpartikel undurchlässig, wohl aber für die Flüssigkeit durchlässig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (9) einen engen Spalt (25) umfasst, welcher im wesentlichen für die Pulverpartikel undurchlässig, wohl aber für die Luft und für die Flüssigkeit durchlässig ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (25) kleiner als 50 μ ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (25) kleiner als der dreifache mittlere Partikeldurchmesser der pulverförmigen Komponente ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das polymerisationsfähige Monomer oder Comonomer Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat oder Butylmethacrylat bzw. Mischungen daraus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumquelle (10) ein Vakuum in einem Bereich von 10 bis 200 mbar erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumquelle (10) ein Vakuum in einem Bereich von 50 bis 100 mbar erzeugt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch A) einen Pulverbehälter (7) mit einer Eintrittsöffnung (8) und einer Austrittsöffnung (9), wobei der Pulverbehälter (7;35) zur Gänze mit einem polymeren Pulver befällt ist; B) einen Flüssigkeitsbehälter (11), wobei der Flüssigkeitsbehälter eine flüssige Komponente enthält, die ein polymerisationsfähiges Monomer oder Comonomer umfasst; wobei. C) der Flüssigkeitsbehälter (11) mit der Eintrittsöffnung (8) verbindbar ist; D) die Austrittsöffnung (9) mit einer Vakuumquelle (10) verbindbar ist; und E) der Leerraum zwischen den Partikeln der pulverförmigen Komponente durch die flüssige Komponente infolge der Einwirkung der Vakuumquelle (10) über die Eintrittsöffnung (8) in Richtung zu der Austrittsöffnung (9) hin flutbar ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch A) einen Pulverbehälter (7) mit einer Eintrittsöffnung (8) und einer Austrittsöffnung (9), wobei das in dem Pulverbehälter (7; 35) befindliche Pulver bis zu einer fraktionierten Porosität von 0,30 bis 0,43 verdichtet ist; B) einen Flüssigkeitsbehälter (11), wobei der Flüssigkeitsbehälter eine flüssige Komponente enthält, die ein polymerisationsfähiges Monomer oder Comonomer umfasst; wobei C) der Flüssigkeitsbehälter (11) mit der Eintrittsöffnung (8) verbindbar ist; D) die Austrittsöffnung (9) mit einer Vakuumquelle (10) verbindbar ist; und E) der Leerraum zwischen den Partikeln der pulverförmigen Komponente durch die flüssige Komponente infolge der Einwirkung der Vakuumquelle (10) über die Eintrittsöffnung (8) in Richtung zu der Austrittsöffnung (9) hin flutbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vakuumquelle (10) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vakuumquelle (10) um einen Vakuumbehälter (44) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vakuumquelle (10) um einen Vakuumkolben (45) handelt.