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HINTERGRUND
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1. Technisches Feld
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Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Behandlung, beispielsweise Reinigung, des
Inneren eines flüssigkeitsdurchlässigen Werkstücks durch
Herstellung eines Flüssigkeitsflusses
unter Verwendung eines Druckdifferentials. Insbesondere sieht die
vorliegende Erfindung ein Druckfließsystem zum Anschluss an die
innere poröse
Matrix eines Knochens, der zur Implantation bereitsteht, mit einer
oder mehreren Behandlungsflüssigkeiten vor,
um den Knochen abwechselnd zu reinigen, zu entfetten, zu sterilisieren,
viral zu inaktivieren, zu desinfizieren und/oder zu demineralisieren,
um die Sichtbarmachung seiner Struktur zu erleichtern oder den Knochen
mit einem oder mehreren pharmakologischen Agentien (Antibiotika,
Knochen-Wachstumsfaktoren
etc.) zu imprägnieren,
so dass der Knochen als Arznei-Abgabesystem agieren kann.
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2. Hintergrund des Stands
der Technik
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Die Vorbereitung von Knochengewebe
zur anschließenden
Implantation schließt
eine oder mehrere aseptische Reinigungsprozeduren ein, welche dazu
dienen sollen, das Risiko, potentiell gefährliche Krankheitsorganismen
den Gewebeempfängern
zu transplantieren, zu minimieren und transplantations-bedingte
Abstoßungen
zu reduzieren. Bekannte Verfahren zur Reinigung von Knochen sind
nicht immer vollständig
und/oder durchgehend effektiv. Dementsprechend besteht bei Durchführung aller
bekannten Knochen-Reinigungsverfahren
das Risiko, dass gefährliche
Mikroorganismen und/oder antigenes Material weiterhin im Knochen
verbleiben kann.
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Die US-A-5,333,626 offenbart ein
Verfahren zur Vorbereitung eines Knochens für eine Transplantation, in
dem der Knochen zuerst mit einem Dekontaminierungs-Agens und anschließend bei
erhöhten Temperaturen
unter Hochdruck-Waschbedingungen mit einem chemischen Reinigungsmittel
in Kontakt gebracht wird. Das Patent US-A-5,556,379 offenbart das
Aufbringen eines Druckes, der geringer als der Umgebungsdruck ist,
d. h. Vakuum, um das Entfernen von bewegbarem Material von der inneren
Matrix eines Knochens als Methode, den Knochen für die Transplantation vorzubereiten.
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Obwohl die oben beschriebenen Verfahren einen
gewissen Erfolg gezeitigt haben, ist man bis jetzt auf Probleme
bei der gleichmäßigen Penetrationstiefe
in den Knochen hinein, wo infektiöse Agentien und/oder immunogene
Makromoleküle
vorliegen können,
gestoßen.
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Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit
für eine
verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Reinigung
und Dekontamination eines Knochens, welche die Belastung eines Transplantat-Empfängers durch
potentiell gefährliche Krankheiten
und transplantationsbedingte Abstoßungen verringert. Das offenbarte
System sieht des weiteren ein Verfahren vor, einen Knochen mit Agentien zu
behandeln, was zu verbesserten Leistungsmerkmalen führen kann,
um als Mittel zum Zuführen
eines oder mehrerer bioaktiver Agentien in einen Körper, in den
ein Knochen implantiert wurde, zu agieren und um den Knochen für diagnostische
oder Forschungszwecke einzufärben
oder um die Flüssigkeitsstrom-Charakteristika
des Knochens und seiner Mikrovaskulatur zu studieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist ein Druckfließsystem
und ein Verfahren zur Behandlung eines flüssigkeitsdurchlässigen Werkstücks, wie
in den Ansprüchen
1 und 11 dargelegt, vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das flüssigkeitsdurchlässige Werkstück ein Knochen
oder ein Abschnitt eines Knochens und die Flüssigkeit ist eine Reinigungs-
oder Desinfektionsflüssigkeit,
welche gezwungen wird, durch die Vaskulatur und die poröse Struktur
des Knochens zu fließen,
um den Abtransport von Blut, Knochenmark und/oder anderer Nicht-Knochen-Bestandteile
aus dem Knochen zu bewirken, und/oder den Knochen zu sterilisieren
und viral zu inaktivieren. Wechselweise kann das Druckfließsystem
dazu verwendet werden, den Knochen zu demineralisieren, die Mikrovaskulatur
des Knochens einzufärben,
um die Sichtbarkeit zu verbessern, oder um bioaktive Agentien einzuführen.
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Der Begriff "flüssigkeitsdurchlässiges Werkstück", wie er hierbei
verwendet wird, soll so verstanden werden, dass alle Gegenstände, Vorrichtungen, Materialien
oder dergleichen, die den Durchfluss einer Flüssigkeit unter Druck erlauben,
eingeschlossen sind. Der Terminus "Flüssigkeit" beinhaltet alle
flüssigen
und gasförmigen
Behandlungssubstanzen und deren Mischungen, welche unter den Arbeitsbedingungen
des Druckfließsystems
fließfähig sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen
sind hierin beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
des Druckfließsystems
ist;
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2 eine
perspektivische Seitenansicht der Reinigungskammer des in 1 gezeigten Druckfließsystems
ist;
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3 eine
perspektivische Seitenansicht mit aus der Reinigungskammer des in 1 gezeigten Druckfließsystems
entfernten Teilen ist;
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4 eine
geschnittene Ansicht entlang der Linie 4-4 aus 3 ist;
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5 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines Endes der Reinigungskammer
mit einer entfernten Endplatte und eines flüssigkeitsdurchlässigen Werkstücks, insbesondere
eines Abschnitts eines Knochens, welcher in der Kammeröffnung angeordnet
ist, ist;
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6 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines Endes der Reinigungskammer
mit einem darin gesicherten Knochenabschnitt ist;
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7 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht der Reinigungskammer mit einem
darin gesicherten Knochenabschnitt und einer durch das Werkstück hindurch
gezwungenen unter Druck stehenden Flüssigkeit ist
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8 eine
Photographie eines Anschnitts eines unbehandelten Knochenabschnitts
ist;
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9 eine
Photographie eines Anschnitts unter Verwendung des erfindungsgemäßen Druckfließsystem
behandelten Knochenabschnitts ist;
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10 eine
Photographie eines Anschnitts eines Knochenabschnitts ist, welcher
unter Verwendung der Vakuum-Methode
behandelt wurde, ist;
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11 eine
Photographie eines Anschnitts eines Knochenabschnitts, welcher unter
Verwendung eines Hochdruck-Sprühverfahrens
behandelt wurde, ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen des vorliegend
offenbarten Druckfließsystems
werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen die Bezugszeichen
identische oder in jedem der verschiedenen Ansicht korrespondierende
Elemente bezeichnen, en detail beschrieben.
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1 illustriert
eine Ausführungsform
des vorliegend offenbarten, generell mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten
Druckfließsystems.
Kurz dargestellt, beinhaltet des Druckfließsystem 10 zumindest
eine Druckkammer 12, welche einen mit einem Ende eines
Flüssigkeitszufuhr-Verteilers 16 kommunizierenden
Einlass 14 aufweist. Das andere Ende des Verteilers 16 kommuniziert
mit einer Wasserzufuhrquelle 18 und einer Vielzahl von
Behandlungsflüssigkeits-Subsystemen 20, 22, 24.
Die Subsysteme 20, 22, 24 führen der
Druckkammer 12 Behandlungsflüssigkeiten zu, um ein flüssigkeitsdurchlässiges Werkstück, welches
teilweise innerhalb der Kammer befestigt ist, zu behandeln. Obwohl
das System 10 derart offenbart ist, als dass es drei Flüssigkeits-Subsysteme
aufweist, können
dennoch eine größere oder
geringere Anzahl solcher Subsysteme vorgesehen sein, um das speziell
angewandte Verfahren anzupassen. Wasser wird von der Wasserzufuhrquelle 18 mittels
der Pumpe 19 durch das Ventil 17 zu dem Verteiler 16 zugeführt. Ein
Fließregler 35 kommuniziert
mit einem Druck-Messfühler 33,
welcher auf der Druckkammer 12 befestigt ist, um die Geschwindigkeit
der Pumpe 19 derart zu regeln, dass innerhalb der Druckkammer 12 ein
konstanter Druck aufrecht erhalten bleibt. Der Messfühler 33 ist auf
dem Verteiler 16 zwischen der Pumpe 19 und dem
Subsystem 20 angeordnet, um oberhalb der Subsysteme 20, 22 und 24 die
Fließrate
des Wassers durch den Verteiler zu messen.
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Mit Bezug auf die 2–4 beinhaltet die Druckkammer 12 einen
Kammerkorpus 59 mit einer Öffnung 60, welche
in eine der Kammerwände
eingeformt ist und derart dimensioniert ist, dass sie ein flüssigkeitsdurchlässiges Werkstück 62 aufnehmen kann.
In der gezeigten Ausführungsform
ist das Werkstück
ein Knochen oder ein Abschnitt eines Knochens, dessen poröse innere
Struktur das Durchfließen
einer unter Druck stehenden Flüssigkeit
ermöglicht.
Obwohl die Kammer 12 so illustriert ist, als dass sie eine
zylindrische Form habe, kann die Kammer 12 ebenso eine
rechteckige, kastenartige oder aber jede andere Form aufweisen,
welche in der Lage ist, einen Knochen 62 abzustützen und
eine unter Druck stehende Flüssigkeit
aufzunehmen. Die Kammer 12 kann ebenso eine Vielzahl von Öffnungen
aufweisen, so dass mehrere Werkstücke in der gleichen Kammer
aufgenommen werden können. Vorzugsweise
ist die Öffnung 60 in
eine abnehmbare Endkappe 64, welche an dem einen Ende der
Kammer 12 unter Verwendung bekannter, leicht abnehmbarer
Halterungen gesichert werden kann, eingeformt. Die Endplatte 64 ist
abnehmbar gestaltet, um Zugang zu dem Innern der Kammer 12 zu
erlangen und die Anordnung des Knochenabschnitts 62 darin oder
die Reinigung des Inneren der Kammer 12 zu ermöglichen.
Das Band 65 kann dazu verwendet werden, um die Endplatte 64 an
dem Korpus 59 abzusichern. Eine einstellbare Versiegelung 66,
welche in der Lage ist, eine flüssigkeitsdichte
Versiegelung um das Äußere des
Knochens (der einen irgend gearteten irregulären Querschnitt aufweist) herum
vorzusehen, umgibt die Öffnung 60.
Die Versiegelung 66 kann jede Art von Versiegelung sein,
die die voran beschriebenen Anforderungen erfüllt, und ist vorzugsweise eine
pneumatisch oder hydraulische verstellbare Versiegelung, welche
wahlweise zusammengedrückt
werden kann, um die äußere Oberfläche unabhängig von
der Irregularität
von dessen Querschnitt siegelnd aufzunehmen. Die Versiegelung 66 ist
innerhalb eines Kragens 68 abgestützt und zwischen der Endplatte 64 und
einem Distanzelement 70 angeordnet.
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Eine Rückhalteplatte 72 mit
einem Sperrkragen 74 ist vor der Öffnung 60 an Stäben 76 abgestützt. Der
Sperrkragen 74 ist vorzugsweise mit der Öffnung 60 fluchtend
angeordnet, um ein Ende des Werkstücks 62 aufzunehmen
und das Werkstück vom
Verschieben innerhalb der Öffnung 60 als
Folge der Druckdifferenz über
die Versiegelung 66 abzuhalten. Ein Versiegelungselement 62 kann
in dem Sperrkragen 28 befestigt werden, um eine flüssigkeitsdichte
Versiegelung über
ein Ende des Werkstücks 62 zu ergeben.
Sicherungsmuttern 80 sind beweglich an den Stangen 76 angebracht,
um die Anpassung der Rückhalteplatte 72 in
Bezug auf die Endplatte 64 zu ermöglichen. Die Stangen 76 können ebenfalls
verwendet werden, um die Endplatte 64, den Kragen 68 und
das Distanzelement 70 an der Kammer 12 abzusichern,
obwohl andere Halteelemente ebenso zu diesem Zweck verwendet werden
können.
Die Kammer 12 ist mit einer Druckanzeige 82, einem
Einlassventil 84 für
die Flüssigkeit,
einem Entlüftungsventil 86 und
einem (nicht gezeigten) Ablauf versehen. Die Ventile 84 und 86 können elektrisch
betriebene, von einem Master-Controller 58 (Siehe 1) geregelte Ventile sein.
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In Bezug auf die 5–7 wird ein Knochenabschnitt 62 innerhalb
der Kammer 12 durch Entfernen der Endkappe 64 von
dem Kammerkorpus 59 und Hindurchschieben des ersten Endes 88 des
Knochenabschnitts 62 durch die in der Endkappe 64 vorgesehene Öffnung 60 hindurch
auf die Rückhalteplatte 72 zu
gesichert. Das erste Ende 88 ist innerhalb des Sperrkragens 74 an
der Rückhalteplatte 72 angeordnet.
Vorzugsweise ist die Position der Rückhalteplatte 72 an
den Stangen 76 so eingestellt, dass der größere Anteil
der Länge
des Knochenabschnitts 62 außerhalb der Öffnung 60 mit
nur einem kleinen Anteil des Knochens innerhalb der Kammer 12 angeordnet
ist. Nachdem die Rückhalteplatte 72 richtig eingestellt
ist, kann die Endkappe 64 an dem Kammerkorpus 59 durch
Bewegen der Endkappe in Richtung des Pfeils A in 5 gesichert werden.
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Mit Bezug auf 6 beinhaltet der Kragen 68 einen
Anschluss 90 mit einem Ventil, um die einstellbare Versiegelung
mit Druck zu beaufschlagen. Nachdem der Knochenabschnitt 62 richtig
in der Druckkammer 12 angeordnet und die Endkappe 64 an
dem Kammerkorpus 59 gesichert ist, wird ein Flüssigkeitsdruck
auf die einstellbare Versiegelung aufgebracht, um eine flüssigkeitsdichte
Versiegelung innerhalb der Öffnung 60 und
um den Knochen herum zu erzeugen. Wie in 7 dargestellt, wird, nachdem der Knochenabschnitt 62 richtig
versiegelt ist, eine Flüssigkeit
bei einem vorab bestimmten Druck durch den Einlass 14 der
Kammer 12 zugeführt.
Aufgrund der Druckdifferenz über
die einstellbare Versiegelung 66 wird die unter Druck stehende
Flüssigkeit innerhalb
der Kammer 12 von der Kammer 12 durch die poröse innere
Matrix des Knochens hindurch gezwungen.
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Wieder mit Bezug auf 1 ist das Druckfließsystem insbesondere zur Behandlung
von Knochen geeignet, umfassend Langknochen von Kadavern, Hüftknochen,
Rippen etc., welche zur chirurgischen Transplantation vorgesehen
sind. In einer bevorzugten Ausführungsform
des Druckfließsystems 10 zur
Behandlung von Knochen beinhaltet ein Flüssigkeits-Subsystem, beispielsweise
das Flüssigkeits-Subsystem 20,
ein oberflächenaktives
Agens aus der Vielfalt anionischer, kationischer, amphoterer und/oder
nicht-ionischer Agentien. Vorzugsweise ist das oberflächenaktive
Agens ein nicht-ionischer
Octylphenoxy-Polyethoxy-Ethanol 26, der zum Entfernen von
Proteinen und Lipiden aus einem Knochen dient, so wie Triton X-100TM (Rohur und Haas Co.), obwohl andere oberflächenaktive
Agentien ebenso verwendet werden können. Eine Flüssigkeitspumpe 28,
welche vorzugsweise eine peristaltische Pumpe ist, obwohl andere
Arten von Pumpen verwendet werden können, führt das oberflächenaktive
Agens dem Verteiler 16 durch das elektrisch geregelte Ventil 30 zu.
Der Fließregler 34 ist
operativ mit dem Fließ-Messfühler 32 verbunden,
um die Geschwindigkeit der Pumpe und dadurch die Konzentration des
oberflächenaktiven
Agens innerhalb des Verteilers 16 zu regeln.
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Kationische Oberflächenagentien,
die eingesetzt werden können,
umfassen quaternäre
Amino- oder Stickstoff-Verbindungen,
quaternäre
Ammonium-Salze und Alkyl-Pyridinium-Salze, aliphatische Mono-, Di- und Polyamine,
Harzderivat-Amine, Amin-Oxyde,
so wie Polyoxyethylen-Alkyl und alizyklische Amine, N, N, N, N tetrakis-substituierte
Ethylen-Diamine, mit Aminen verbundene Amine, vorzugsweise solche,
die bei der Konderisation einer karboxylischen Säure mit einem Di- oder Polyamin anfallen,
und Natrium tauro-24, 25-dihydrofusidate.
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Die anionischen Oberflächenagentien,
die eingesetzt werden können,
umfassen Sulfate so wie alkylische Sulfate (zum Beispiel Natrium-Dodekyl-Sulfat),
sulfatisierte Fette und Öle,
sulfatisierte Ölsäure, sulfatisierte
Alkanolamide, sulfatisierte Ester und Alkohol-Sulfate, Sulfonate
so wie Alkylaryl-Sulfonate, Olefin-Sulfonate, ethoxylierte Alkohol-Sulfate, Lignosulfonate,
Sulfonate kondensierter Naphtalene, Dialkyl-Schwefel-Succinate,
vorzugsweise Natrium-Derivative, Natrium-Derivative von Schwefel-Succinaten
so wie Di-Schwefel-ethoxylierter
Alkohol (C10-C11),
Halbester von sulfosuccinischen Säuren etc., Petroleum-Sulfonate
so wie Alkalisalze von Petroleum-Sulfonaten, zum Beispiel Natrium-Petroleum-Sulfonate
(Acto 632), Phosphat-Ester so wie alkalische Phosphat-Ester und
ein Pottaschesalz eines Phospaht-Esters (Triton H66), sulfonatisierte
Alkyl-Ester (zum Beispiel Triton GR 7), Carboxylate, so wie diejenigen
mit der Formel (RCOO)-(M)+, wobei R eine
Alkylgruppe mit 9– 21
Kohlenstoffatomen und M ein Metall oder ein Amin ist, und Schwefel-polymerische
carboxylische Säure
(Tamol 731) und dergleichen.
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Nicht-ionische oberflächenaktive
Agentien, die eingesetzt werden können, beinhalten Polyoxyethylene,
ethoxylierte Alkyl-Phenole, ethoxylierte aliphatische Alkohole,
carboxylische Säure-Ester
so wie Glycerol-Ester, Polyethylen-Glykol-Ester und Polyoxyethylen-Fettsäure-Ester, Anhydrosorbitol-Ester und
ethoxylierte Anhydrosorbitol-Ester, Glykolester von Fettsäuren, ethoxylierte
natürliche
Fette, Öle
und Wachse, carboxylische Amide so wie Diethanolamin-Kondensate und Monoalkanolamin-Kondensate, Polyexyethylen-Fettsäure-Amide,
Polyalkylen-Oxide abblockierende Copolymere, vorzugsweise Polyethylen-
und Polypropylen-Oxide abblockierende Copolymere, und Polysiloxan-Polyoxylalkylen-Copolymere, 1-Dodecylazacyelophetan-ein-Polyethylen-Glykol-Monolaurat, und Macrochems
SEPA nicht-ionisches oberflächenaktives
Agens.
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Bevorzugte nicht-ionische oberflächenaktive Agentien
sind Ethylen-Oxid-Kondensationsprodukte (Polyoxyethylen), welche
mehr als zwei und vorzugsweise mindestens fünf Ethylen-Oxid-Gruppen mit wenigstens
einer durch Reaktion mit entweder Alkohol, Alkylphenol oder einer
langkettigen Fettsäure begrenzten
Endgruppe, umfasst. Ein besonders bevorzugter nicht-ionischer oberflächenaktiver
Agens ist ein Octylphenoxy-Polyethoxyethanol-oberflächenaktiver
Agens, der als Triton X-100 bekannt ist.
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Amphotere oberflächenaktive Agentien umfassen
N-kokos-3 aminopropionische Säure
und deren Natriumsalz, Dinatriumsalze der N-Talg-3-Iminodipropionate
und N-lauryl-3-Iminodipropionate, N-Carboxymethyl-N-Kokosalkyl-N-Dimethylammonium-Hydroxid,
N-Carboxymethyl-N-Dimethyl-N-(9 Octadecenyl)-Ammonium-Hydroxid,
(1-Carboxyheptadecyl)-Trimethylammonium-Hydroxid,
Natriumsalze der N-Kokosamidoethyl-N-Hydroxyethylglycine und
N-Hydroxyethyl-N-stearamido-Glycine,
Natriumsalze der N-Hydroxyethyl-N-lauramido-B-Alanine und N-Kokosamido-N-Hydroxyethyl-B-Alanine, Natriumsalze
vermischter alicyclischer Amine, ethoxylierte und sulfatisierte
Natriumsalze oder freie Säuren der
2-Alkyl-1-Carboxymethyl-1-Hydroxyethyl-2-Imidazolin Hydroxide, die
Dinatriumsalze der 1.1-bis(Carboxymethyl)-2-undecyl-2-Imidazolin-Hydroxide, und
das Natriumsalz propoxylierter und sulfatisierter Ölsäure-Ethylendiamin-Kondensate.
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Ein anderes Flüssigkeits-Subsystem, zum Beispiel
das Flüssigkeits-Subsystem 22,
kann eine Quelle für
Säure 36,
welche durch die Pumpe 42 über die Einlass- und Auslassventile 38 und 40 zu
dem Verteiler 16 zu geführt
werden. Ein pH-Wert-Regler 44 ist operativ mit einem an
dem Verteiler 16 befestigten pH-Wert-Messfühler 46 verbunden,
um die Geschwindigkeit der Säurepumpe 42 zu
regeln und die Behandlungslösung
in dem Verteiler 16 auf einem konstanten pH-Wert zu halten.
Vorzugsweise ist der pH-Wert-Regler 44 ebenfalls mit einem
Fließ-Messfühler 32 operativ
verbunden, um eine präzisere
Kontrolle über
die Säureförderung
zu erhalten. Die Säuren,
die bei diesem Arbeitsablauf eingesetzt werden können, umfassen anorganische
Säuren
so wie Salzsäure
und organische Säuren
so wie Per-Essigsäure. Nach
der Säurebehandlung
wird der Knochen mit sterilem Injektionswasser, welches mit einem
Pufferstoff auf einen vorab bestimmten pH-Wert gepuffert wurde,
durchgespült
und schließlich
mit Injektionswasser durchgespült,
um Restmengen der Säure und
des Pufferstoffs zu entfernen.
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Ein weiteres Flüssigkeits-Subsystem, zum Beispiel
das Flüssigkeits-Subsystem 24,
kann eine Quelle für
Ethanol 48, welcher durch die Pumpe 54 durch die
elektrisch geregelten Ventile 50 und 52 dem Verteiler 16 zugeführt wird,
umfassen. Der Regler 56 ist operativ mit dem Druck-Messfühler 33,
welcher an der Kammer 12 befestigt ist, um die Geschwindigkeit
der Ethanolpumpe 54 zu kontrollieren, verbunden. Die Gesamtabfolge
und das Timing der Arbeitsabläufe
der Subsysteme 20, 22 und 24 werden über eine
Bedienereingabe und einen Master-Controller 58, welcher
operativ mit dem Fließ-Messfühler 32 verbunden
ist, geregelt, um die Arbeitsabfolge jedes dieser Subsysteme zu
koordinieren. Jedes Subsystem kann allein oder in Kombination mit
jedem anderen Subsystem gesteuert werden, um den Knochen zu behandeln.
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Andere Flüssigkeiten können zusätzlich zu oder
in Kombination mit den bereits genannten in dem System 10 vorgesehen
sein. Beispielsweise ist eine bevorzugte entfettende/desinfizierende
Lösung eine
wässrige
Lösung
von Ethanol mit einem nicht-ionischen oberflächenaktiven Stoff, wobei der
Ethanol ein wirkungsvolles Lösungsmittel
für Lipide
und das Wasser ein wirkungsvoller hydrophiler Träger ist, der es ermöglicht,
dass die Lösung
tiefer in den Knochen eindringt. Die wässrige Ethanol-Lösung desinfiziert den
Knochen durch Abtöten
der vegetativen Mikroorganismen und der Viren. Zum Beispiel zerstört das nicht-ionische
oberflächenaktive
Agens lipidische Toga-Viren so wie HIV und HBV. Gewöhnlich sollten mindestens
10–40%
Wasser (d. h. etwa 60–90%
eines entfettenden Agens so wie Alkohol) in der entfettenden, desinfizierenden
Lösung
vorhanden sein, um eine optimale Lipid-Entfernung und Desinfektion
innerhalb kürzester
Zeit zu erreichen. Der bevorzugte Konzentrationsbereich der entfettenden
Lösung
ist etwa 60– 85%
Alkohol, höchst
bevorzugt etwa 70% Alkohol.
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Medizinisch/chirurgisch brauchbare
Substanzen, welche durch das Druckfließsystem 10 zugeführt werden
können,
sind, zusätzlich
zu den oben erwähnten,
beispielsweise Antivirizide, besonders diejenigen, die gegen HIV
und Hepatitis wirksam sind, Antimikrobiale und/oder Antibiotika
so wie Erythromyzin, Bacitrazin, Neomyzin, Penizilin, Polymyxin
B, Tetracycline, Viomyzin, Chloromyzetin und Streptomyzine, Cefazolin,
Ampizillin, Azactam, Tobramyzin, Clindamyzin und Gentamizin usw.;
Aminosäuren,
Magainine, Peptide, Vitamine, anorganische Elemente, Kofaktoren
für die
Proteinsynthese, Hormone, endokrine Gewebe oder Gewebefragmente, Synthetisierer,
Enzyme so wie Collagenase, Peptidase, Optidase usw.; Zelloberflächen-Antigen-Eliminatoren, angiogene
Arzneistoffe und polymere Träger, die derartige
Arzneistoffe beinhalten, Kollagen-Gitter, biokompatible oberflächenaktive
Stoffe, antigene Agentien, zytoskeletale Agentien, Knorpelfragmente, lebende
Zellen so wie Chondrozyten, Knochenmark-Zellen, mesenchymale Stammzellen,
natürliche
Extrakte, Gewebetransplantate, Biokleber, knochenaufbauende Proteine
(BMPs), das Wachstum transformierende Faktoren (TGF-beta), insulinartige Wachstumsfaktoren
(IGF-1), Wachstumshormone so wie Somatotropin, Knochen-Biokonverter,
Antitumor-Agentien, Fibronectin, Zellanziehende und -anlagernde
Agentien, Immunsuppressiva, Permeabilitätserhöher, beispielsweise Fettsäureester
so wie laureate, myristate und stearate Monoester des Polyethylen-Glykols,
Enarmin-Derivate, Alphaketo-Aldehyde usw.; Nukleinsäure und
biorodable Polymere, so wie diejenigen, die in der US-A-4,764,364,
der 4,765,973 und der EP-A-168,277 offenbart sind. Die Mengen dieser
optional zugesetzten Substanzen kann in weiten Bereichen variieren,
wobei die optimalen Niveaus jeweils für den speziellen Anwendungsfall
unter Anwendung von Routineversuchen ermittelt werden können.
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Das Folgende ist ein Beispiel für einen
bevorzugten Arbeitszyklus eines Druckfließsystems 10 zur Behandlung
eines Knochens:
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Nachdem der Knochenabschnitt 62,
wie in 6 gezeigt, in
der Druckkammer 12 gesichert ist, werden die Wasserpumpe 19 und
die Pumpe 28 dazu verwendet, um eine Lösung mit bekannter Konzentration
zu der Druckkammer 12 zuzuführen. Die speziell ausgewählte Lösung wird
dabei von der Art des durchgeführten
Behandlungsverfahrens abhängen. Die
Flüssigkeit
kann simultan zu mehr als einer Kammer 12 zugeführt werden,
beispielsweise kann eine Vielzahl von Druckkammern vorgesehen sein,
um gleichzeitig eine Mehrzahl von Knochen oder Knochenabschnitten
zu behandeln. Die Dauer des Flusses kann von der Art des gereinigten
Knochens abhängen.
Nach einer spezifischen Dauer wird die Pumpe 28 abgeschaltet,
während die
Wasserpumpe 19 dazu verwendet wird, das System zu spülen. Nach einer
spezifischen Dauer des Spulens, wird die Wasserpumpe 19 abgeschaltet
und die Ethanolpumpe 54 wird verwendet, um die vaskulare
und die poröse Struktur
des Knochens zu spülen.
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In einer anderen Ausführungsform
des Knochen-Reinigungsprozesses
kann der Nebenkanal des Knochens, nach dem der Knochen mit einer
Anfangs-Behandlungslösung
gespült
wurde, unter Verwendung der Versiegelung 78 (6) versiegelt werden. Danach
wird die durch den Knochen hindurchtretende Flüssigkeit gezwungen, durch ein
Spongiosagewebe des Knochens zu fließen und anschließend eher
durch das Kortikalgewebe des Knochens als durch den Nebenkanal aus
dem Knochen auszutreten.
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Der Knochen ist aus zweierlei Arten
von Geweben, dem Kortikalgewebe und dem Spongiosagewebe, zusammengesetzt.
Der periosteale Anteil des Knochens ist aus Kortikalgewebe geformt,
welches eine poröse
Struktur mit einem großen
Anteil fester Materie aufweist. Der endosteale Anteil des Knochens
ist aus Spongiosagewebe, welches eine schwammartige Gestalt besitzt
und ebenfalls eine poröse
Struktur mit einem geringeren Anteil an fester Materie besitzt,
geformt. Der relative Anteil jedes Gewebetyps variiert in den verschiedenen
Knochen und in den verschiedenen Teilen desselben Knochens, um die
notwendigen Festigkeitsanforderungen des Knochens zu erfüllen. Das
Innere eines langen Knochens umfasst einen zentralen Hohlraum, der
Nebenkanal (7) genant
wird.
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Während
der Behandlung des Knochens unter Verwendung des Druckfließsystems 10 wird
die Flüssigkeit
gezwungen, im Inneren der Kammer 12 von dem periostealen
Anteil des Knochens zu dem endostealen Anteil des Knochens zu einer
Position jenseits der Versiegelung 6 innerhalb eines Anteils des
Knochens 62, welcher außerhalb der Kammer 12 angeordnet ist,
zu fließen.
Die Flüssigkeit
ist dann gezwungen, von dem endostealen Anteil des Knochens zu dem
periostealen Anteil des Knochens zu fließen, um den Knochen 62 außerhalb
der Kammer 12 zu verlassen. Es ist herausgefunden worden,
dass das gezwungene Hindurchfließen der Behandlungsflüssigkeit
entlang des natürlichen
Zirkulationspfades des Knochens, d. h. von dem endostealen Anteil
des Knochens zu dem periostealen Anteil des Knochens, in einer einheitlicheren
und tieferen Flüssigkeitspenetration
in die Knochenmatrix, insbesondere in das Kortikalgewebe des Knochens
hinein, führt.
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Die Behandlungsflüssigkeit kann bei Verwendung
eines weiten Bereichs an Drücken
zum Fließen
bewegt werden. Der Druckbereich ist nach unten lediglich durch den
Widerstand der Knochen-Mikrovaskulatur begrenzt. Der physiologische Druckimpuls
in dem Knochen ist ungefähr
100 mm Hg und eine Druckdifferenz dieses Wertes oder größer wird
als ausreichend betrachtet, ein gewisses Fließniveau in diesem System zu
erzielen. Als das obere Ende des Druckbereichs wird der Druck angesehen,
bei dem ein physikalischer oder biologischer Schaden des Knochens
auftritt. Versuche wurden durchgeführt bis zu einem Druck von
50 psi, ohne dass ein schädlicher
Effekt hätte
beobachtet werden können.
Ein höherer
Druck würde
ebenfalls als zufriedenstellend erwartet. Die nachfolgenden Beispiele
illustrieren Knochen-Reinigungsoperationen
unter Verwendung des Druckfließsystems
gemäß dieser Erfindung
und zum Vergleich die in der US-A-5,513,662 und der 5,556,379 beschriebene Vakuummethode,
die in der US-A-5,333,626 beschriebene Hochdruck-Sprühmethode,
sowie einen unbehandelten Knochenabschnitt (8).
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Beispiel 1 – Druckfließsystem
gemäß dieser
Erfindung
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Eine menschliche rechte, rumpfwärts gelegene
Tibia wurde von allen weichen Geweben und der Knochenhaut befreit.
Ein Schnitt wurde unter Verwendung einer Handsäge in dem Bereich des mittleren
Schafts erzeugt. Der rumpfwärts
gelegene Anteil (ungefähr
18 cm in der Länge)
wurde mit einer aufblasbaren Versiegelung derart in dem Druckfließsystem
fixiert, dass der rumpfwärts
gelegene Kopf innerhalb der Kammer und er größte Teil des Schafts außerhalb
der Kammer war. Die Kammer wurde mit 1% Triton X-100TM (bei
40°C) gefüllt und
Druck aufgebracht. Es wurde beachtet, dass die Flüssigkeit
aus dem offenen Nebenkanal herausfloss. Zuerst war die Flüssigkeit
rot und ziemlich trübe.
Nachdem eine Gesamtmenge von 3,75 Liter der Lösung durch den Knochen (in
etwa 2 Minuten) hindurchgeflossen war, wurde die Lösung so
gut wie klar und der Fluss wurde gestoppt. Diese Einschätzungen
wurden durch Analyse des Ausflusses unter Verwendung eines Spektrophotometers,
in dem das Absorptionsvermögen der
Lösung
ermittelt wird, überprüft. Der
Kanal wurde nun abgedichtet und der Fluss nochmals mit warmem 1%
Triton X-100 aufgebaut. Es wurde nun beachtet, dass die Lösung in
eine Vielzahl kleiner Flüsschen von
der Oberfläche
des kortikalen Mittelschafts aus fließt. Nachdem etwa 1 Liter der
Lösung
durch den Knochen geflossen war (in etwa 3 Minuten), wurde der Fluss
gestoppt und die Flüssigkeit
in der Kammer wurde durch 37°C
warmes Leitungswasser ausgetauscht. Der Fluss wurde wiederum aufgebaut,
bis etwa 3 Liter in etwa 5 Minuten durch den Knochen hindurch geflossen
waren. Die Flüssigkeit
in der Kammer wurde nunmehr durch eine wässrige Lösung eines blauen Färbe-Methylens
ersetzt. Der Fluss wurde so lange aufgebaut, bis etwa 1 Liter des Färbemittels
in etwa 4 Minuten durch den Knochen hindurch geflossen waren. Der
Fluss wurde gestoppt, der Knochen wurde aus der Vorrichtung entnommen und
eine Querschnittsstück
wurde ungefähr
3 cm von dem offenen Kanalende entfernt abgeschnitten. Siehe hierzu 9. Die äußeren, inneren und Querschnitts-Oberflächen wurden
als blau eingefärbt
beobachtet. Eine dünne
Scheibe des Querschnitts wurde des weiteren heruntergeschliffen,
auf einem Objektträger
befestigt und mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass
jeder Haversian- und Volkmann-Kanal Färbemittel enthielt und nahezu
alle osteozytischen lacunae blau waren.
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Beispiel 2 – Vakuum-Methode
gemäß US-A-5,556,379
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Ein linker Tibia (von dem gleichen
Spender wie in Beispiel 1) wurde von allem weichen Gewebe und der
Knochenhaut befreit. Ein Schnitt wurde unter Verwendung einer Handsäge in dem
Bereich des mittleren Schafts erzeugt. Der rumpfwärts gelegene Anteil
(ungefähr
18 cm in der Länge)
wurde unter Verwendung einer Curette und einer Wasserspülung von
nahezu allem Knochenmark gereinigt. Eine Vakuumleitung wurde an
dem offenen Ende des Knochens angebracht, wobei eine aufblasbare
Versiegelung zur Erzeugung einer luftdichten Verbindung verwendet
wurde. Der Knochen wurde dann in einen Behälter mit 1% Triton X-100TM (bei 45°C)
verbracht und Vakuum wurde unter Verwendung einer Vakuumpumpe aufgebracht.
Die Pumpe wurde so eingestellt, dass ein steter Fluss der Flüssigkeit
durch den Knochen hindurch und in einen Abscheider hinein aufrecht
erhalten wurde. Ungefähr
3,5 Liter waren in etwa 11 Minuten durchgezogen worden, als das
Vakuum beendet wurde. Als Nächstes
wurde der Knochen in einen Behälter
mit warmem Leitungswasser gelegt und das Vakuum wurde wieder aufgebaut,
um etwa 2 Liter in etwa 5 Minuten durch den Knochen hindurch zu
ziehen. Als Nächstes
wurde der Knochen in einem Behälter
mit wässriger
Methylen-Blaufärbelösung platziert
und ungefähr
1,5 Liter wurden in etwa 4 Minuten durch den Knochen gezogen. Der
Knochen wurde aus der Vorrichtung entnommen und ein Querschnittsstück wurde
ungefähr
3 cm von dem offenen Kanalende entfernt abgeschnitten. Siehe hierzu 10. Die äußeren und inneren Oberflächen wurden
als blau eingefärbt
beobachtet, jedoch lediglich ein dünner Ring in der Nähe der äußeren und
inneren Oberfläche
auf der Querschnitts-Oberfläche war
blau. Der größte Teil
des Inneren bleib gelb bis weiß.
Eine dünne
Scheibe des Querschnitts wurde des weiteren heruntergeschliffen,
auf einem Objektträger
befestigt und mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass
weniger als 50% der Haversian- und Volkmann-Kanäle Färbemittel enthielten und wenige
der osteozytischen lacunae blau waren.
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Beispiel 3 – Hochdruck-Sprühsystem
gemäß US-A-5,333,626
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Eine rechte distale menschliche Tibia
(von demselben Spender wie in den Beispielen 1 und 2) wurde von
allem weichen Gewebe und der Knochenhaut befreit. Ein Schnitt wurde
unter Verwendung einer Handsäge
in dem Bereich des mittleren Schafts erzeugt. Der rumpfwärts gelegene
Anteil (ungefähr 18
cm in der Länge)
wurde unter Verwendung einer Curette und einer Wasserspülung von
nahezu allem Knochenmark gereinigt. Ein Hochdruck-Sprühsystem
und eine Sprühkanone
wurden bei einem Druck von ungefähr
2000 psi zum Abgeben der folgenden Lösungen verwendet:
- (A) 10 Liter TRITON X-100 bei 45°C
- (B) 10 Liter Wasser, und
- (C) 4 Liter eines Methylen-Blaufärbemittels in wässriger
Lösung.
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Das Sprühen wurde auf einen Punkt in
dem Bereich des kortikalen Mittelschafts fokussiert. Als Nächstes wurde
ein Querschnittsstück
durch den kortikalen Mittelschaft herausgeschnitten. Siehe hierzu 11. Die äußere und die innere Oberfläche wurden
als durchgehend blau mit einer mittelmäßigen Penetration der inneren
Oberflächen
direkt unterhalb des Fokuspunkts des Sprühens betrachtet. Ein Beleg
für eine
vollständige
Penetration außerhalb des
Fokuspunkts des Sprühens
lag nicht vor.
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Bei Betrachtung der 8–11 wird ersichtlich, dass
die osteozytischen lacunae, welche die kleinsten Aufnahmen des Knochens
darstellen, gründlich
mittels des Druckfließsystems
erreicht werden können,
während
ein deutlich geringerer Prozentsatz unter Verwendung der Vakuum-Methode und
des Hochdruck-Sprühverfahrens
errecht werden kann, wenn die Systeme unter vergleichbaren Bedingungen
und Parametern laufen.
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Wie oben bereits diskutiert, kann
das Druckfließsystem 10 dazu
verwendet werden, Behandlungsprozeduren abseits einer Reinigung
durchzuführen.
Beispielsweise kann das Druckfließsystem 10 dazu verwendet
werden, um durch Hindurchzwingen einer Säure oder eines demineralisierenden Agens
durch den Knochen eine Demineralisierung des Knochens zu erreichen.
Dies kann durch Aktivieren einer Wasserpumpe 19 und einer
Säurepumpe 42 erreicht
werden, welche eine saure Lösung
zu der Druckkammer 12 zuführt. Nach einer bestimmten Zeit
kann die Säurepumpe 42 deaktiviert
werden und die Wasserpumpe 19 wird allein dazu verwendet,
die Säure
aus dem Knochen zu spülen.
Wo der Knochen irgendeine signifikante Querschnittsdimension besitzt,
können
die üblichen
Verfahren zur Demineralisierung des Knochens (beispielsweise ein
Säurebad) in
einer fortschreitenden Demineralisierung aufgrund eines Lösungsfrontprozesses
führen.
Dies führt
zu einem Knochen, der einen gewissen Anteil an mineralischer Materie
beibehält,
wobei der Anteil in Richtung auf das Zentrum des Knochens zunimmt.
Im Gegensatz hierzu sieht das hierin beschriebene Druckfließsystem
einen demineralisierten Knochen mit einem einheitlicheren Demineralisationsprofil,
als das bei Durchführung üblicher
Verfahren vor, wobei die Porosität
durch die deminarlisierung der vaskularen Kanäle über den Knochen hinweg wesentlich
erhöht wird.
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Dieses System ist dafür vorgesehen,
um bei der Entwicklung von Fremdimplantat-Formen verwendet zu werden,
die eine strukturelle Abstützung bieten,
jedoch auch eine erhöhte
Fähigkeit
aufweisen, aufgrund des verbesserten vaskulären Zugangs über die
demineralisierte Mikroporen-Struktur des Knochens innerhalb des
aufnehmenden Knochens innerhalb des aufnehmenden Knochens remodelliert zu
werden. Dieses Verfahren wird die Möglichkeit eröffnen, osteoinduktive
und gewichtstragende Fremdimplantate zu entwickeln.
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Es ist selbstverständlich,
dass verschiedenartige Modifikationen an den hierin offenbarten
Ausführungsformen vorgenommen
werden können.
Beispielsweise muss das Fließsystem
nicht zur Reinigung oder Demineralisierung verwendet werden, sondern
kann ebenso als histologisches Werkzeug benutzt werden. Da das oben
beschriebene Druckfließsystem
bewiesen hat, bei der Penetration mineralisierter Gewebe effektiv
zu sein, kann das System dazu verwendet werden, ein Färbemittel
oder jedes andere anwendbare Kontrastmittel, beispielsweise ein
Methylen-Blaufärbemittel,
in die kleinsten Aufnahmen des Knochens, einschließlich der
osteozytischen lacunae, zu injizieren, um die Sichtbarmachung dieser
kleinen Strukturen und das Studium der Knochen-Mikrovaskulatur zu
verbessern. Die Kammer kann ebenfalls für das Studium der Fließmechanik
durch die Knochen-Mikrovaskulatur verwendet werden. Sie kann auch
dazu verwendet werden, einen Knochen mit einem pharmakologischen
Agens zu imprägnieren
(Antibiotika, Knochen-Wachstumsfaktoren usw.), so dass der Knochen
als Abgabesystem agieren kann. Des weiteren kann mehr als eine Druckkammer
gleichzeitig verwendet werden, um ein oder mehrere Werkstücke zu behandeln.
Zum Beispiel kann ein gesamter Knochen dadurch behandelt werden,
dass ein Ende des Knochens in einer ersten Druckkammer und das andere
Ende des Knochens in einer zweiten Druckkammer gesichert wird. In
einem anderen Beispiel kann eine Druckkammer mehr als eine Öffnung aufweisen
und eine Versiegelung in jeder Öffnung
besitzen, um die simultane Behandlung verschiedner Werkstücke unter
Verwendung einer einzigen Kammer zu erleichtern. Daher sollte die
obige Beschreibung nicht als beschränkend, sondern lediglich als
Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen ausgelegt werden.
Die Fachleute werden andere Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs
und Geistes der hieran angehängten
Patentansprüche
vor Augen haben.