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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
aufgeschäumten
keramischen Materialien, und insbesondere von aufgeschäumten keramischen
Materialien, die zur Verwendung in biomedizinischen Anwendungen
geeignet sind.
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Das
Ersetzen alter, beschädigter
oder kranker Knochen ist heute eine allgemein übliche Vorgehensweise, und
jährlich
werden allein in Großbritannien
schätzungsweise
40.000 Hüfttransplantationen
durchgeführt,
18% der Patienten werden dabei bereits zum wiederholten Mal operiert.
Durch den stetigen Fortschritt auf dem Gebiet der Operationstechnik
wie auch des medizinischen Wissens ergibt sich eine wachsende Nachfrage
nach synthetischen Knochenersatzstoffen, besonders aufgrund gesundheitlicher
Bedenken bezüglich homologer
Knochenspäne,
die mit den Risiken viraler Infektionen, wie beispielsweise Hepatitis
B und HIV, in Verbindung gebracht werden. Folglich besteht ein wachsendes
Interesse an der Entwicklung synthetischer Knochenersatzstoffe zur
Regeneration von Knochendefekten an belasteten wie auch unbelasteten
Knochen, beispielsweise zur Wiederherstellung von Gelenken und Gesichtsknochen,
was zu einer Expansion dieses Forschungsgebiets führt.
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Die
Biokompatibilität
von Hydroxyapatit (HA) hat in Verbindung mit den Ähnlichkeiten
des Feingefüges von
HA und dem Mineralgehalt von Knochen ein großes Interesse an HA als einem
Material zur Ausbesserung von Knochenschäden hervorgerufen. Die Basis
der Apatitgruppe der Mineralien ist Kalziumphosphat, wobei das stöchiometrische
Hydroxyapatit ein molares Verhältnis
von Ca/P von 1,67 aufweist. HA hat die chemische Formel Ca10(PO4)6(OH)2. Ein wachsendes Interesse besteht auch
an der Entwicklung von Biomaterialien, wie beispielsweise bioaktivem
Glas und Apatit-Ersatzstoffen, die der chemischen Zusammensetzung
von Knochenmineral näher
kommen und somit eine schnellere Knochenverbindung zwischen Implantat
und Knochen ermöglichen.
Aufgrund der schlechten mechanischen Eigenschaften all dieser Stoffe
war jedoch die klinische Verwendung bislang auf Beschichtungen und
unbelastete porige Strukturen oder Granulat beschränkt.
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Porige
biokeramische Implantate bieten die Möglichkeit von maßgenauer
Knochenreparatur und -wiederherstellung in einer Vielzahl von orthopädischen
Verfahren wie auch der sicheren Befestigung des Implantats durch
das Einwachsen von Knochen sowie me-chanische Verklammerung. Gegenwärtig sind
auf dem Markt eine Reihe poriger Materialien für Implantate auf HA-Basis erhältlich,
so zum Beispiel Unilab®, Surgibone®, Endobon®,
Ceros® oder
Interpore®.
Viele dieser Materialien werden entweder aus tierischer Spongiosa oder
aus Korallen gewonnen, die einer Hydrothermalbehandlung unterzogen
werden, um die natürlichen
keramischen Bestandteile in Hydroxyapatit umzuwandeln, gleichzeitig
aber die natürliche
porige Struktur beizubehalten. So wird z. B. Endobon® mittels
hydrothermaler Umwandlung von Rinderspongiosa erzeugt. Andere Materialien
werden durch herkömmliche
Ausbrennverfahren gebildet, wobei in einer Keramikstruktur verteilte Polymerkügelchen
ausgebrannt werden und so eine schaumähnliche Struktur zu-rückbleibt.
Bei dieser Vorgehensweise wird eine beträchtliche Menge an gasförmigen Nebenprodukten
erzeugt, und oft entstehen Risse in der Struktur.
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Die
Informationen über
die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die modale
Makroporengröße oder
den Verbindungsgrad zwischen den Poren, und ihre Steuerung sind
bei vielen dieser porigen Strukturen begrenzt, in manchen Fällen kann
auch die chemische Zusammensetzung nur begrenzt gesteuert werden.
Physikalische wie chemische Eigenschaften beeinflussen die Qualität und Geschwindigkeit
des Einwachsens der Knochen in diese Materialien nach einer Implantation.
Darüber
hinaus sind die mecha-nischen Eigenschaften äußerst empfindlich gegenüber Dichte-
wie auch Anisotropie-Parametern, die wiederum in vielen der heute üblichen
Herstellungsverfahren nicht gut gesteuert werden. Es besteht daher
ein Bedarf für
die Entwicklung eines neuartigen Herstellungsverfahrens, das eine
Steuerung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Enderzeugnisses
erlaubt. Mit dessen Hilfe können
durch die wunschgemäße Einstellung
der Ei-genschaften und die bessere Reproduzierbarkeit verbesserte
Im-plantate hinsichtlich der mechanischen und biologischen Effizienz
hergestellt werden.
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Schaumkeramiken
werden herkömmlicherweise
durch Tränken
eines Polymerschaums mit einem Schlicker gebildet, wobei der Schlicker
eine feine Aufschlämmung
keramischer Partikel in einem Fluid wie beispielsweise Wasser ist.
Beim Brennen des Aggregats wird der Schlicker an den Polymerschaum
gebunden und bildet so ein Abbild des ursprünglichen Schaums, der ausgebrannt
wird. Schaumkeramiken können
auch durch CVD-Aufdampfen auf ein Substrat aus netzförmig aufgeschäumtem Kohlenstoff
hergestellt werden.
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Die
WO 93/04013 betrifft porige
feuerfeste Artikel und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die
GB-A-2 317 887 betrifft
porige Keramikartikel, Knochenzellwachstum und Arzneimittelträger. Die
EP-A-0 851 402 betrifft
einen Schalldämpfer
aus Keramik mit geringem Gewicht zur Verwendung in den Abgasdüsen eines
Düsen-triebwerks.
Die
US-A-5 266 248 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung eines porigen Füllstoffs auf Hydroxyapatit-Basis.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
von porigen synthetischen Knochenmaterialien mit untereinander hochgradig
verbundenen Poren bereitzustellen, die zur Verwendung in medizinischen
Anwendungen geeignet sind.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
synthetischen Knochenmaterials zur Verwendung in biomedizinischen
Anwendungen bereit, wobei das synthetische Knochenmaterial aus einer
großporigen
Schaumkeramik besteht, deren offene Schaumstruktur Poren mit einem modalen
Durchmesser von dmode S 100 μm aufweist,
welches Verfahren Folgendes umfasst:
- (a) Bilden
eines keramischen Schlickers, der ein im Wesentlichen homogenes
Gemisch aus einem aus Partikeln bestehenden keramischen Stoff, einem
organischen Bindemittel in einem flüssigen Trägermaterial und wahlweise einem
oder mehreren grenzflächenaktiven
Stoffen enthält,
wobei mindestens einer der grenzflächenaktiven Stoffe vorhanden
ist, falls das organische Bindemittel nicht als grenzflächenaktiver Stoff
fungiert;
- (b) Aufschäumen
des keramischen Schlickers mit Hilfe einer Ku-gelmühle; und
- (c) Erwärmen
des aufgeschäumten
keramischen Schlickers auf eine Temperatur, die ausreicht, um das
organische Bindemittel im Wesentlichen auszubrennen.
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Der
keramische Schlicker weist vorzugsweise eine Viskosität im Bereich
von 15 bis 200 mPas auf.
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Zur
Vermeidung von Zweifeln sei darauf hingewiesen, dass der Terminus ”großporig” bei Verwendung bezüglich einer
offenen Schaumstruktur einen keramischer Schaum bezeichnet, der
Poren mit einem modalen Durchmesser von dmode S
100 μm aufweist.
Der Terminus ”kleinporig” bei Verwendung
bezüglich
der Poren innerhalb der Stege des keramischen Schaums bezeichnet
das Vorhandensein von Poren mit einem modalen Durchmesser von 0,1 µm R dmode R 50 µm.
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Schäume sind
dreidimensionale porige Feststoffe und können eingeteilt werden in offenporige
und geschlossenporige Schäume.
Die relative Dichte eines porigen Stoffs ist definiert als das Verhältnis der
Dichte des porigen Stoffs zur Dichte des Feststoffs. Im Fall von
Knochen liegt die relative Dichte im Allgemeinen im Bereich von
0,05 bis 0,7, das bedeutet einen Porenraumanteil von 30 bis 95%.
Darüber
hinaus kann die Bestimmung der relativen Dichte einer porigen Struktur
einen Hinweis auf den Verbindungsgrad zwischen den Poren in der
Struktur liefern. So wird Spongiosa (Lamellenknochen), eine Struktur
mit einer relativen Dichte von weniger als ca. 0,2 (also einem Porenraumanteil
von 80%), im Allgemeinen als offenporig klassifiziert, während eine
Struktur mit einer relativen Dichte von mehr als ca. 0,2 (also einem
Porenraumanteil von 80%) geschlossene Poren (ohne Verbindungen untereinander)
aufweist.
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Der
keramische Schlicker weist vorzugsweise eine Viskosität im Bereich
von 15 bis 200 mPas, insbesondere von 30 bis 100 mPas, auf. Es wurde
festgestellt, dass die Viskosität
des Schlickers für
die Herstellung eines stabilen Schaums vor dem Ausbrennen des Bindemittels
von großer
Bedeutung ist. Das Vorhandensein eines grenzflächenaktiven Stoffs in dem Schlicker
unterstützt
ebenfalls die Erzeugung eines stabilen Schaums. Es versteht sich,
dass, wenn das Bindemittel selbst in der Lage ist, in ausreichendem
Maße als grenzflächenaktiver
Stoff zu wirken, die Notwendigkeit der Beimengung wahlweise eines
oder mehrerer grenzflächenaktiver
Stoffe entfällt.
Beispiele für
geeignete grenzflächenaktive
Stoffe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind u. a. Saponin
und Decon 90.
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Bei
dem aus Partikeln bestehenden keramischen Stoff kann es sich um
eine biokompatible Keramik handeln, die beispielsweise einen oder
mehrere der folgenden Bestandteile aufweisen kann: Hydroxy-apatit, einen
Hydroxyapatit-Austauschstoff und/oder Aluminiumoxid oder jede beliebige
andere Keramik, die in biomedizinischen Anwendungen zum Einsatz
kommt. Der aus Partikeln bestehende ke-ramische Stoff kann auch ein
Glas oder eine Glaskeramik, wie beispielsweise eine AW-Glaskeramik,
enthalten. Der aus Partikeln bestehende keramische Stoff kann vorzugsweise
entweder ein sprühge trocknetes
und/oder kalziniertes Pulver sein, oder vorteilhafterweise kann
er direkt aus dem Filterkuchen wie er sich niederschlägt gewonnen
werden.
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Im
Allgemeinen weist der aus Partikeln bestehende keramische Stoff
eine Verteilung der Partikelgröße mit folgenden
Merkmalen auf: d10 von 0,5 bis 20 µm, vorzugsweise
von 0,5 bis 5 µm,
insbesondere von 1 bis 15 µm,
besser von 0,7 bis 2,5 µm,
noch besser von 0,9 bis 2,1 µm;
d50 von 1 bis 300 µm, vorzugsweise von 2 bis
150 µm,
insbesondere von 1 bis 15 µm,
besser von 1 bis 10 µm,
noch besser von 3 bis 8 µm;
und d90 von 5 bis 150 µm, vorzugsweise von 5 bis
50 µm,
insbesondere von 10 bis 50 µm,
besser von 10 bis 40 µm,
noch besser von 10 bis 25 µm.
Der Modus der Partikelgröße fällt typischerweise
in den Bereich von 1 bis 400 µm, vorzugsweise
von 2 bis 250 µm,
insbesondere von 1 bis 10 µm,
besser noch von 3 bis 6 µm.
Der aus Partikeln bestehende keramische Stoff weist typischerweise
eine Oberfläche
von 5 bis 200 m2g–1,
vorzugsweise von 7 bis 100 m2g–1,
insbesondere von 7 bis 20 m2g–1,
besser noch von 7 bis 14 m2g–1,
auf. Die Partikelgrößen wurden mit
Hilfe eines Malvern Mastersizers gemessen. Die Oberflächen wurden
mit Hilfe eines Micromeretics B.E.T. Surface Analyzers bestimmt.
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Das
organische Bindemittel ermöglicht
Plastizität
während
der Formung des aus Partikeln bestehenden keramischen Stoffs und
Grünfestigkeit
des geformten Erzeugnisses. In der vorliegenden Erfindung enthält das organische
Bindemittel vorzugsweise ein Bindemittel, das vorzugsweise wasserlöslich ist.
Geeignete Beispiele sind u. a. Vinylpolymere wie beispielsweise
Poly(vinyl-alkohol), Poly(vinylpyrrolidon), Poly(vinylacetat) und/oder
Poly(vinylbutyral). Andere geeignete Beispiele sind u. a. Alginat,
Poly(lacticum acidum) und Poly(ethylenglykol). Es versteht sich
jedoch, dass jede beliebige Art von Polymeren, die in der Lage sind,
einem Körper
aus keramischem Schaum vor dem Sintern mechanische Festigkeit zu
verleihen, verwendet werden kann. Es versteht sich auch, dass die
organischen Bindemittel einzeln oder in einer Kombination aus zwei
oder mehreren Bindemitteln verwendet werden können.
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Das
flüssige
Trägermaterial
sollte ein Stoff sein, der das organische Bindemittel im Wesentlichen
lösen kann,
und der auch mit dem Keramikpulver vermischt werden kann, ohne dass
dieses da-durch an Qualität verliert.
Geeignete Beispiele sind u. a. Wasser, vorzugsweise zweifach destilliertes
Wasser, Alkohole, wie beispielsweise Propan-2-ol, und Kohlenwasserstoffe,
wie beispielsweise Trichlorethan. Das organische Bindemittel ist
in dem flüssigen
Trägermaterial
im Allgemeinen in einer Menge von 0,2 bis 10 Vol-% (w/v), vorzugsweise von
0,2 bis 8 Vol-% (w/v), insbesondere von 0,5 bis 6 Vol-% (w/v), besser
von 0,5 bis 4 Vol-% (w/v), noch besser von 1,5 bis 3 Vol-% (w/v),
vorhanden.
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Der
keramische Schlicker enthält
vorzugsweise 10 bis 95 Vol-% (w/v) an aus Partikeln bestehendem keramischem
Stoff in Bindemittel und flüssigem
Trägermaterial,
insbesondere 20 bis 90 Vol-% (w/v) an aus Partikeln bestehendem
keramischem Stoff in Bindemittel und flüssigem Trägermaterial, besser 40 bis
80 Vol-% (w/v) an aus Partikeln bestehendem keramischem Stoff in
Bindemittel und flüssigem
Trägermaterial.
Der Schlicker kann geeigneterweise durch Vermischen der Bestandteile
zu einem homogenen Gemisch vorbereitet werden. Die Konzentration
der zugegebenen Bindemittellösung
sollte vorzugsweise so gewählt
sein, dass sichergestellt ist, dass der prozentuale Anteil an Bindemittel,
der in einem trockenen Gussstück
noch vorhanden ist, im Bereich von 0,5 bis 10 Gew-% (w/w), vorzugsweise
von 1 bis 6 Gew-% (w/w), insbesondere von 1 bis 4 Gew-% (w/w), liegt.
Der fertige Schlicker sollte vorzugsweise eine Viskosität im Bereich
von 15 bis 200 mPas, insbesondere von 30 bis 100 mPas, aufweisen,
und dies kann durch Anpassung der Viskosität des Schlickers durch Zugabe
von mehr Bindemittel, je nach Erfordernis, erreicht werden.
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Der
keramische Schlicker kann weiterhin ein Dispergiermittel und/oder
ein Entflockungsmittel enthalten. Geeignete Beispiele sind u. a.
Natriumpolyacrylat und/oder Natriumhexametaphosphat.
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Das
Aufschäumen
des keramischen Schlickers geschieht mit Hilfe einer Kugelmühle (”Rühraufschäumen”). Geeignete
Rührmittel
sind u. a. Kugeln aus Aluminiumoxid (Al2O3), Enstatit (MgSiO3)
oder Zirkondioxid (ZrO2), vorzugsweise mit
einem Durchmesser im Be-reich von 10 bis 30 mm, insbesondere von
15 bis 25 mm. Für
biomedizinische Anwendungen sollten die Rührmittel sorgfältig ausgewählt werden,
um eine Verunreinigung des Schlickers zu vermeiden. Die Kugelmühle kann
in Verbindung mit einem Gasungs- und/oder Treibmittel verwendet
werden. Die beim Rühraufschäumen eines
keramischen Schlickers zu verwendende Menge an Rührmitteln bewegt sich vorzugsweise
im Bereich von 3 bis 20 Gew-% (w/w) aus Partikeln bestehendem keramischem
Stoff im Verhältnis
zu Rührmitteln,
insbesondere von 5 bis 15 Gew-% (w/w).
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In
Kugelmühlen
schaumstabilisierte Schlicker bieten eine Reihe von Vorteilen, u.
a. Folgende:
- (i) Kein organisches Schaumstoff-/Schaummuster
oder fester Porenbilder auszubrennen; porige Keramiken, die mit
Hilfe von Ausbrennverfahren hergestellt werden, weisen durch Defekte
in der Struktur aufgrund von unvollständigem/ungleichmäßigem Ausbrennen
des Originalmusters oft relativ schlechte mechanische Eigenschaften
auf.
- (ii) Eine homogene oder zweckmäßig abgestufte Porenverteilung
kann durch Änderung
der Viskosität
des Schlickers erzielt werden.
- (iii) Die Größe der Makroporen
kann durch Änderung
der Partikelgröße im Ausgangspulver
variiert werden.
- (iv) Ein hoher Grad an Verbindung zwischen den Makroporen.
- (v) Das Feingefüge
weist ein Netz von miteinander verbundenen Mikroporen auf, wobei
der Verbindungsgrad während
des Sinterns gesteuert werden kann. Dies ist von Bedeutung für die wunschgemäße Einstellung
der Arzneimittel-Leitmerkmale
der porigen Struktur.
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Vor
dem Ausbrennen des organischen Bindemittels wird vorzugsweise ein
Verdunsten des flüssigen Trägermaterials
aus dem aufgeschäumten
keramischen Schlicker ermöglicht.
Dies bringt Vorteile mit sich, da zu große Mengen an flüssigem Trägermaterial
zu Rissbildung während
der anschließenden
Wärmebehandlungsschritte
führen
können.
Das Verdunsten kann durch Erwärmen
des aufgeschäumten
keramischen Schlickers auf eine Temperatur im Bereich von 20 bis
100°C, vorzugsweise
von 30 bis 50°C,
wobei vorzugsweise Luft darüber
strömt,
erleichtert werden. Wie be-reits erwähnt, wird die Konzentration
an organischem Bindemittel in dem flüssigen Trägermaterial vorzugsweise so
gewählt,
dass der nach dem Verdunsten im Wesentlichen des gesamten flüssigen Trägermaterials
verbleibende prozentuale Anteil von Bindemittel im Bereich von 0,5
bis 10 Gew-% (w/w), vorzugsweise von 1 bis 6 Gew-% (w/w), insbesondere
von 1 bis 4 Gew-% (w/w), liegt, da festgestellt wurde, dass dadurch
das Auftreten von Rissbildung während
der anschließenden
Wärmebehandlungsschritte
verringert wird. Die Viskosität
des Schlickers und das Vorhandensein eines grenzflächenaktiven
Stoffs/Stabilisators unterstützen
die Beibehaltung der Schaumstruktur des keramischen Schlickers während der
Verdunstung des flüssigen
Trägermaterials.
Anders gesagt wird ein Zusammenbruch der Schaumstruktur verzögert.
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Der
aufgeschäumte
keramische Schlicker wird vor dem Ausbrennen des organischen Bindemittels
im Allgemeinen in eine Form vergossen. Die Form weist vorzugsweise
eine Oberfläche
auf, die mit einem Trennmittel beschichtet ist, um ein Entformen
des Gussstücks/der
Gussstücke
nach dem Entfernen des flüssigen Bindemittels
sicher zu ermöglichen.
Der aufgeschäumte
keramische Schlic-ker kann auch (frei) auf eine ebene Fläche vergossen
werden, die vorzugsweise mit einem feinen keramischen Pulver bestreut
wurde. Auch ein Einspritzen des aufgeschäumten keramischen Schlickers
in eine porige Gussform ist möglich.
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Es
versteht sich, dass die Ausbrenntemperatur von der Art des organischen
Bindemittels abhängt.
Im Allgemeinen liegt die Ausbrenntemperatur im Bereich von 423,15
bis 973,15 K (150 bis 700°C),
vorzugsweise von 573,15 bis 973,15 K (300 bis 700°C), insbesondere
von 573,15 bis 873,15 K (300 bis 600°C). Das Ausbrennen sollte vorzugsweise
langsam erfolgen, um die Entstehung von Drücken aufgrund der Zersetzung
des organischen Bindemittels und Verdunstung verbleibender Feuchtigkeit
zu vermeiden. Ausreichende Mengen von Sauerstoff oder Luft sollten
vorzugsweise zu-geführt
werden, um ein im Wesentlichen vollständiges Ausbrennen des Bindemittels
zu ermöglichen,
und so erfolgt das Ausbrennen des Bindemittels vorzugsweise in einem
belüfteten
Ofen. Das Er-wärmen
des aufgeschäumten
keramischen Schlickers erfolgt mit einer Geschwindigkeit und Temperatur,
die ausreichen, um das or-ganische Bindemittel im Wesentlichen auszubrennen.
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Nach
dem Ausbrennen des organischen Bindemittels kann ein Sintern der
Schaumkeramik erfolgen, wiederum vorzugsweise in einem belüfteten Ofen.
Die Sintertemperatur hängt
von der Art des aus Partikeln bestehenden keramischen Stoffs ab
und liegt typischerweise im Bereich von 773,15 bis 1873,15 K (500
bis 1600°C).
Es versteht sich, dass die Sintertemperatur und -atmosphäre sorgfältig gewählt werden
müssen,
um eine Zersetzung des Keramikmaterials zu vermeiden. Nach dem Ausbrennen
können
einige Keramiken, wie beispielsweise mit Kohlenstoff versetzte Apatite,
feuchte, CO2-reiche Atmosphären erfordern.
Insbesondere im Fall von mit Kohlenstoff versetzten Apatitschäumen erfolgt
das Sintern von Probestücken
vorzugsweise bei einer Temperatur im Be-reich von 873,15 bis 1273,15
K (600 bis 1000°C)
unter einer Kohlendioxid-Atmosphäre, vorzugsweise
in einem Röhrenofen
oder Ähnlichem,
der konstant mit CO2-Gas mit einer Strömungsrate
von typischerweise bis zu 4 lmin–1,
vorzugsweise von 1 bis 3 lmin–1, insbesondere von
ca. 2,0 lmin–1,
durchspült wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die im Wesentlichen trockenen Grünlinge
nach dem Verdunsten des flüssigen
Trägermaterials
einer abgestuften Wärmebehandlung zum
Ausbrennen des Bindemittels sowie einer Verdichtung durch Sintern
unterzogen werden. Die optimalen Parameter für den Ausbrennschritt hängen von
dem verwendeten Bindemittel ab. Je-doch werden die Gussstücke typischerweise
mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 10 Kmin–1 (0,5
bis 10°Cmin–1),
vorzugsweise von 1 bis 5 Kmin–1 (1 bis 5°Cmin–1),
erwärmt
und für
2 bis 8 Stunden auf einer Ausbrenntemperatur von 423,15 bis 973,15
K (150 bis 700°C),
vorzugsweise von 573,15 bis 973,15 K (300 bis 700°C), gehalten.
Während
der Ausbrennstufe ist es empfehlenswert, Luft mit einer Strömungsrate
vorzugsweise von 0,5 bis 2 lmin–1,
insbesondere von 1 bis 2 lmin–1, durch den Ofen zu
leiten, um si-cherzustellen, dass das Bindemittel im Wesentlichen entfernt
wird. Nach Abschluss des Ausbrennens des Bindemittels können die
Gussstücke
direkt von der Ausbrenntemperatur mit einer Geschwindigkeit von
typischerweise 1 bis 20 Kmin–1 (1 bis 20°Cmin–1)
auf eine für das
Keramikpulver geeignete Sintertemperatur, typischerweise von 773,15
bis 1873,15 K (500 bis 1600°C), erwärmt werden.
Alternativ können
Gussstücke,
die bereits ausgebrannt wurden, auf Raumtemperatur abgekühlt und
dann gesintert werden. Es wurde festgestellt, dass sich beim Sintern
die Stege des Materials typischerweise auf 60 bis S 95% (insbesondere
von 70 auf S 90%) der theoretischen Dichte verdichten können. Nach
dem Abkühlen
werden die gesinterten Körper
aus dem Ofen entnommen und können
mit Hilfe eines Schneidegeräts
mit Diamantschneide in die gewünschte
Form zerteilt werden. Das so entstandene feste Schaumkeramikmaterial
kann beispielsweise in Form von Blöcken, Zylindern oder Granulat
geliefert werden.
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Das
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellte Schaumkeramikmaterial wird als synthetisches Knochenmaterial,
einschließlich
Dentalmaterialien, beispielsweise zur Verwendung für die Knochenrekonstruktion
und -ausbesserung, als Implantate und pfropfartige Verdichtungsfüllstoffe,
sowie zur Herstellung von Hydroxyapatitpolymer-Verbundwerkstoffen
verwendet.
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Die
endgültige
Makrostruktur der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hertstellten
gesinterten Schaumkeramiken kann durch Variation – innerhalb
der angegebenen Grenzen – der
relativen Anteile der Bestandteile in dem keramischen Schlicker,
die physikalischen Merkmale des aus Partikeln bestehenden keramischen
Stoffs sowie die Menge an Rührmitteln
gesteuert werden, die während
des Rühraufschäumens zugegeben
werden. Daher bewegt sich der Gesamtporenraumanteil der nach diesem
Verfahren hergestellten Schaumkeramiken typischerweise zwischen
40 und 95% (ins besondere zwischen 60 und 90%, noch eher zwischen
60 und 80%, noch eher zwischen 70 und 80%). Die Makroporen der nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten gesinterten Schaumkeramiken weisen einen hohen Grad
an Verbindung untereinander auf (wie aus den 1 bis 3 ersichtlich
ist). Darüber
hinaus variiert die Größe der Makroporen
je nach Gesamtporenraumanteil und reicht von 100 bis 2000 µm, typischerweise
von 100 bis 1000 µm
(wie aus den 7 und 8 ersichtlich
ist).
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Die
endgültige
Mikrostruktur der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
gesinterten Schaumkeramiken kann durch Variieren – innerhalb
der angegebenen Grenzen – der
relativen Anteile der Bestandteile in dem keramischen Schlicker,
die physikalischen Merkmale des aus Partikeln bestehenden keramischen
Stoffs, die Menge an Rührmitteln,
die während
des Rühraufschäumens zugegeben
werden, und zusätzlich
durch den Sintervorgang gesteuert werden. Die Stegdichte (oder reale
Dichte) liegt typischerweise zwischen 60 und 95% (insbesondere zwischen
70 und 95%, noch eher zwischen 85 und 92%) der theoretischen Dichte
der Keramik (die theoretische Dichte von Hydroxyapatit beträgt 3,156
gcm–3).
Jedoch weisen die Mikroporen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten gesinterten Schaumkeramiken einen hohen Grad an Verbindung
untereinander auf (wie aus den 4 bis 6 sowie 9 und 10 ersichtlich
ist) – ein
Merkmal, das für
die biomedizinische Anwendung von besonderer Bedeutung ist. Da-rüber hinaus
kann der Verbindungsgrad innerhalb der Mikrostruktur der nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten gesinterten Schaumkeramiken durch Variation der relativen
Anteile der Bestandteile in dem keramischen Schlicker, der physikalischen
Merkmale des aus Partikeln bestehenden keramischen Stoffs, der Menge
an Rührmitteln,
die während
des Rühraufschäumens zugegeben
werden, und zusätzlich
durch den Sintervorgang gesteuert werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden Beispiele
und beispielhaften Zeichnungen weiter beschrieben, die Folgendes
zeigen:
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1 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (Sintertemperatur
1200°C;
50-fache Vergrößerung);
-
2 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (Sintertemperatur
1300°C;
50-fache Vergrößerung);
-
3 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (Sintertemperatur
1400°C;
1000-fache Vergrößerung);
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4 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (Sintertemperatur
1200°C;
1000-fache Vergrößerung);
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5 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (Sintertemperatur
1300°C;
1000-fache Vergrößerung);
-
6 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (Sintertemperatur
1400°C;
50-fache Vergrößerung);
-
7 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
4 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (55
Vol-% (w/v) Partikel im Trägermaterial;
50-fache Vergrößerung;
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8 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
4 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (50
Vol-% (w/v) Partikel im Trägermaterial;
50-fache Vergrößerung);
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9 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
4 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (55
Vol-% (w/v) Partikel im Trägermaterial;
1000-fache Vergrößerung);
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10 ein
Gefügebild
einer gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramik gemäß Beispiel
4 der vorliegenden Erfindung, aufgenommen durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen (50
Vol-% (w/v) Partikel im Trägermaterial;
1000-fache Vergrößerung);
und
-
11 ein
Diagramm der Gesamt- und Stegdichte von gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramiken, die gemäß Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
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Beispiel 1
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3,0
g Polyvinylalkohol (Molekulargewicht 115000) wurden in 170 ml zweifach
destillierten Wassers bei 313,15 K (40°C) unter ständigem Rühren gelöst. Diese Bindemittellösung wurde
dann mit 100 g Hydroxyapatitpulver mit einem Partikel-d50 von
3,3 µm
und einer Oberfläche
von 13,4 m2g–1 vermischt.
Der entstandene Schlicker wurde dann zusammen mit 945 g Rührmitteln
(Aluminiumoxidkugeln mit einem Durchmesser von 18 mm) in ein 1 Liter
fassendes Rührgefäß gegeben
und bei einer Drehzahl von 120 Umdrehungen pro Minute 2 Stunden
lang gerührt.
Der so aufgeschäumte
Schlicker wurde dann auf eine ebene Fläche vergossen, die mit 0,1
g pro cm2 Formfläche feinen Hydroxyapatitpulvers
bestreut worden war, um ein Entfernen des getrockneten Gussstücks sicherzustellen.
Die Gussstücke
wurden bei einer Temperatur von 313,15 K (40°C) für 12 bis 24 Stunden luftgetrocknet.
Die getrockneten Grünlinge
wurden einer abgestuften Wärmebehandlung
in einem be-lüfteten
Ofen zum Ausbrennen des Bindemittels sowie einer Verdichtung durch
Sintern unterzogen. Die Gussstücke
wurden mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Kmin–1 (2,5°Cmin–1)
auf 773,15 K (500°C)
erwärmt
und für
4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach dem Ausbrennen wurden
die Gussstücke
dann um 2,5 Kmin–1 (2,5°Cmin–1)
auf Temperaturen von 1473,15, 1573,15 bzw. 1673,15 K (1200, 1300
bzw. 1400°C)
ohne Luftströmung
erwärmt
und für
2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die 1 bis 6 sind
Gefügebilder
der so gebildeten Materialien, aufgenommen jeweils durch ein Rasterelektronenmikroskop
für Oberflächen: 1 (Sintertemperatur
1473,15 K (1200°C),
50-fache Vergrößerung); 2 (Sintertemperatur
1573,15 K (1300°C),
50-fache Vergrößerung); 3 (Sintertemperatur
1673,15 K (1400°C),
1000-fache Vergrößerung); 4 (Sintertemperatur
1473,15 K (1200°C),
1000-fache Vergrößerung); 5 (Sintertemperatur 1573,15
K (1300°C),
1000-fache Vergrößerung); 6 (Sintertemperatur
1673,15 K (1400°C),
50-fache Vergrößerung).
Die physikalischen Merkmale der Sintermuster sind in 11 detailliert
dargestellt. Die theoretische Dichte von Hydroxyapatit beträgt 3,156
gcm–3.
-
Die
Ergebnisse zeigen, wie eine Veränderung
der Sintertemperatur die Steuerung sowohl der Gesamt- als auch der
Stegdichte zur Folge hat. Die Gesamtdichte wird bei einem Anstieg
der Sintertemperatur von 1473,15 auf 1673,15 K (von 1200 auf 1400°C) stetig
erhöht,
was auf eine Schrumpfung der Makroporen bei gleichzeitiger Verringerung
des Grades an Verbindung zwischen ihnen hindeutet. Die Stegdichte
verringert sich jedoch mit einem An-stieg der Temperatur von 1473,15
auf 1673,15 K (von 1200 auf 1400°C)
aufgrund einer Verringerung des Grades an Verbindung zwischen den
Mikroporen, die zu einer Zunahme der geschlossenen Mikroporen führt.
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Beispiel 2
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Zwei
Schlicker wurden wie in Beispiel 1 vorbereitet. Die Schlic-ker wurden
dann zusammen mit 630 bzw. 945 g Rührmitteln (Aluminiumoxidkugeln
mit einem Durchmesser von 18 mm) jeweils in ein separates, 1 Liter
fassendes Rührgefäß gegeben und
bei einer Drehzahl von 120 Umdrehungen pro Minute 5 Stunden lang gerührt. Die
aufgeschäumten
Schlicker wurden dann auf eine ebene Fläche vergossen, die mit 0,1
g pro cm
2 Formfläche feinen Hydroxyapatitpulvers
besteut worden war, um ein Entfernen der getrockneten Gussstücke sicherzustellen.
Die Gussstücke
wurden bei einer Temperatur von 313,15 K (40°C) getrocknet. Die getrockneten
Grünlinge
wurden einer abgestuften Wärmebehandlung
zum Ausbrennen des Binders sowie einer Verdichtung durch Sintern
unterzogen. Die Gussstücke
wurden mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Kmin
–1 (2,5°Cmin
–1) auf
773,15 K (500°C)
erwärmt
und für
4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach dem Ausbrennen wurden
die Guss-stücke
dann um 2,5 Kmin
–1 (2,5°Cmin
–1)
auf eine Temperatur von 1573,15 K (1300°C) erwärmt und für 2 Stunden auf dieser Temperatur
gehalten. Die physikalischen Merkmale der Sintermuster sind in Tabelle
1 aufgeführt. Tabelle 1
Gewicht
der Rührmittel
(g) | Gesamtdichte
(gcm–3) | Stegdichte
(gcm–3) |
630 | 0,65 | 2,75 |
945 | 0,54 | 2,74 |
-
Die
Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, wie eine Änderung des Ge-wichts der Rührmittel
genutzt werden kann, um die Gesamtdichte (Makroporenraumanteil)
unabhängig
von der Stegdichte zu steuern. Gesinterte, rühraufgeschäumte porige Keramiken, die
mit einer größeren Menge
an Rührmitteln
hergestellt werden, weisen eine offenere Makroporenstruktur auf.
-
Beispiel 3
-
3,0
g Polyvinylalkohol (Molekulargewicht 115000) wurden in 130 ml zweifach
destillierten Wassers bei 313,15 K (40°C) unter ständigem Rühren gelöst. Diese Bindemittellösung wurde
dann mit 100 g Hydroxyapatitpulver mit einem Partikel-d
50 von
7,5 µm
und einer Oberfläche
von 7,61 m
2g
–1 vermischt.
Der entstandene Schlicker wurde dann zusammen mit 945 g Rührmitteln
(Aluminiumoxidkugeln mit einem Durchmesser von 18 mm) in ein 1 Liter
fassendes Rührgefäß gegeben
und bei einer Drehzahl von 120 Umdrehungen pro Minute 5 Stunden
lang gerührt.
Der aufgeschäumte
Schlicker wurde dann auf eine ebene Fläche vergossen, die mit 0,1 g
pro cm
2 Formfläche feinen Hydroxyapatitpulvers
bestreut worden war, um ein Entfernen des trockenen Gussstücks sicherzu-stellen.
Die Gussstücke
wurden bei einer Temperatur von 313,15 K (40°C) getrocknet. Die getrockneten
Grünlinge
wurden einer abgestuften Wärmebehandlung
zum Ausbrennen des Binders sowie einer Verdichtung durch Sintern
unterzogen. Die Gussstücke
wurden mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Kmin
–1 (2,5°Cmin
–1)
auf 773,15 K (500°C)
erwärmt
und für
4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach dem Ausbrennen wurden
die Gussstücke
dann um 2,5 Kmin
–1 (2,5°Cmin
–1)
auf eine Temperatur von 1573,15 K (1300°C) erwärmt und für 2 Stunden auf dieser Temperatur
gehalten. Die physikalischen Merkmale der Sintermuster sind in Tabelle
2 aufgeführt. Tabelle 2
Gesamtdichte
(gcm–3) | Stegdichte
(gcm–3) |
0,35 | 2,42 |
-
Die
Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, verglichen mit den Ergebnissen der
mit 945 g Rührmitteln
hergestellten gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramiken in Tabelle 2, wie eine Änderung der Partikelgröße des keramischen
Stoffs genutzt werden kann, um die Gesamtdichte (Makroporenraumanteil)
und die Stegdichte (Mikroporenraumanteil) zu steuern. Die mit dem
aus größeren Partikeln
bestehenden keramischen Stoff hergestellte ge-sinterte, rühraufgeschäumte porige
Keramik weist, im Vergleich zu den 300 µm, eine größere modale Porengröße von 800 µm auf.
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Beispiel 4
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2,0
g Polyvinylalkohol (Molekulargewicht 115000) wurden in 90 ml zweifach
destillierten Wassers bei 313,15 K (40°C) unter ständigem Rühren gelöst. 2,0 g Polyvinylalkohol
(Molekulargewicht 115000) wurden in 100 ml zweifach destillierten
Wassers bei 313,15 K (40°C)
unter ständigem
Rühren
gelöst.
Diese Bindemittellösungen
wurden dann jeweils mit 50 g pulverförmigen Hydroxy-apatit-Filterkuchens
mit einem Partikel-d
50 von 40 µm und einer
Oberfläche
von 78 m
2g
–1 vermischt.
Die entstandenen Schlicker wurden dann jeweils zusammen mit 450
g Rührmitteln
in ein einen Liter fassendes Rührgefäß gegeben
und bei einer Drehzahl von 120 Umdrehungen pro Minute 2 Stunden
lang gerührt.
Die aufgeschäumten
Schlicker wurden dann auf eine ebene Fläche vergossen, die mit 0,1
g pro cm
2 Formfläche entsprechend feinen Hydroxyapatitpulvers besteut
worden war, um ein Entfernen des getrockneten Gussstücks sicherzustellen.
Die Gussstücke
wurden bei einer Temperatur von 313,15 K (40°C) getrocknet. Die getrockneten
Grünlinge
wurden einer abgestuften Wärmebehandlung
zum Ausbrennen des Binders sowie einer Verdichtung durch Sintern
unterzogen. Die Gussstücke
wurden mit einer Geschwindigkeit von 1,0 Kmin
–1 (1,0°Cmin
–1)
auf 773,15 K (500°C)
erwärmt
und für
4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach dem Ausbrennen wurden
die Guss-stücke
dann auf eine Temperatur von 1523,15 K (1250°C) erwärmt und für 2 Stunden auf dieser Temperatur
gehalten. Die physikalischen Merkmale der Sintermuster sind in den
7 bis
10 dargestellt
und in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3
Flüssiges Trägermaterial
(ml) | Gesamtdichte
(gcm–3) | Stegdichte
(gcm–3) |
90 | 0,84 | 2,77 |
100 | 0,41 | 2,39 |
-
Die
Ergebnisse in Tabelle 3 sowie 7 bis 10 zeigen,
wie eine Änderung
des Verhältnisses
von aus Partikeln bestehendem keramischem Stoff zu Bindemittellösung zu
einer Änderung
sowohl der Gesamtdichte (Makroporenraumanteil) als auch der Stegdichte
(Mikroporenraumanteil) führt.
Die mit der größeren Menge
an flüssigem
Trägermaterial
hergestellten gesinterten, rühraufgeschäumten porigen
Keramiken weisen eine geringere Gesamt- und Stegdiche auf, was auf
eine offenere Porenstruktur mit einem höheren Grad an Verbindung zwischen
den Poren, größeren Makroporen
und einem größeren Anteil
an Mikroporen hindeutet. Darüber
hinaus hat sich durch die Verwendung von pulverförmigem Filterkuchen ein organisierteres
Netz von untereinander verbundenen Mikroporen gebildet.
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Die
erfindungsgemäßen großporigen
Schaumkeramiken weisen gegenüber
nach dem Stand der Technik aus Spongiosa bzw. Korallen ge-wonnenen
Materialien die folgenden Vorteile auf: Zum Ersten be-deutet die
synthetische Herkunft, dass eine vollständige Steuerung der Phasenzusammensetzung
sowie des Grades an chemischer Reinheit möglich ist. Zum Zweiten ermöglicht das
Herstellungsverfahren im Wesentlichen eine vollständige Steuerung
der Porenstruktur, so dass eine Losabweichung minimiert wird. Zum
Dritten können
im Wesentlichen isotrope Strukturen hergestellt werden. Zum Vierten
erlaubt das Herstellungsverfahren eine wunschgemäße Einstellung der Strukturmerkmale
(wie beispielsweise Porengröße und Grad
an Verbindung zwischen den Poren) sowohl der Makroporen als auch
der Mikroporen entsprechend der jeweiligen Verwendung, so dass strukturelle
und mechanische Eigenschaften an die speziellen Bedürfnisse
angepasst werden können.