EP1301220A1 - Elektrochemisch abgeschiedene, bioaktive calciumphosphat-kompositschichten auf implantaten - Google Patents

Elektrochemisch abgeschiedene, bioaktive calciumphosphat-kompositschichten auf implantaten

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EP1301220A1
EP1301220A1 EP00945927A EP00945927A EP1301220A1 EP 1301220 A1 EP1301220 A1 EP 1301220A1 EP 00945927 A EP00945927 A EP 00945927A EP 00945927 A EP00945927 A EP 00945927A EP 1301220 A1 EP1301220 A1 EP 1301220A1
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calcium phosphate
implants
composite
composite layers
electrochemically deposited
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EP00945927A
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Peter Zeggel
Petra Becker
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    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Definitions

  • Calcium phosphate layers deposited on implants from electrolytic baths are genetically very similar to the processes involved in bone growth. Their microporous structure favors the immobilization of cells from which new bone tissue forms and, like normal wound healing, can grow together with the bone tissue surrounding the implant.
  • Another method for producing adherent hydroxylapatite / cobalt composites is based on electrochemically deposited porhite layers which are chemically converted into hydroxylapatite and subsequently coated with cobalt in another bath (Zhang, JM et al .: J. Mat. Sei. Lett. 17 (1998) 1077-9).
  • the aim is to achieve the greatest possible similarity to the structural structure of the natural mature bone and thus to promote the healing of the implant in the bone.
  • the invention is therefore based on the object of depositing a layer on the bone implant which optimally supports the healing of the implant in the bone, is thereby completely absorbed and thus enables the direct and complete non-positive contact of the bone with the implant.
  • the composite layer according to the invention contains above all the more easily soluble phases of the young bone tissue.
  • the easily soluble phases can actively support the body's own osteogenesis through locally increased calcium and phosphate concentrations, since under these conditions the increase and maturation of the osteoblasts necessary for osteogenesis is accelerated.
  • the more difficultly soluble phases ensure a slightly increased calcium and phosphate ion concentration in the implant's healing zone and thus promote the expansion and stabilization of the new bone tissue.
  • the composite layer cannot and should not serve as a barrier between the implant and the bone, but should serve as a harmonizing factor or host in the body's own structuring of the interface between the implant and the bone.
  • the high bioactivity of this sponge-like composite manifests itself in the excellent wetting by the im Wound bed of the body fluid and the associated adhesion of the factors contained in this fluid that stimulate osteogenesis.
  • the structure, composition and thickness of the composite layers can be adapted to the respective implant and the bone surrounding the implant.
  • this composite can proceed in such a way that the individual phases are deposited simultaneously or also one after the other or portions of one, for example the more soluble, calcium phosphate phase are converted into a less soluble phase by a chemical reaction. It is not primarily intended to create a vertical solubility gradient in the composite. Rather, the different phases should develop laterally next to each other and dissolve after implantation. The porosity of the composite will initially increase due to the decrease in the more soluble phases and space will be created for new bone tissue until the entire composite is converted into bone tissue even after the less soluble calcium phosphate phases have dissolved.
  • the progressive dissolution of the individual phases should develop a positive connection between the bone and the implant from the beginning.
  • the time course of the dissolution of the composite layer can be characterized in a simplified manner by three sections.
  • section I the greatest local increase in the calcium and phosphate ion concentration present in the interface between the implant and bone is essentially determined by the more easily soluble phases. In this section it must be ensured that no fibrous encapsulation of the implant occurs and that its immediate osteointegration is made possible.
  • the less soluble composite component will determine the local ion balance and in particular support the mineralization of the new bone tissue.
  • the entire composite is dissolved and replaced with new bone. The implant is non-positively healed in the bone.
  • osteoinductive additives and / or antimicrobial agents are also released from the composite.

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Abstract

Die Erfindung betrifft elektrochemisch abgeschiedene Calciumphosphat-Kompositschichten auf Knochenimplantaten. Derart beschichtete Implantate werden zementfrei implantiert und zeichnen sich durch ein verbessertes Einwachsverhalten aus. Die zur Erfinding angemeldeten hochporösen Kompositschichten auf Implantaten bestehen aus zwei oder mehreren Calciumphosphat-Phasen unterschiedlicher Löslichkeit. Die hochporöse Struktur dieser Schichten erleichtert die Immobilisierung von Zellen, von denen ausgehend sich neues Knochengewebe bilden kann. Die unterschiedliche Löslichkeit der einzelnen Schichtkomponenten gewährleistet die den Einheilungsprozess beschleunigende und im zeitlichen Verlauf an diesen Prozess angepasste lokale Konzentration an Calcium- und Phosphationen.

Description

Elektrochemisch abgeschiedene, bioaktive Calciumphosphat-Kompositschichten auf
Implantaten
Seit etwa 10 Jahren werden Untersuchungen zu elektrochemisch abgeschiedenen Calciump- hosphat-Schichten auf Knochenimplantaten mit der Zielstellung durchgeführt, den Verbund zwischen Knochengewebe und Implantat zu verbessern (Redepenning, J. et al.: Chem. Mater. 2(1990)625-7; Redepenning, J.G.: US 5310464, US 5413693; Teller, J. et al.: DE 4431862 , EP 774982 , US 5759376; Kumar, M. et al.: J. Biomed. Mat. Res. 45(1999)302-10). Calci- umphosphate haben als mineralische Bestandteile des Knochengewebes bioaktive Eigenschaften, d.h. sie unterstützen die Knochenbildung. Aus elektrolytischen Bädern auf Implantaten abgeschiedene Calciumphosphat-Schichten sind in ihrer Genese den beim Knochenwachstum ablaufenden Prozessen sehr ähnlich. Ihre mikroporöse Struktur begünstigt die Immobilisierung von Zellen, von denen ausgehend sich neues Knochengewebe bilden und wie bei der normalen Wundheilung mit dem das Implantat umgebenden Knochengewebe zusammenwachsen kann.
Neben der Herstellung von phasenreinen Calciumphosphaten wird in der Literatur auch über elektrochemisch auf Implantaten abgeschiedene Kompositschichten berichtet. Die US 5205921 (Shirkhanzadeh, M.) und die DE 4431862 (Teller, J. et al.) beschreiben die elektrochemische Abscheidung von Calciumphosphat-Kompositschichten aus Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit, also aus zwei schwerer löslichen Calciumphosphat-Phasen. Die DE 19504386 (Schamweber, D. et al.) behandelt ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung einer gradierten, haftfesten Beschichtung aus Calciumphosphat- und Metalloxidphasen auf Titanimplantaten durch wechselseitige katodische und anodische Polarisation. Ein anderes Verfahren zur Herstellung haftfester Hydroxylapatit/Kobalt-Komposite geht von elektrochemisch abgeschiedenen Bruschitschichten aus, die chemisch in Hydroxylapatit umgewandelt und nachfolgend in einem anderen Bad mit Kobalt beschichtet werden (Zhang, J.M. et al.: J. Mat. Sei. Lett. 17 (1998)1077-9). Mit den bei der Herstellung dieser Kompositschichten angestrebten schwer löslichen Calciumphosphat-Phasen - insbesondere Hydroxylapatit - soll eine möglichst große Ähnlichkeit zum strukturellen Aufbau des natürlichen reifen Knochens erreicht und damit die Einheilung des Implantats in den Knochen begünstigt werden. Es wird dabei immer davon ausgegangen, dass das Hydroxylapatit auf Grund seiner geringen Löslichkeit auf dem Implantat verbleibt und dadurch eine dauerhafte Verbesserung der Wechselwirkung zwischen Implantatoberfläche und biologischem System erreicht wird. Auch alle anderen Versuche, auf Implantaten elektrochemisch abgeschiedene Bruschit-Schichten vollständig in Hydroxylapatit umzuwandeln, gehen von der Zielstellung aus, auf dem Implantat künstlich auf Dauer knochenähnliche Verhältnisse zu schaffen. Obwohl damit dem Körper eine ihm bekannte Oberfläche geboten wird, haben solche Schichten den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer sehr geringen Löslichkeit den Knochen nur in Maßen zur körpereigenen Osteosynthese anregen.
Aus der Literatur ist seit einigen Jahren bekannt, dass der Grad der Bioaktivität einer Schicht mit ihrer Instabilität in physiologischer Umgebung wächst. Durch die lokale Erhöhung an Calcium- und Phosphationen-Konzentration in der Einheilzone des Implantats werden gute Bedingungen für die Vermehrung und Differenzierung der für die Knochenbildung verantwortlichen Osteoblasten geschaffen (Ducheyne, P. et al.: Biomaterials 11(1990) 531-40). Cal- ciumphosphate mit einer im Vergleich zum Hydroxylapatit sehr viel höheren Löslichkeit wie Bruschit und Monetit haben somit speziell für die Einheilungsphase des Implantats in den Knochen eine besondere Bedeutung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schicht auf dem Knochenimplantat abzuscheiden, die die Einheilung des Implantats in den Knochen optimal unterstützt, dabei völlig resorbiert wird und damit den direkten und vollständigen kraftschlüssigen Kontakt des Knochens mit dem Implantat ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Kompositschicht enthält neben den schwerer löslichen Calciumphosphat-Phasen des reiferen Knochens vor allem die leichter löslichen Phasen des jungen Knochengewebes. Insbesondere die leicht löslichen Phasen Bruschit und Monetit können die körpereigene Osteogenese durch lokal erhöhte Calcium- und Phosphatkonzentrationen aktiv unterstützen, da unter diesen Bedingungen die für die Osteogenese notwendige Vermehrung und Reifung der Osteoblasten beschleunigt wird. Nach erfolgter Auflösung der leichter löslichen Phasen gewährleisten die schwerer löslichen Phasen über einen längeren Zeitraum in der Jiin- heilzone des Implantats eine leicht erhöhte Calcium- und Phosphationen-Konzentration und begünstigen damit die Ausweitung und Stabilisierung des neuen Knochengewebes. Auf Grund der durch die Parameter der elektrochemischen Abscheidung einstellbaren hochporösen Struktur kann und soll die Kompositschicht nicht als Barriere zwischen Implantat und Knochen, sondern soll als harmonisierender Faktor oder Wirt bei der körpereigenen Strukturierung der Grenzschicht zwischen Implantat und Knochen dienen. Die hohe Bioaktivität dieses schwammartigen Komposits äußert sich in der hervorragenden Benetzung durch die im Wundbett des Knochens befindliche Körperflüssigkeit und der damit verbundenen Adhäsion der in dieser Flüssigkeit enthaltenen, die Osteogenese stimulierenden Faktoren. Die Kompositschichten können in Aufbau, Zusammensetzung und Dicke an das jeweilige Implantat und den das Implantat umgebenden Knochen angepasst werden. Die Herstellung dieses Komposits kann dabei so vor sich gehen, dass die einzelnen Phasen gleichzeitig oder auch nacheinander abgeschieden bzw. Anteile der einen, z.B. der löslicheren Calciumphosphat-Phase durch eine chemische Reaktion in eine weniger lösliche Phase überführt werden. Dabei ist nicht vordergründig beabsichtigt, im Komposit einen vertikalen Lös- lichkeitsgradienten zu schaffen. Vielmehr sollen sich die unterschiedlichen Phasen lateral nebeneinander entwickeln und nach Implantation wieder auflösen. Dabei wird die Porosität des Komposits zunächst durch Abnahme des leichter löslichen Phasen zunehmen und Platz geschaffen für neues Knochengewebe, bis auch nach Auflösen der weniger löslichen Calciumphosphat-Phasen das ganze Komposit in Knochengewebe umgewandelt ist. Ausgehend von ersten Kontakten der immobilisierten Zellen mit dem Implantat über die Poren des Komposits soll sich durch die fortschreitende Auflösung der einzelnen Phasen von Anbeginn eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Knochen und Implantat entwickeln. Der zeitliche Verlauf der Auflösung der Kompositschicht ist vereinfacht durch drei Abschnitte zu charakterisieren. Im Abschnitt I wird die in der Grenzschicht zwischen Implantat und Knochen vorliegende größte lokale Erhöhung der Calcium- und Phosphationen- Konzentration im wesentlichen durch die leichter löslichen Phasen bestimmt. In diesem Abschnitt muß gewährleistet werden, dass keine fibröse Einkapselung des Implantates eintritt und damit seine unmittelbare Osteointegration ermöglicht wird. Im Abschnitt II wird der schwerer lösliche Kompositanteil den lokalen Ionenhaushalt bestimmen und insbesondere die Mineralisierung des neuen Knochengewebes unterstützen. Im Abschnitt 3 ist das gesamte Komposit aufgelöst und durch neuen Knochen ersetzt. Das Implantat ist kraftschlüssig in den Knochen eingeheilt.
Im Bedarfsfall werden auch osteoinduktive Zusätze und/oder antimikrobielle Agenzien aus dem Komposit freigesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemisch abgeschiedene, bioaktive Calciumphosphat-Kompositschichten auf Implantaten, gekennzeichnet durch voll resorbierbare Kompositschicht aus Calciumphosphaten unterschiedlicher Löslichkeit mit einer derartigen Beschaffenheit, die eine an den Emheilungsprozeß angepaßte und diesen beschleunigende lokale Erhöhung der Calcium- und Phosphationen-Konzentration ermöglicht und eine mikroporöse Struktur dieser Kompositschicht, die auf Grund der Kapillarwirkung eine unmittelbare Benetzung des Komposits mit Blut- und Gewebeflüssigkeit bewirkt.
2. Elektrochemisch abgeschiedene, bioaktive Calciumphosphat-Kompositschichten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Komposit sowohl während der Abscheidung als auch durch eine Nachbehandlung hinsichtlich seiner Phasenzusammensetzung und Löslichkeit kontrolliert modifizierbar und somit eine gesteuerte Resorption der Kompositschicht möglich ist.
3. Elektrochemisch abgeschiedene, bioaktive Calciumphosphat-Kompositschichten nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch osteoinduktive Zusätze und/oder antimikrobielle Agenzien.
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