FI81498C - Kirurgiska material och instrument. - Google Patents

Description

1 81498

Kirurgiset materiaalit ja välineet

Keksinnön kohteena ovat patenttivaatimuksen 1 johdannossa määritellyt kirurgiset materiaalit ja välineet.

Resorboituvia 1. absorboituvia (kudosolosuhteissa 5 biologisesti metaboloituvia) lujite-elementtejä si sältävien resorboituvien polymeeristen materiaalien (resorboituvien komposiittien) on todettu soveltuvan käytettäväksi sellaisina kirurgisina implantteina tai sellaisten resorboituvien kirurgisten implanttien 10 valmistamiseen, joilta vaaditaan mekaanista lujuutta.

Tällaisia implantteja käytetään esim. sauvoina, levyinä, ruuveina, ydinnauloina jne. luunmurtumien, os-teotomioiden, artrodesin tai nivelvaurioiden fiksoi-miseen. Näiden implanttimateriaalien etuna on se, et-15 tä ne resorboituvat (depolymeroituvat soluravinteik- si) fiksoidun kudoksen parannuttua, joten resorboituvat implantit eivät tarvitse poistoleikkausta, kuten metalliset implantit monissa tapauksissa vaativat.

20 Keksinnössä U.S. Pat. 4 279 249 on esitetty polygly-kolidikuiduilla lujitetut resorboituvat implant-mate-riaalit, joissa lujitekuituja sitovana polymeerinä (resorboituvana matriisina) on polylaktidi. Suomalaisessa patenttihakemuksessa 851828 on esitetty itselu-25 jittuneet resorboituvat materiaalit, joissa resorboi- tuva polymeerimatriisi on lujitettu saman kemiallisen alkuainekoostumuksen omaavilla resorboituvilla lujite-elementeillä, kuten kuiduilla tai niistä konstruoiduilla rakenteilla.

30

Tunnetuilla, resorboituvilla orgaanisilla lujite-elementeillä lujitetuilla resorboituvilla materiaaleilla on melko korkeat lujuusarvot, jotka mahdollistavat 2 81498 niiden käytön ortopedian ja traumatologian fiksaatio-kohteissa kuten hohkaluualueen luunmurtumien, osteo-tomioiden ja artrodesin hoidossa tai nivelvaurioiden fiksaatiossa. Esimerkiksi suomalaisen patenttihake-5 muksen 851828 mukaisille itselujittuneille resorboi-tuville materiaaleille on mitattu yli 300 MPa:n taivutuslujuuksia (S Vainionpää, Thesis, Helsinki 1987), mitkä arvot selvästi ylittävät jopa kortikaalisen luun keskimääräiset lujuusarvot. Myös tunnettujen it-10 selujittuneiden resorboituvien komposiittien kimmomo- dulit ovat melko korkeita, tyypillisesti 10 GPa suuruusluokkaa. Siten näiden materiaalien lujuusarvot ovat selvästi parempia kuin sulatyöstötekniikalla valmistettujen resorboituvien materiaalien lujuusar-15 vot.

Valmistettaessa resorboituvista polymeereistä, seka-polymeereista tai polymeeriseoksista sauvoja, profiileja, levyjä tms. implantteja sulatyöstötekniikalla, 20 kuten ruiskupuristuksella tai ekstruusiolla, tuottei den lujuusominaisuudet jäävät termoplastisille polymeereille tyypilliselle tasolle siten, että materiaalien veto-, leikkaus- ja taivutuslujuudet eivät juuri nouse yli 150 MPa:n arvojen ollen tyypillisesti vä-25 Iillä 1-6 GPa. Tämä johtuu siitä, että virtaavassa polymeerisulatteessa esiintyvä virtausorientaatio purkautuu, kappaleen pintaosia lukuunottamatta, mole-kulaaristen lämpöliikkeiden seurauksena sulatyöstetyn kappaleen jäähtyessä ja, mikäli on kyseessä kiteytyvä 30 polymeeri, kappale kiteytyy osittain kiteiseksi, sfe- ruliittiseksi rakenteeksi. Siten sulatyöstämällä valmistettu polymeerimateriaali muodostuu laskostuneista kidelamelleista (paksuus 100-300 A, leveys n. 1 pm), joita ympäröi amorfinen polymeeri. Lamellien taas

II

81 498 3 voidaan ajatella muodostuvan mosaiikkimaisista las-kostuneista blokeista (leveys muutamia satoja Ang-strömejä). Lamellit liittyvät yleensä nauhamaisiksi rakenteiksi, jotka kasvavat kiteytymiskeskuksista, 5 ns. ytimistä, kolmiulotteisiksi pallomaisiksi sferu-liittirakenteiksi. Koska sferuliittisesti kiteytyneessä polymeerimateriaalissa ei ole yleensä todettavissa vahvojen kovalenssisidoksellisten polymeerimo-lekyylien merkittävää orientaatiota, jäävät niiden 10 lujuusarvot edellä esitetylle tasolle.

Vaikkakin lujitetuilla resorboituvilla komposiiteilla on sulatyöstettyjä resorboituvia komposiitteja huomattavasti paremmat lujuusominaisuudet, joudutaan re-15 sorboituvista komposiiteista kuitenkin usein valmistamaan melko kookkaita implantteja, kuten sauvoja, ydinnauloja, ruuveja tai levyjä. Näin joudutaan toimimaan siksi, että varmistettaisiin implanttien kuormituskestävyydelle (esim. taivutus- ja leikkauskuor-20 mituksen kestävyys) riittävän korkea varmuusmarginaa- li turvaamaan fiksaation pysyvyys ulkoisten rasitusten tai lihasjännitysten kohdistuessa fiksoituun murtumaan, osteotomiaan, atrodeesiin tai nivelvaurioon, koska tällaiset fiksaatiota rasittavat voimat saatta-25 vat selvästi ylittää potilaan oman painon. Potilas turvallisuuden vaatimat riittävän suuret implantit taas aiheuttavat melko suuren operatiivisen trauman luukudokseen ja/tai pehmytkudokseen, kun implantti esim. sijoitetaan luuhun porattuun kanavaan tai kiin-30 nitään luun pinnalle. Tällöin implantin koon suure tessa mahdollisuudet vierasesinereaktioon tai sen voimistumiseen tai reaktion keston pitenemiseen kasvavat, koska implantti ja sen resorboituminen aiheuttavat elimistölle sitä suuremman rasituksen mitä suu-35 rempi implantti on.

81 49!’ 4

Lisäksi tunnettujen orgaanisesta materiaalista valmistettujen resorboituvien implanttien kimmomodulille on saavutettu parhaimmillaankin n. 10 GPa suuruusluokkaa olevia arvoja, mikä on matalampi modulitaso 5 kuin useiden kortikaalisten luiden kimmomodulit, jotka ovat tyypillisesti 20 GPa luokkaa ja voivat olla jopa 30 GPa luokkaa. Pyrittäessä mahdollisimman hyvään fiksaatioon olisi edullista, jos implantin kim-momoduli olisi mahdollisimman lähellä fiksoitavan 10 luun modulia. Ideaalitapauksessa fiksoitavan luun ja implantin kimmomodulit ovat yhtä suuret. Siten korti-kaalisen luun, kuten putkiluun tehokkaaseen fiksaatioon tarvitaan tunnettuja materiaaleja suuremman kimmomodulin omaavia resorboituvia orgaanisia mate-15 riaaleja.

Keksinnön mukaisille kirurgisille materiaaleille ja välineille pääasiassa tunnusomaiset piirteet käyvät ilmi oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnusosasta. Täs-20 sä keksinnössä on siis yllättäen todettu, että nos tamalla resorboituvien polymeerimateriaalien lujuus-ja kimmomoduliarvoja orientoimalla materiaalin molekyylirakennetta niin, että se fibrilloituu ainakin osittain, saadaan aikaan uudentyyppisiä resorboituvia 25 itselujittuneita implanttimateriaaleja, joiden lu juus- ja kimmomoduliarvot ovat tunnettujen resorboituvien implanttimateriaalien vastaavia arvoja huomattavasti korkeampia ja joita käytettäessä fiksaatioma-teriaaleina, -välineinä tai -välineiden valmistukseen 30 voidaan siten tehokkaasti pienentää implantin aiheut tamaa operatiivista traumaa sekä aikaansaada tunnetuilla materiaaleilla aikaansaatavaa fiksaatiota huomattavasti tehokkaampi fiksaatio. Keksinnössä on esitetty rakenteeltaan ainakin osittain fibrilloituneet, 35 resorboituvasta polymeeristä, sekapolymeerista tai

II

o , 4>8 5 polymeeriseoksesta valmistetut luunmurtumien, osteo-tomioiden, artrodesin tai nivelvaurioiden fiksaatio-materiaalit sekä luukudoksen uudelleenmuotoilu- ja laajentamismateriaalit sekä näistä materiaaleista 5 valmistetut fiksaatiovälineet, kuten sauvat, levyt, ruuvit, ydinnaulat ja pinteet sekä luukudoksen uudelleenmuotoilu- ja laajentamisvälineet kuten levyt ja kourut. Edelleen keksinnössä on esitetty ainakin osittain fibrilloitujen resorboituvien materiaalien 10 ja erityisesti niistä valmistettujen sauvojen, levyjen, ruuvien, ydinnaulojen, pinteiden tai kourujen käyttö luunmurtumien, osteotomioiden, artrodesin tai nivelvaurioiden fiksaatioon tai luukudoksen laajentamiseen tai uudelleenmuotoiluun.

15

Sferuliittisen kiderakenteen omaavan polymeerisystee-min orientoiminen ja fibrilloiminen on prosessi, jota on tutkittu laajalti termoplastisten kuitujen valmistuksen yhteydessä. Esim. keksinnössä U.S. Pat. 20 3 161 709 on esitetty kolmivaiheinen vetoprosessi, jossa sulatyöstetty polypropeenifilamentti muutetaan suuren vetolujuuden omaavaksi kuiduksi.

Fibrilloimisen mekanismi on pääpiirteissään seuraava 25 (C.L. Choy et ai. Polym. Eng. Sei. 23, 1983, p. 910).

Kun osittain kiteistä polymeeriä vedetään, alkavat kidelamellien molekyyliketjut nopeasti yhdensuuntaisia (orientoitua) vetosuuntaan. Samanaikaisesti sfe-ruliitit pitenevät ja lopulta rikkoutuvat. Kideblokit 30 irtoavat lamelleista ja ne liittyvät yhteen jonoiksi tiukkojen sidosmolekyylien avulla, joita muodostuu polymeeriketjujen osittaisen kidelamelleista purkautumisen kautta. Vuorottelevat amorfiset ja kiteiset alueet muodostavat yhdessä tiukkojen sidosmolekyylien

c 8149P

kanssa pitkiä, ohuita (n. 100 A leveitä) mikrofibril-lejä, jotka ovat yhdensuuntaistuneet vetosuuntaan. Koska intrafibrillaariset sidosmolekyylit muodostuvat kideblokkien välisille faasirajoille, ne sijaitsevat 5 pääasiassa mikrofibrillien ulkopinnalla. Ne sidosmo-lekyylit, mitkä yhdistävät eri lamelleja isotrooppisessa materiaalissa ennen vetoa, yhdistävät fibril-loituneessa materiaalissa eri mikrofibrillejä toisiinsa eli niistä tulee interfibrillaarisia sidos-10 molekyylejä, jotka sijaitsevat rajapintakerroksissa vierekkäisten mikrofibrillien välissä. Kuvassa la on esitetty kaavamaisesti lamelliryhmän muuttuminen fib-rillaariseksi rakenteeksi (fibrilliksi, joka muodostuu joukosta mikrofibrillejä) vedon vaikutuksesta ja 15 kuvassa Ib mikrofibrillien sisäistä ja niiden välistä molekyylirakennetta. Kuvassa le on esitetty kaavamaisesti fibrilloituneen polymeerin rakennetta. Kuvassa nähdään useita fibrillejä (yksi on väritetty harmaaksi havainnollisuuden vuoksi), jotka muodostuvat lu-20 kuisista, useita mikroneja pitkistä mikrofibrilleis- tä.

f Fibrilloitunut rakenne muodostuu jo melko pienillä vetosuhteilla λ (missä λ = kappaleen pituus vedon 25 jälkeen/kappaleen pituus ennen vetoa). Esim. HD-Poly- eteeni on selvästi fibrilloitunut λ arvolla 8 ja polyasetaali (POM) λ arvolla 3.

Kun fibrilloituneen rakenteen vetoa edelleen jatke-30 taan (prosessin tätä vaihetta nimitetään usein ultra-orientaatioksi), rakenne defromoituu edelleen mikro-fibrillien liukuessa toistensa suhteen, jolloin suoristuneiden interfibrillaaristen sidosmolekyylien ti-lavuusosuus kasvaa. Jos veto suoritetaan riittävän il 81 498 7 korkeassa lämpötilassa, orientoituneet sidosmolekyy-lit kiteytyvät muodostaen aksiaalisia kidesiltoja, jotka yhdistävät kideblokkeja.

5 Fibrilloituneen rakenteen erinomaiset lujuus- ja kim-momoduliominaisuudet perustuvat rakenteelle luonteenomaiseen polymeerimolekyylien ja molekyylisegmenttien voimakkaaseen orientaatioon vedon suunnassa (mikro-fibrillien pituusakselin suunnassa).

10

Fibrillirakenteisia kuituja ei niiden suuresta vetolujuudesta huolimatta voida käyttää luunmurtumien, osteotomioiden, artrodesin tai nivelvaurioiden fik-saatiovälineinä, koska niillä niiden taipuisuudesta 15 johtuen ei ole taivutuslujuutta ja -jäykkyyttä ja samoin niillä ei ole tarvittavaa leikkauskuormituksen kantokykyä niiden pienestä poikkileikkauksesta johtuen.

20 Makroskooppisten polymeeristen aihioiden, kuten sauvojen ja putkien, fibrilloiminen on tunnettu aikaisemmin biostabiilin polyasetaalin ja polyeteenin tapauksissa (kts. esim. K. Nakagawa and T. Konaka, Polymer 2J_, 1986, p. 1553 ja siinä olevat viitteet). 25 Resorboituvista polymeereistä valmistettujen makroskooppisten kappaleiden fibrilloiminen ei ole kuitenkaan ollut aikaisemmin tunnettua.

Makroskooppisen polymeerikappaleen ainakin osittainen 30 fibrillointi voidaan saada aikaan esim. jäähdyttämällä virtaavassa tilassa (esim. kapillaarissa) oleva polymeerisulate nopeasti kiinteään tilaan niin, että virtaavassa sulatteessa virtaussuunnassa oleva mole-kyylien orientaatio ei pääse molekulaaristen liikkei-35 den kautta purkautumaan joko kokonaan tai osittain satunnaisorientaatiotilaan.

8 81 498

Voimakkaampi fibrillointi ja siten myös paremmat mekaaniset ominaisuudet saadaan makroskooppiselle poly-meerikappaleelle materiaalin mekaanisella muokkauksella (orientoinnilla), tavallisimmin vedolla tai 5 hydrostaattisella ekstruusiolla, sellaisessa fysikaalisessa tilassa (kiinteässä olomuodossa), missä materiaalin molekyylitasolla tapahtuvat kiderakenteiden ja kiteettömien (amorfisten) alueiden voimakkaat rakennemuutokset fibrilloitumisen syntymiseksi ovat 10 mahdollisia. Fibrilloitumisen seurauksena esim. ruiskupuristuksella tai ekstruusiolla valmistettu, aluksi pääosiltaan sferuliittisen kiderakenteen omaava re-sorboituva polymeerimateriaali muuttuu vedon suuntaan voimakkaasti orientoituneeksi, fibrilloituneeksi ra-15 kenteeksi, joka muodostuu mm. pitkänomaisista kitei sistä mikrofibrilleistä sekä niitä yhdistävistä si-dosmolekyyleistä sekä orientoituneista amorfisista alueista. Samalla materiaalin lujuus- ja kimmomodulin arvot kasvavat moninkertaisiksi fibrilloimattomaan 20 rakenteeseen verrattuna.

Tunnetuissa resorboituvissa komposiittimateriaaleissa on tyypillisesti satunnaisesti orientoitunut (suun-tautumaton) sideainefaasi (matriisi), joka sitoo toi-25 siinsa rakenteeltaan voimakkaasti suuntautuneita (orientoituneita) lujite-elementtejä kuten kuituja. Tällaista rakennetta on kuvattu kaavamaisesti kuvassa 2, missä suuntautuneita ja suuntautumattomia molekyy-liketjuja tai niiden osia on kuvattu ohuilla viivoil-30 la. Sideainefaasin lujuusominaisuudet ovat huomatta vasti heikommat kuin lujite-elementtien lujuusominaisuudet. Siksi komposiitilla on lujite-elementtien orientaatiosuunnassa sitä paremmat lujuusominaisuudet

II

9 81498 mitä suurempi %-osuus sen rakenteesta on lujite-elementtejä. Käytännön vaikeuksista johtuen lujite-elementtien määrä ei yleensä voi ylittää 70 paino-S komposiitin kokonaismassasta. Siten ei myöskään lujite-5 elementtien lujuusominaisuuksia pystytä käyttämään täysin hyväksi, koska komposiitti sisältää myös heikompaa matriisiainesta, joka vaikuttaa osaltaan komposiitin kokonaislujuuteen.

10 Orientoinnin ja sen aiheuttaman fibrilloinnin avulla voidaan resorboituvista polymeereistä, sekapolymee-reista ja polymeeriseoksista valmistaa itselujittu-neita komposiitteja, joissa lähes koko materiaalin massa on orientoitunut halutulla tavalla ja amorfisen 15 matriisin osuus on pieni, mistä syistä johtuen näillä materiaaleilla on erittäin korkealuokkaiset lujuusominaisuudet orientaatiosuunnassa: vetolujuus tyypillisesti 1000 - 1500 MPa ja kimmomoduli tyypillisesti 20 - 50 GPa. Siten nämä lujuusarvot ovat moninkertai-20 siä verrattuna tunnettujen resorboituvien komposiittien lujuusarvoihin ja n. kymmenkertaiset verrattuna sulatyöstettyjen resorboituvien materiaalien lujuus-arvoihin.

25 Samoin kuin polymeerikuitujen fibrilloituneessa rakenteessa, voidaan myös makroskooppisten, fibrilloi-tujen polymeerikappaleiden, kuten sauvojen ja putkien rakenteessa todeta seuraavia rakenteellisia yksikköjä, jotka on kaavamaisesti esitetty kuvassa 3: kide-30 blokkeja, joiden välinen materiaali muodostuu amorfisesta materiaalista (esim. irralliset polymeeriket-jut, ketjun päät ja molekyylilaskokset), sidosmole-kyyleistä, jotka liittävät kideblokit toisiinsa (näiden lukumäärä ja tiukkuus kasvaa vetosuhteen X kas-35 väessä) sekä mahdollisista kideblokkien välisistä 10 81 498 kiteisistä silloista. Siltoja voi muodostua vedon aikana sidosmolekyylien orientoituessa ja ryhmittyessä silloiksi (C.L. Choy et ai. J. Polym. Sei., Polym. Phys. Ed., 19, 1981, p. 335-352).

5

Kuvien 1 ja 3 mukainen orientoitunut, fibrilloitunut rakenne kehittyy jo ns. "luonnollisilla" vetosuhteil-la 3-8. Kun vetoa tämän jälkeen jatketaan ultraorien-taationa korkeassa lämpötilassa, niin kiteisten siilo tojen osuus voi nousta hyvinkin suureksi, jolloin ääritapauksessa sillat ja kideblokit muodostavat jatkuvan kiderakenteen. Sidosmolekyylien ja siltojen vaikutukset ovat kuitenkin usein samanlaiset ja niiden tarkka erottaminen toisistaan ei aina ole siten mah-15 dollista.

Orientaatiota ja fibrilloitumista voidaan kokeellisesti karakterisoida useilla eri menetelmillä. Orien-taatiofunktio f , joka voidaan määrittää röntgen-20 diffraktiomittauksilla, karakterisoi kiteisen faasin molekyyliketjujen orientaatiota, f saavuttaa yleensä jo luonnollisilla vetosuhteilla (λ < 6) maksimiarvon 1. Sferuliittirakenteisille polymeerimateriaaleille f <<1. c 25

Polarisaatiomikroskoopilla mitattava kahtaistaitta-vuus (Δ) on myös suure, joka kuvaa molekyyliketjujen orientaatiota. Se kasvaa yleensä luonnollisilla veto-suhteilla ( λ < 6) voimakkaasti ja sen jälkeen ultra-30 orientaatiossa hitaammin, mikä osoittaa, että kide-faasin molekyyliketjut orientoituvat voimakkaasti ve-tosuuntaan luonnollisilla vetosuhteilla ja amorfisen faasin molekyylien orientaatio jatkuu edelleen suuremmilla vetosuhteilla (C.L. Choy et ai. Polym. Eng. 35 Sei., 23, 1983, s. 910-922).

Il il 8149»

Fibrillirakenteen muodostuminen voidaan osoittaa myös havainnollisesti tutkimalla fibrilloitua materiaalia optisen ja/tai elektronimikroskopian avulla (kts. esim. T Konaka et ai. Polymer, 26^, 1985, p. 462). Jo-5 pa yksittäiset, mikrotibrilleistä muodostuneet fib-rillit voidaan selvästi erottaa fibrilloidusta rakenteesta otetuissa pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvis-sa.

10 Eräitä tunnettuja resorboituvia polymeerejä, joita voidaan käyttää tämän keksinnön mukaisten resorboi-tuvien materiaalien ja välineiden valmistuksessa, on lueteltu taulukossa 1. Edellytyksenä fibrilloitumi-selle on kuitenkin, että polymeeri esiintyy osittain 15 kiteisessä muodossa, siten niitä polymeerejä, jotka fysikaalisen rakenteensa (esim. konfiguraatiotilansa) vuoksi eivät ole kiteytyviä, ei pystytä tehokkaasti fibrilloimaan.

12 81 4 9 F

Taulukko 1. Resorboituvia polymeerejä

Polymeeri_Viite

Polyglykolidit (PGA) 1 5 Polylaktidit (PLA) 1

Glykolidi/laktidi sekapolymeerit (PGA/PLA) 1

Glykolidi/trimetyleenikarbonaatti sekapolymeerit (PGA/TMC) 2

Poly-B-hydroksivoihappo (PHBA) 1 10 Poly-B-hydroksipropionihappo (PHPA) 3

Poly-B-hydroksivaleriaanahappo (PHVA) PHBA/PHVA sekapolymeeri 4

Poly-p-dioksanoni (PDS) 5

Poly-1,4-dioksanoni-2,5-dionit 6 15 Polyesteriamidit (PEA) 7

Poly-ε-kaprolaktoni 8

Poly-δ-valerolaktoni

Polykarbonaatit 9

Oksaalihapon polyesterit 9 20 Dihydropyraanipolymeerit 9

Polyeetteriesterit 10

Kitiinipolymeerit_

Viitteet: 25 1) S. Vainionpää, Thesis, Helsinki, Suomi 1987 2) U.S. Pat. 4 243 775 (1981) 3) Engl. Pat. 1 034 123 (1966) 4) J. Adsetts, Marlborough Biopolymers Ltd.,

England, yksityinen tiedonanto 30 5) U.S. Pat. 4 052 988 (1977) 6) U.S. Pat. 3 960 152 (1976) 7) U.S. Pat. 4 343 931 (1982) 8) R.H. Wehrenberg, Mater. Eng. (1981) Sept., 63 9) N.B. Graham, Brit. Polym. J., 10 (1978) 260 35 10) D. Cohn, G. Marom and H. Younes, ECB, Bologna,

Italy, 1986 n 81498

Ainakin osittain fibrilloituneet ja erityisesti ult-raorientoidut, resorboituvat polymeerimateriaalit ovat erityisen edullinen erikoistapaus orientoituneesta, itselujittuneesta resorboituvasta komposiit-5 timateriaalista, jossa orientoituneet lujite-elementit (kideblokit, sidosmolekyylit ja kiteytyneet sillat) muodostuvat ja/tai ryhmittyvät mekaanisen muokkauksen aikana ja niitä sitova faasi muodostuu mm. seuraavista rakenteellisista elementeistä: amorfinen 10 faasi, kideblokkien väliset rajapinnat sekä siltojen ja mikrofibrillien väliset rajapinnat, joille myös on tyypillistä voimakas orientoituminen vetosuuntaan.

Keksinnön mukaiset resorboituvat, ainakin osittain 15 fibrilloituneet implanttimateriaalit ja osteosyntee- sivälineet eroavat useilla yllättävillä tavoilla tunnetuista resorboituvista implanttimateriaaleista ja välineistä. Keksinnön mukaisilla materiaaleilla ja välineillä on voimakkaasta orientaatiosta ja ainakin 20 osittain fibrilloituneesta rakenteesta johtuen erin omaiset veto-, taivutus- ja leikkauslujuus- sekä kim-momoduliominaisuudet, mikä mahdollistaa nykyistä ohuempien sauvojen, levyjen, ruuvien ja pinteiden jne. käytön ortopediassa ja traumatologiassa, mikä 25 taas edullisesti pienentää operatiivista traumaa sekä implantin aiheuttamaa vierasainekuormitusta elimistölle. Edelleen erinomaiset mekaaniset lujuus- ja kimmomoduliominaisuudet mahdollistavat keksinnön mukaisten materiaalien ja niistä valmistettujen im-30 planttien käytön myös vaativissa putkiluualueiden fiksaatio-operaatioissa. Keksinnön mukaisten implanttien on myös yllättäen todettu säilyttävän mekaaniset ominaisuutensa hydrolyyttisissä olosuhteissa pitempään kuin vastaavankokoisten tunnetuista materiaa-35 leista valmistettujen implanttien. Tämä mahdollistaa 1* 8149ft myös keksinnön mukaisten välineiden käytön sellaisten hitaasti paranevien luunmurtumien, osteotomioiden ja artrodesien hoidossa, joihin nykyiset materiaalit ja implantit eivät sovellu.

5

Keksinnön mukaisia, ainakin osittain fibrilloituja sauvoja, putkia, levyjä ym. profiileja voidaan käyttää sellaisenaan fiksaatiovälineinä esim. keksintöjen FI Pat. No. 69402 ja 69403 esittämillä tavoilla tai 10 materiaaleista voidaan muotoilla erilaisia fiksaatio-välineitä kuten ruuveja, suomupintaisia ym. profiloituja rakenteita sekä pinteitä tai muita taivutettuja rakenteita, koska tässä keksinnössä on yllättäen myös todettu, että orientoituja resorboituvia materiaaleja 15 voidaan kuumamuokata mekaanisesti korotetuissa lämpötiloissa ilman, että menetettäisiin fibrilloitunut rakenne. Tämä mahdollistaa esim. erittäin lujien ja sitkeiden ruuvien valmistamisen keksinnön mukaisista ainakin osittain fibrilloiduista sauvoista.

20

Luonnollista on, että fibrilloidut resorboituvat materiaalit voivat sisältää lisäksi erilaisia lisä- tai apuaineita materiaalin prosessoitavuuden helpottamiseksi (esim. stabilisaattorit, antioksidantit tai 25 pehmittimet) tai sen ominaisuuksien muuttamiseksi (esim. pehmittimet tai jauhemaiset keraamiset materiaalit) tai sen käsiteltävyyden helpottamiseksi (esim. väriaineet).

30 Keksinnön mukaisia jäykkiä ja lujia resorboituvia fiksaatiomateriaaleja voidaan sauvoina, levyinä ym. profiileina käyttää myös suurempien fiksaatiovälinei-den valmistuksessa lujite-elementteinä pakkaamalla

II

is 8149R

esim. sylinterimäiseen, pitkänomaiseen ruiskupuristusmuottiin fibrilloituneita sauvoja ja ruiskuttamalla muotti sitten täyteen sopivaa resorboituvaa mat-riisipolymeeria. Kun ruiskutus suoritetaan pitkän-5 omaisen muotin päästä, jolloin ruiskutettava sulate virtaa resorboituvien lujite-elementtien pituussuunnassa, niiden väleissä muodostuu matriisiin sulatteen nopeasti virratessa ja jähmettyessä edullinen lujite-elementtien suuntainen orientaatio.

10

Keksinnön mukaisista jäykistä ja lujista fiksaatio-sauvoista tai levyistä voidaan myös konstruoida jäykkiä verkkomaisia ja levymäisiä rakenteita, jolloin saadaan mekaanisilta ominaisuuksiltaan enemmän metal-15 liverkkoja kuin orgaanisista tekstiilikuiduista tehtyjä verkkoja muistuttavia rakenteita. Kuvassa 4 on esitetty kaavamaisesti eräitä erityyppisiä jäykistä, lujista resorboituvista sauvoista kudottuja verkkorakenteita. Osa sauvoista on kuvattu valkoisina ja osa 20 mustina havainnollisuuden vuoksi. Tällaisia verkkoja voidaan käyttää sellaisenaan esim. pirstaleisen luunmurtuman hoitoon yhdistämällä pirstaleiset murtuneet luun osat toisiinsa sekä taivuttamalla verkko niiden ympärille tueksi ja kiinnittämällä se esim. resorboi-25 tuvilla haavaompeleilla tai hakasilla. Tällaisista keksinnön mukaisista verkoista voidaan myös valmistaa esim. kuumapuristuksella kaarevia levyjä, kouruja tai laatikkomaisia ym. vastaavia rakenteita, joita voidaan käyttää luun uudelleenmuotoiluun esim. siten, 30 että luukudoksessa oleva defekti (kolo, onkalo, kysta jne.) täytetään kudossopeutuvalla keraamijauheella kuten hydroksiapatiitilla tai trikalsiumfosfaatilla ja kaareva verkko kiinnitetään defektin päälle kanneksi, joka immobilisoi keraamihiukkaset ja estää 35 niiden liikkumisen defektistä. Jäykkänä materiaalina 16 81 498 keksinnön mukaiset verkot toimivat tässä yhteydessä huomattavasti tehokkaampina immobilisoijina kuin tunnetut, resorboituvista kuiduista valmistetut joustavat verkot.

5

Kuvassa 5 on esitetty kaavamaisesti keksinnön mukainen, resorboituvista sauvoista tehty, kourun muotoon esim. kuumapuristamalla taivutettu verkkorakennelma. Tällaista kourua voidaan käyttää erityisen edullises-10 ti luukudoksen laajentamiseen hammasharjänteiden ko-rottamisoperaatiossa keraamisen materiaalin kanssa seuraavasti.

Hammasharjänteen pinnalle tehdään ienkudoksen alle 15 hammasharjänteen suuntainen pitkänomainen subperios-teaalinen tunneli, johon resorboituva kouru työnnetään siten, että kourun kupera pinta suuntautuu ien-kudokseen päin ja kourun kylkien päätypinnat asettuvat hammasharjannetta vasten. Tilannetta on kuvattu 20 kaavamaisesti kuvassa 6 alaleuan oikeanpuoleiseen osaan suoritettavan operaation tapauksessa. Kourun asennuksen jälkeen voidaan kourun sisään pakata keraamista luusiirrejauhetta ja sulkea lopuksi ienku-dokseen tehty viilto, jonka kautta operaatio on suo-25 ritettu. Tarpeen vaatiessa voidaan samalle hammashar-janteelle sijoittaa useitakin kouruja peräkkäin. Tällainen kouru estää kourun alle pakatun keraamisen jauheen liikkumisen, kun luukudoksesta hammasharjänteeltä ja ympäröivästä pehmytkudoksesta kasvaa luu-30 ja sidekudosta keraamisen jauheen sekaan immobilisoi-den sen lopulta osaksi hammasharjanteen luukudosta.

Keraamisia jauheita ja kappaleita voidaan käyttää monilla muillakin tavoin luukudoksen laajentamiseen tai li 17 81 498 uudelleenmuotoiluun (luusiirremateriaaleina). Keraamisia materiaaleja, jotka ovat kudossopeutuvia ja/tai jotka muodostavat kemiallisia sidoksia luukudoksen kanssa ja/tai joilla on luukudoksen kasvua edistävää 5 vaikutusta, nimitetään usein biokeraameiksi. Niitä ovat mm. kalsiumfosfaatit, apatiitit kuten hydroksi-apatiitti, HA, [Ca^Q(PO^)g(OH)(R.E. Luedemann et ai., Second World Congress on Biomaterials (SWCB), Washington, D.C., USA, 1984, p. 224), kauppanimiä 10 esim. Durapatite, Calcitite, Alveograf ja Permagraft; fluoriapatiitit; trikalsiumfosfaatit (TCP) (esim. kauppanimi Synthograft) ja dikalsiumfosfaatit (DCP); magnesiumkalsiumfosfaatit, β-TCMP (A. Ruggeri et at., European Congress on Biomaterials (ECB), Bologna, 15 Italy, 1986, Abstracts, p. 86); hydroksidiapatiitin ja trikalsiumfosfaatin seokset (E.Gruendel et al., ECB, Bologna, Italy, 1986, Abstracts, p. 5, p. 32); alumiinioksidikeraamit; biolasit kuten SiC>2-CaO-Na20-P2^5' es*-m’ Bioglass 45S (koostumus SiC^ 45 p-%, CaO 20 24,5 %, Na20 24,5 S ja P2®5 ® *) (C.S. Kucheria et al., SWBC, Washington, D.C., USA, 1984, p. 214) esim. kauppanimi Bioglass; apatiittipitoiset lasikeraamit, esim. MgO 4,6 paino-%, CaO 44,9 %, S1O2 34,2 %, P205 16,3 % ja CaF 0,5 % (T. Kokubo et al., SWCB, 25 Washington, D.C., USA, 1984, p. 351); kalsiumkarbo-naatti (F. Souyris et al., ECB, Bologna, Italy, 1986, Abstracts, p. 41).

Em. biokeraamien käyttömahdollisuuksia synteettisinä 30 implantteina (luusiirteinä) on tutkittu eri tavoin käyttäen niitä mm. sekä huokoisina että tiiviin rakenteen omaavina jauhemaisina materiaaleina, jauheen ja polymeerin muodostamina komposiitteina sekä huokoisina ja tiiviinä makroskooppisina kappaleina ki-35 rurgisina implantteina.

ie 81498

Keksinnön mukaisia lujia ja jäykkiä resorboituvia materiaaleja voidaan käyttää monilla eri tavoilla kombinoituna huokoisten biokeraamien kanssa biokompo-siiteiksi. Tällaisten biokomposiittien mekaaniset 5 ominaisuudet, erityisesti iskulujuus, taivutus- ja leikkauslujuus, ovat huomattavasti parempia kuin huokoisten biokeraamien vastaavat ominaisuudet. Keksinnössä FI Pat. hak. No. 863573 on esitetty useita tapoja yhdistää resorboituvia polymeerimateriaaleja ja 10 biokeraameja. Kyseisiä periaatteita voidaan myös soveltaa käytettäessä tämän keksinnön materiaaleja yhdessä biokeraamien kanssa.

Keksintöä on havainnollistettu seuraavien esimerkkien 15 avulla.

Esimerkki 1

Poly-L-laktidista (PLLA) (Mv = n. 600 000) tehtiin 20 ruiskupuristamalla halkaisijaltaan (0) 4 mm paksuja, sylinterimäisiä sauvoja. Sauvoja vedettiin vetosuh- teelle λ = 7 lämpötilassa T - 40°C (missä T = po- m m lymeerin sulamispiste), jolloin mikroskooppisesti voitiin todeta rakenteen fibrilloituminen. Osalle 25 sauvoista jatkettiin vetoa vetosuhteella λ = 12 (ult-raorientaatio). Vertailunäytteeksi tehtiin keksinnön FI Pat.hak. 851828 mukaisella menetelmällä PLLA kuiduista (vetolujuus 800 MPa, kuidun halkaisija 15 μπι) sintraamalla itselujittuneita sauvoja (0 1.5 mm).

30

Ruiskupuristetuille, vetämällä fibrilloiduille ja sintraamalla itselujittuneille sauvoille suoritettiin seuraavat lujuusmittaukset: vetolujuus, kimmomoduli ja leikkauslujuus. Mittaustulokset on annettu taulu-35 kossa 1.

li 19 81 498

Taulukko 1. PLLA sauvojen lujuusomaisuuksia Näyte Valmistusmenetelmä Sauvan Vetolujuus Kimmo- Leikkausko paksuus moduli lujuus 5 _(mm)_(MPa)_(GPa)_(MPa)_ 1 Ruiskupuristus 4 80 5.5 70 2 Ruiskupuristus + 10 fibrillointi (λ=7) 1.4 560 14 360 3 Ruiskupuristus + fibrillointi ( λ=12) 1.2 800 17 470 15 4 Itselujittaninen (sintraus) 1.5 400 10 260

Taulukko 1 osoittaa, että keksinnön mukaiset fibril-20 loidut resorboituvat sauvat ovat lujuusominaisuuksil taan selvästi parempia kuin tunnetut resorboituvat materiaalit.

Esimerkki 2 25

Esimerkin 1 mukaisia n. 25 mm pitkiä resorboituvia sauvoja käytettiin peukalon tyvinivelen artrodesin fiksaatioon poistamalla molemmat nivelpinnat, liittämällä paljastetut luupinnat väliaikaisesti toisiinsa 30 pihdeillä luudutuspinnaksi, poraamalla luudutuspinnan

läpi kaksi fiksaatiosauvoille sopivaa porakanavaa sekä naputtelemalla porakanaviin fiksaatiosauvat. Luudutuspinnan pinta-ala oli operoiduilla 20 potilaalla n. 170 mm* . Käytettäessä kahta fibrilloitua sauvaa 35 n:o 2 saatiin fiksaatiolle laskennallinen 1100 N

20 81498 leikkauskuormituksen kestävyys samalla, kun operatiivista traumaa kuvaava porakanavien osuus luudutuspin-nasta oli 1.8 %. Vastaavat arvot olivat fibrilloi-duilla sauvoilla n:o 3 1060 N ja 1.3 % ja sintra-5 tuilla sauvoilla n:o 4 920 N ja 2.1 %. Siten fibril-loiduilla sauvoilla saatiin lujempi fiksaatio yhdistyneenä pienempään operatiiviseen traumaan kuin sint-ratuilla sauvoilla. Ruiskupuristettuja sauvoja ei käytetty lainkaan fiksaatioissa, koska ne olisivat 10 aiheuttaneet muita selvästi suuremman operatiivisen trauman (n. 15 %).

Esimerkki 3 15 Seuraavista resorboituvista polymeereistä valmistettiin ruiskupuristamalla sauvoja ( 0 = 3.2 mm): poly-glykolidi (PGA) (Mv = 100 000), glykolidi/laktidiko-polymeeri (PGA/PLA, moolisuhde 75/25, M = 120 000), poly-fl-hydroksibutyraatti (PHB) (Mv = 500 000) ja po-20 ly-p-dioksanoni (PDS), (Mv = 300 000). Polarisaatio-mikroskooppisilla ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi-silla tutkimuksilla voitiin ruiskupuristetuissa sauvoissa todeta, pintakerrosta lukuunottamatta, sferu-liittinen kiderakenne. Sauvojen materiaalien sulamis-25 pisteet (Tm) määritettiin pyyhkäisykalorimetrialla (DSC) ja T :lle saatiin seuraavat arvot: PGA (225°C), m PGA/PLA (180°C), PHB (175°C) ja PDS (110°C). Sauvojen vetolujuudet olivat: PGA (60 MPa), PGA/PLA (50 MPa), PHB (30 MPa) ja PDS (40 MPa). Sauvat fibrilloitiin

30 vetämällä niitä lämpötiloissa (T - 10°C) (T

m m 50°C) vetosuhteille λ 8-16. Fibrilloitujen sauvojen paksuudet vaihtelivat välillä 0.8 mm - 1.1 mm. Fibrilloitujen sauvojen vetolujuudet olivat: PGA (600 MPa), PGA/PLA (550 MPa), PHB (400 MPa) ja PDS (300 35 MPa).

li 81 498 21

Esimerkki 4

Esimerkin 3 mukaisia fibrilloituja PGA sauvoja sekä PGA haavaompeleista (kauppanimi Dexon, koko 3-0) sintraamalla keksinnön FI Pat.hak. 85 1828 mukaisesti valmistettuja itselujittuneita vastaavanpaksuisia (0 5 = 1.1 mm) 50 mm pitkiä sauvoja hydrolysoitiin 37°C:ssa tislatussa vedessä 5 ja 7 viikkoa. Fibril-loitujen (f) ja sintrattujen (s) sauvojen leikkaus-kuormitettavuudet olivat valmistuksen jälkeen f: 570 N ja s: 300 N. Viiden viikon hydrolyysin jälkeen 10 vastaavat arvot olivat f: 160 N ja s: 30 N. Seitsemän viikon jälkeen sintratut sauvat olivat jo menettäneet leikkauskuormitettavuutensa, mutta fibrilloiduilla sauvoilla oli vielä 70 N kuormitettavuus jäljellä.

15 Esimerkki 5

Esimerkin 3 mukaisia fibrilloituja PGA sauvoja (pituus 50 mm, 0 = 1.1 mm) taivutettiin muotissa kuvan 7a mukaisiksi pinteiksi 180°C:n lämpötilassa. Tehtiin 20 vastaavanlaisia itselujittuneita pinteitä PGA haava-ompeleista (kauppanimi Dexon, koko 3-0) sintraamalla niitä FI Pat.hak. 851828 mukaisella menetelmällä lämmön ja paineen avulla pinteen mukaisessa muotissa. Määritettiin fibrilloitujen pinteiden ja sintrattujen 25 pinteiden vetokuormituksen kestävyys puristamalla pinteiden 10 mm pitkät sakarat vetoleukoihin tehtyihin reikiin ja vetämällä pinteet poikki kuvan 7b mukaisesti. Pinteiden katkeaminen tapahtui kuvan 7b mukaan tyypillisesti mutkakohdasta. Keksinnön mukai-30 sille fibrilloiduille pinteille saatiin keskim. 300 N vetokuormituksen kestävyys ja sintratuille pinteille 120 N vetokuormituksen kestävyys.

22 81 498

Esimerkki 6

Esimerkin 1 mukaisista fibrilloiduista PLLA sauvoista n:o 4 puristettiin ahtopuristusmuotissa, joka oli 5 muotoiltu ruuvimaiseksi, n. 160°C lämpötilassa resor-boituvia 30 mm pitkiä ruuveja, joiden ytimen paksuus oli n. 1.1 mm ja ruuvikierteen profiilin korkeus oli 0.5 mm sekä ruuvikierteen harjanteiden välinen etäisyys 0.8 mm. Ruuvien vetokuormituksen kestävyys oli 10 300 N. Vastaavien ruiskupuristamalla PLLA:sta valmis tettujen ruuvien vetokuormituksen kestävyys oli 80 N ja vastaavien sintraamalla esimerkissä 1 käytetyistä PLLA kuiduista valmistettujen itselujittuneiden PLLA ruuvien vetokuormituksen kestävyys oli 150 N.

15

Esimerkki 7

Esimerkin 1 mukaisia fibrilloituja PLLA sauvoja n:o 3 (pituus 60 mm, 0 1.2 mm) pinnoitettiin DL-PLA:lla (Mv 20 100 000) DL-PLA:n 5 % asetoniliuoksesta kastamalla sauvoja liuokseen ja haihduttamalla liuotin. Operaatio toistettiin niin monta kertaa, että saatiin sauvoihin 40 paino-%:a DL-PLA:a. Pinnoitetuista sauvoista puristettiin sylinterimäisessä muotissa (pituus 25 oli 60 mm ja 0 4.5 mm) 160°C:ssa sylinterimäisiä re-sorboituvia sauvoja, joiden taivutuslujuus oli 450 MPa ja taivutusmoduli 14 MPa.

Esimerkki 8 30

Esimerkin 1 mukaisista fibrilloiduista PLLA sauvoista (pituus 60 mm, 0 1.0 mm), DL-PLA:11a pinnoitetuista PLLA kuitukimpuista (n. 0.1 mm paksua, lievästi kierrettyä kuitukimppua, yksittäisten kuitujen halkaisija 81 498 23 15 μπι ja vetolujuus 800 MPa) sekä huokoisista hydrok-siapatiitti (HA-) sauvoista (avoin huokoisuus n. 50 %, sauvan halkaisija 4 mm ja pituus 60 mm), joiden ulkopinnalla oli kuvan 8a ja poikkileikkauskuvan 8b 5 (kuvan 8a leikkaustaso A-A) mukaisesti kuusi pituus-suuntaista uraa, joihin fibrilloidut sauvat sopivat, valmistettiin resorboituvan polymeerin ja biokeraamin biokomposiittisauvoja (ydinnauloja) (käyttäen siis fibrilloituja sauvoja biokomposiitin komponentteina) 10 seuraavasti: HA-sauvojen uriin siveltiin DL-PLA:n (Mv = 100 000) 5 % (w/v):sta asetoniliuosta ja samaan liuokseen kastetut fibrilloidut sauvat painettiin uriin, joihin ne liimautuivat asetonin haihtuessa. HA-sauvojen, joiden pinnalla oleviin uriin fibrilloi-15 dut PLLA sauvat oli liimattu, pinnalle kelattiin DL-PLA:lla pinnoitettua PLLA-kuitukimppua eri suunnissa useaksi eri suuntaiseksi kerrokseksi 150°C lämpötilassa siten, että kuitukerros oli paksuimmillaan n. 0.4 mm paksu. Kelaus suoritettiin siten, että kui-20 tukimppujen väliin jäi kuiduttomia alueita, joista HA-sauvan pinta oli näkyvissä, kuten kuvassa 8c on kaavamaisesti esitetty. Pinnoite puristettiin sileäksi sylinterimäisessä muotissa ( 0 = 5.0 mm). Bio-komposiittien taivutuslujuus oli 140 MPa, kun pelk-25 kien HA-sauvojen taivutuslujuus oli 12 MPa.

Biokomposiittisauvoja käytettiin kanin reisiluun osteotomian fiksaatioon ydinnauloina seuraavasti. Tehtiin osteotomia timanttilaikalla kanin reisiluun 30 paljastettuun yläosaan n. 2 cm etäisyydelle kaula- osasta ja fiksoitiin osteotomia pihdillä. Porattiin suuremman sarvennoisen läpi 5 mm halkaisijainen pora-kanava vertikaalisesti reisiluun ydinkanavaan. Naputettiin biokomposiittisauva ydinnaulaksi vasaralla 35 porakanavaan siten, että sen yläpää tuli luun pinnan 81 498 24 tasalle. Poistettiin pihdit ja pehmytkudokset ommeltiin liukenevalla haavaompeleella. Eläimet palautettiin häkkiinsä ja anestesian lakattua vaikuttamasta ne saivat välittömästi liikkua vapaasti. Operaatio 5 suoritettiin 20 koe-eläimelle. Kuusi kuukautta kestäneen seurannan aikana todettiin osteotomioiden parantuneen hyvin kaikissa tapauksissa. Histologisissa tutkimuksissa todettiin luusolukon kasvaneen HA-sau-vojen avoimen huokoisuuden sisään.

Il

Claims (4)

25 81493 5 Patenttivaatimukset:

1. Itselujittuneet kirurgiset materiaalit ja välineet, kuten sauvat, naulat, ruuvit, levyt, ydinnaulat, 10 pultit ja hakaset, jotka on valmistettu resorboituvasta polymeeristä, sekapolymeerista tai polymeeriseokseta ja jotka on tarkoitettu luunmurtumien, osteotomioiden, artrodeesin tai nivelvaurioiden f iksaatiomateriaaleiksi sekä luukudoksen uudelleenmuotoilu- ja laajentamis-15 materiaaleiksi, tunnettu siitä, että mainitut materiaalit ja välineet sisältävät mikrorakenteeltaan ainakin osittain fibrilloituneita rakenneyksikköjä, jotka on aikaansaatu alun perin fibrilloitumattomaan rakenteeseen venyttämällä resorboi tuvasta polymeeristä, 20 sekapolymeerista tai polymeeriseoksesta valmistettua sauvaa, tankoa, putkea, levyä tai vastaavaa kiinteätä aihiota.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaiset kirurgiset materi-25 aalit ja välineet, tunnettu siitä, että ne on ainakin osittain ultraorientoitu.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaiset kiurgiset materiaalit ja välineet, tunnettu siitä, että 30 materiaalit on konstruoitu verkkomaiseksi rakennelmak si . 1 Patenttivaatimuksen 3 mukaiset kirurgiset materiaalit ja välineet, tunnettu siitä, että verkkomai- 35 set rakennelmat on muotoiltu muotokappaleiksi, kuten kaarevapintaisiksi verkoiksi ja kouruiksi. 26 81 49« Patentkrav;