SE416175B - For implantering i kroppsvevnad serskilt benvevnad, avsett material - Google Patents

Description

_79o2ozs-o L tillförsel av rekonstruktivt verkande biologiskt material.

Härigenom åstadkommes en förkortad utläkningstid genom ökad cellbildning och snabbare mineralisering av inväxande väv.

Ett avsevärt förbättrat kliniskt resultat och förkortning av tiden för sluten vård erhålles.

Av största betydelse för resultatet är att man utformar protes- eller anslutningsdonmaterial såsom en integrerbar del av den biofysiologiska miljön och att detta material står i ett bio- logiskt, fysikaliskt och biokemiskt optimalt förhållande till benvävnaå,vilken till övervägande del består av Ca2+, PO43_ och C032- -joner med smärre andra inslag av andra i plasma eller i benapatit naturligt förekommande joniserade ämnen.

Flera forskare anger, att man med en teknik som beskrives t.ex. av Wheeler et al i Biomet., Med.Dev.Art.Org., l(2), 337-348 (1973) samt av Karagianes i Biomet., Med.Dev.Art.Org., l(l), 171-181 (1973) erhållit en godtagbar implantering. De redovisade försöken inkluderar ett par års erfarenhet å apa. Resultaten av djurförsök bör emellertid tolkas med yttersta försiktighet enär mycket stora skillnader föreligger mellan de fysikaliskt- biofysiologiska förutsättningarna mellan homo och andra spe- cies, t.o.m. inom gruppen primater.

Enligt en tolkning av Wheeler et al och Karagianes skulle deras goda resultat vara att hänföra till användandet av titanlege- rade cylindriska fixturer, som på olika sätt producerats med porstorlek varierande inom omrâdet 275-650 Pm. Metodiken inne- här att cylindrarna med en större diameter än de för dem av- sedda, i benen uppborrade cylindriska kaviteterna implanterats i käkbenen hos försöksdjur genom anbringande av ett (mek.) tryck.

Implantering av sådana bärarelement synes dock ej ge en opti- mal och hållbar inväxt. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett bärarelement med förbättrade egenskaper med avseende på ele- mentets inläkning, främst hållbarheten av inläkningen beroende av dess biologiska kvalité. 7902035-0 Detta resultat uppnås optimalt genom att det inledningsvis an- givna elementet utformas med de särdrag som anges i den känne- tecknande delen av patentkravet l.

En analysanrkäkimplantat å homo har överraskande visat att det operationsresultat, som erhålles är märkbart förbättrat när storleken på mikrogroparna när storleksordningen av cell- diametern i omgivande vävnad, eller nâgra få multiplar av den- na. Det biooptimala resultatet ernâs emellertid då groparean väljes inom området 10-300 nm (l nm = l0Å), vilket är icke oväsentligt mindre än celldiametern. För proteser och anslut- ningsdon användbara material skall således uppvisa en mikro- gropad yta med groparea. Ytan mellan levande inväxande celler och utlöpare till cellerna i mineraliseringsprocessen skall till- sammans med kanaliserat material och lameller med kollagena _ I fibriller ge en så tät och omfattande gränszon till anslut- ningsdonen, att dessa uppnår en förstärkt och olösbar förank- ring till levande benvävnad. Härigenom blir ett lösgörande av implantatet från gränszonen icke möjlig. Experimentellt har det visat sig att en frakturering sker distaltfrân etablerade gränszoner.

Materialen för anslutningsdonen skall alltså lämpligen utföras med en ytstruktur där materialgroparnas diameter bör uppgå till 10-1000 nm och för företrädesvis 10-300 nm.

Benvävens mineraliserade beståndsdelar består väsentligen av hydroxiapatit av sammansättningen Cal0(PO4)6 (OH)2. Denna bruttoformel för en minsta harmonisk molekylenhet svarar mot en enhetslängd av ca 5 - 20 nm. Till vissa delar ingår i benvävens mineraliserande delar även Mg2+, Na+ och K+ samt C032-, Cl-, F- och citronsyra. Ur mineralogisk synpunkt ger detta stöd för goda operationserfarenheter av implantat med gropstorleken 10-300 nm.

P-atomerna i PO43' äro tetraediskt inlagradâ och bildar ett 3-dimensionellt, deformerat nätverk där P04 -jonerna i av- sevärd utsträckning är kopplade med vätebindningar till om- givande material av mineraliserad och levande väv bestående __ 7902035-0 av bl.a. proteiner, andra membransubstanser, kolhydrater, fettämnen etc.

Den övre gränsen av samma storleksordning som celldiametern och den undre ännu mera optimala groparean överensstämer med måtten för cellernas utlöpare och benvävens fibriller och med mineralkomponenter enligt ovan.

Nybildningen av benvävnad sker från ytan av benvävnad genom det levande cellsystemet medeüm intracellulära matrisen be- stående av kollagena fibrer och oorganiska komponenter.

De oorganiska komponenterna i det färdigbildade benet uppgår till 2/3 av vikten. Härav består ca 85% av kalciumfosfat och ca 10% av kalciumkarbonat. fie kollagena fibrerna bidrager av- sevärt till benvävens styrka och elasticitet. Alla benceller takt med mineraliseringen från osteoblaster över osteocyter till äro av samma grundtyp, som underkastas förändringar l osteoclaster. Osteoblasterna varierar sitt utseende från ku- biodala till pyramidalaformer orienterade i kontinuerliga lager. Cytoplasman karaktäriseras av närvaron av ribosnukleo- protein, som syntetiserar proteinkomponenter för benmatrisen.

Osteoblasterna innehåller enzymet alkalisk fosfotas, som icke bara utvecklar matrisen utan även ansvarar för mineraliserings- processen. Osteoblasterna förvandlas härvid till osteocyter, färdigutvecklade benceller, inom ramen för benmatrisen. Osteo- blasternas cytoplasma innehåller fett, en viss mängd glykogen och fina granula. Under benbildningsprocessen uppstår direkt kontakt mellan de angränsande osteoblasterna. Processen kon- serverar ett välutbildat kanalsystem för utväxling av metabo- liter mellan bencellerna och kärlbädden (blodcirkulationen).

Osteoclasterna är_enkencellfiannned vid storleksvariation och âterfinnes i benytan och består av s.k. fusionerade celler, jätteceller med flera kärnor. Den omgivande benväven synes ofta partiellt demineraliserad, varför man utgår från att denna cellform är ett led i benresportionen under ombyggnads- fasen. 7902035-0 I benmatrisen hàlles de osteokollagena fibrerna tillsammans av en cementsubstans huvudsakligen bestående av mucopolysacka- rider (chondroitinsulfat). Benets mineralämnen är uteslutande lokaliserade till cementet mellan fibrerna och består väsent- ligen av kristaller av kalciumfosfat av hydroxiapatitets kris- talltyp såsom partiklar med stor täthet och ordnade rätlinjigt till de osteokollagena fibrerna. Benmatrisen är ordnad i la- mellär form, och lamellerna har en tjocklek av 3 - 7 pm. De kollagena fibrerna uppvisar en tvärräffling på ett återkommande avstånd av 68 nm mellan fibrerna. Detta förhållande understryker riktigheten av det tekniska utförandet enligt uppfinningen av det materialsubstitut, som skall väljas som bärarelement eller ersättning för traumatiserad väv.

De använda mekaniska eller metallurgiska produktionsmetoderna bör vara sådana att både antalet mikrogropar och groparean i an- vänt material ger denna en ytterligare starkt ökad total inväxt- yta mellan implantat och nybildad vävnad. Det har också visat sig vara fördelaktigt att förse implantatet med större genom- gående öppningar för benvävsgenomväxt.

Anslutningsdonen skall vidare framställas av biologisktklander- fritt material, som icke kan ge upphov till olämpliga elektriska potentialskillnader respektive galvaniska strömmar i implante- ringsregionerna. Speciella material som titan, titanlegeringar, keramiska material eller med keramiskt material täckt metall har vid biologisk integrering visat sig kunna ge en acceptabel inläkning.

Av de olika material som kan väljas som utgângsmaterial för optimalt integrerbara anslutningsdon är titanet på grund av sin närhet till Ca i det periodiska systemet och sin kemiska indifferens att förvänta som ett mycket lämpligt basmaterial för såväl infästningsdon och proteser som ersättning för mjuk- väv. Försök har visat att från i olika slag av väv inopererat olegerat titan inget titan vandrat ut i omgivande väv.

Det titanmaterial, som skall användas för osseointegrering, skall helst vara helt olegerat i varje fall gäller detta __ 7902035-0 gränszonen mellan levande väv och implanterat titan.

Betydelsen av titanmaterialets ytstruktur har ovan framhâllits och âstadkommes för titanmaterial genom att ytan skäres med en avverkningshastighet som understiger 20 m/minut under luft- eller annan syrgaskylning, som med 02 eller stabiliserad väte- superoxid. Skärhastigheten hâlles låg för att avverkningspro- cessen skall kunna tidsmässigt kopplas till en tillräcklig oxidering av arbetsstycket. Oxideringen innebär bildningen av titanoxider, som genom sina mineralogiska egenskaper befordrar utbildningen av en biologiskt riktig ytstruktur av mikrogrop- karaktär (mânytetyp).

Ytan kan självfallet produceras på annat sätt som t.ex. genom sintring eller metallföràngning i inert gas. Det mest ekono- miska förfarandet synes dock representeras av bearbetningen med skärande verktyg. En keramikisering av ytan kan även genom- föras med enbart andra biologiska, negativt laddade joner som t.ex. fosfater (fosfatisering), fosfater + 02, och andra kombinationer med små mängder sulfat, fluorid, klorid och viss baskarbonisering.

Titan och även låg-legerat titan får snabbt vid förvaring och bearbetning en oxiderad yta, som motsvarar en kristalliserad yta av rutil, TiO2, varvid titanet uppvisar en sjunkande syre- halt från ytskiktet och inåt till syrehalten uppnår värdet 0.

Den deformerade benapatiten har alla förutsättningar att över sin monoklina och tetraediskt (hexagonalt) ytrika struktur utbilda starka förband med titanmaterialets finporiga rutilbe- läggning, då rutilens kubiska och benapatitens hexagonala mole- kylpackningar utmärkt kompletterar varandra.

Det är av största vikt att inläkningsprocessen med avseende på tillfört substrat, enzymaktivitet och mineralisering bringas till optimala inläkningsförutsättningar.

Detta ernâs genom att bärarelementen eller anslutningsdonen liksom protesmaterialen är försedda med lämpligt placerade re- sorberbara depåer i räfflor, instansade fördjupningar eller 7 79Û2Û35~Û pålagt ytskikt. En kombination av dessa möjligheter kan själv- fallet utnyttjas. Mellan de s.k. tropakollagena fibrerna, som kan uppfattas som monomolekylära konglomerat, föreligger ett avstånd - gap - å 40 nm från ett fiberslut till början av nästa fiber. Det totala kollagena konglomeratet består av tre kollagena trådar bestående vardera av en trippel helix av osteotropa kollagena fibrer.

Dominanta aminosyror i kollagenets svârlösliga peptidkedjor äro glycin, ca 30%, och prolin. En sådan peptidkedja inne- håller prolin frekvent peptidiserad med glycin. Prolinet hydroxyleras i 4-ställning av protokollagen-hydroxylas. För pro- cessens accelerering kräves vitamin C. Med en motsvarande me- kanism förvandlas en del av kollagenets lägre lysinnehåll till hydroxylysin. Denna aminosyras hydroxygrupp kopplas kovalent samman med disackarider, bestående av galaktos och glykos.

De beskrivna "fibergapen" bildar centrum för benvävens minerali- sering.

De experimentella erfarenheterna enligt uppfinningen fastlägger nödvändigheten av en sådan mikrogropad yta på bensubstitutmate- rialet, att i dess nätverk av gropar groparean är så liten_ att denna kan bilda tredimensionella deponeringsställen för ändterminala kollagenfibergrupper, kollagenets kolhydratgrup- per och kollagena fibrer med benmineral under ett samtidigt utbildande av kovalenta bindningar och mellanmolekylära bind- ningskrafter i ett så tätt nätverks- och rymdmönster som möj- ligt, (5-500 nm). Förutsättningenför hållbara förband mellan levande väv och substitut för levande väv baseras enligt upp- finningen å den aktuella samlade kunskapen om de olika vävnads- slagens kollagenfibersystem med inlagrade mineraler, som speci- aliserats till respektive vävs biologiska funktion.

Av det ovan mmfih framgår klart de biologiska krav som enligt uppfinningen måste ställas med hänsyn till önskemålet att etablera en så fast förankrad gränszon mellan levande väv och ett implantat som möjligt.

Jisozozs-o Under många års experimentellt arbete har fasta förband kunnat åstadkommas med på växlande sätt bearbetat material, där an- slutningsdonens ytor utformats med ökad ytkontakt genom räff- ling och gängning av densamma.

Genom försiktig fastgängning av fixturmaterialet erhålles en frisk och vital benyta med exakt anatomisk tätslutande kongruens med implantatytan vilket ger en doserad kompression av benväven.

Erfarenheten har visat att en försiktig uppgängning av borrhål i benväv och av motsvarande implantat med skärverktyg av titan, drivna vid låga varvtal, ger den bästa tätningen och en väsent- ligt optimerad och ökad inläkningsyta mellan implantat och för operation förbehandlad levande väv och utan âstadkommande av några vävnadsinsnitt genom andra metallpartiklar, som skulle kunna avges från verktygen.

I patentansökan nr 77 l0 777-9 angives en utformning av de be- skrivna protes- och anslutningsdonen som medger applicerandet av depåer i eller å desamma. Till dessa depåer tillföras medel med membraneffekter, mineralämnen, kärlvidgande medel, koagula- tionsreglerande ämnen, vitaminer och tillväxtbefrämjande hor- moner etc. Medlen kan enligt ovan appliceras å materialytorna eller anordnas i form av lämpligt arrangerade depâer bestående av fullständigt resorberbart, vävnadsvänligt material. En ytter- ligare variant, som experimentellt visat sig kunna förbättra läkningsresultateë är en behandling exempelvis genom doppning, eller annan ytkontakt av det för operation avsedda materialet med helblod eller plasma, som eventuellt före operationen be- rikats med önskade nutritions- och terapimedel inklusive önsk- värda proenzym, enzym, hormoner, specifika substrat och vita- miner.

Med tillämpning av de ovan angivna principerna för utformningen av ett bärarelement enligt uppfinningen ernås väsentligt för- bättrade resultat, om beskrivna material med avseende på ren- het utformning och ytstruktur, den senare fastställd i svep- elektromikroskopi, kombineras med depåer med nutritivt funge- rande medel eller behandlas med berikar helblod eller plasma. 7982935 'Ü Härvid beaktas att opererad patients blodgrupp och plasma- kvalitet är adekvat testad. Fördelaktigast användes berikat patienteget blod eller plasma.

De angivna fordringarna, inklusive porstorleken, gäller för alla för biologisk integrering valda material för infästnings- don för proteser för användning i de kraniala benen, leder mjukväv eller mjukvävsgenomgång.

Claims (6)

1. vfanzozs-o m P a t e n t k r a v l. För implantering i kroppsvävnad, särskilt benvävnad, avsett element av ett biologiskt klanderfritt material med en porös mikrogropad yta avsedd att vetta mot vävnaden i en implanteringsregion på en patient och materialet valt att undvika uppkomst av olämpliga elektriska potentialskillnader och galvaniska strömmar i implanteringsregionen, k ä n n e - t e c k n a t av att åtminstone elementets ytskikt utgöres av titanhaltigt material och att groparna i den porösa ytan, som väsentligen består av titandioxid, har en diameter av mellan 10 - 1000 nm, företrädesvis 10 - 300 nm.

2. Element enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att titandioxiden i elementets gropade yta uppvisar en sjunkande syrehalt i riktning inåt mot elementet för att successivt övergå till ren titan.

3. Element enligt krav l och 2, k ä n n e t e c k n a t av att gropdiameterns övre gräns motsvarar celldiametern, dvs. är mindre än ca. 1000 nm.

4. Element enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k - n a t av att minst en depå av åtminstone ett fastväxningspro- cessen underlättande och/eller påskyndande medel är anordnad på eller i elementet varvid nämnda medel innefattar berikat helblod eller plasma från den patient på vilken elementet är avsett att inopereras.

5. Element enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a t av att den gropade ytan uppvisar spår, räfflor, gängor och liknande ytförstorande fördjupningar..

6. Element enligt något av kraven l-5, k ä n n e t e c k - n a t av minst en i elementet anordnad och relativt grop- diametern mångfaldigt större genomgående öppning för Vävnads- genomväxt. 7902035-0 SAMMANDRAG I ett för implantering i kroppsvävnad, särskilt benvävnad avsett element av biologiskt klanderfritt material och med en mikrogropad yta består, för att medge uppkomsten av en så tät och omfattande gränszon runt elementet att detta uppnår en förstärkt och olösbar förankring till vävnaden, åtminstone elementets ytskikt av titan och uppvisar gropar- na i den väsentligen av titandioxid bestående ytan en dia- meter av mellan 10 - 1000, företrädesvis 10 - 300 nm.