SE464415B - Foerfarande foer framstaellning av ett med kalciumfosfatfoerening belagt kompositmaterial, anvaendbart saasom implantat - Google Patents

Description

464 415 2 Metaller, såsom ädelmetaller, metallegeringar, såsom rostfritt stål, och keramiska material, såsom a-aluminiumoxid, har tidi- gare använts såsom implantat men dessa material har åtminstone någon av olägenheterna att vara giftiga, ha dålig hållfasthet, sakna maskinbearbetbarhet och undergå upplösning. Dessutom har de ett gemensamt problem, nämligen avsaknad av biologisk kombinerbarhet.

Apatitkeramiska material har under senare tid föreslagits såsom implantat, som har löst problemet med biologisk kombi- nerbarhet. De oorganiska komponenterna i ben och tänder är kalciumfosfatföreningar (som huvudsakligen utgöres av hydroxi- apatit) och de huvudsakliga komponenterna i apatitkeramiska material är även kalciumfosfatföreningar. Apatitkeramiska material har därför mycket god affinitet till ben och tänder och garanterar mycket tillfredsställande integrering i män- niskokroppen efter deras implantering. Användningen av sådana apatitkeramiska material är emellertid för närvarande mycket begränsad, eftersom de har brister likartade med de hos tidi- gare utvecklade material, såsom låg hållfasthet och dålig maskinbearbetbarhet.

För att lösa alla de problem som beskrivits ovan är det i hög grad önskvärt att utveckla metall- eller keramikkompositmate- rial, som har biologisk kombinerbarhet genom att påföra apa- titbeläggningar på ytorna av metaller eller keramiska mate- rial. För att åstadkomma detta erfordras metoder för bindning av metall-till-keramiska material eller keramiska material- -till-keramiska material men plasmasprutning är den enda kända metoden hittills för åstadkommande av denna typ av bindning.

Trots dess användbarhet för bindning av metaller till kera- miska material eller keramiska material till keramiska mate- rial har plasmasprutmetoden följande olägenheter: Det är ytterst svårt att åstadkomma en likformig beläggning över hela ytan av ett material med komplicerad form; den saknar inherent förmåga att ge en beläggning, som täcker hela ytan av ett poröst material; den kräver användning av dyrbar utrustning; den har icke förmåga att effektivt utnyttja dyrbara apatitpar- 464 415 3 tiklar i beläggningar; och den ger icke alltid en stark bind- ning mellan apatitbeläggningen och substratet.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att åstad- komma ett förfarande för framställning av ett kompositmaterial med användning av titan, en titanlegering, ett rostfritt stål eller liknande såsom substrat. Kompositmaterialet som fram- ställes med detta förfarande har god maskinbearbetbarhet, tillräcklig mekanisk hållfasthet och förbättrad affinitet till benvävnad och andra delar av människokroppen och är sålunda lämpligt för användning såsom artificiella ben, tandrötter och andra implantat .

Det i det föregående nämnda ändamålet med föreliggande uppfin- ning kan uppnås med ett förfarande för framställning av ett med kalciumfosfatförening belagt kompositmaterial, varvid ett beläggningsskikt av en kalciumfosfatförening beredes på ytan av ett metallsubstrat genom beläggning av ytan av metallsubst- ratet med en vattenlösning av salpetersyra innehållande upp- löst hydroxiapatit samt genom att man därefter bränner det belagda substratet vid en temperatur av 300°C eller däröver.

Väsentligt enligt uppfinningen är att ett metallsubstrat med ett beläggningsskikt av en i hög grad kristallin kalciumfos- fatförening, som huvudsakligen utgöres av hydroxiapatit, lätt kan erhållas genom pyrolys.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser ett förfarande, med vilket ett kalciumfosfatföreningsbelagt kompositmaterial som är lämpat för användning såsom artificiella ben, tandrötter och andra implantat framställes. Vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning belägges en vattenlösning av hydroxiapatit i salpe- tersyra på ett metallsubstrat utfört av titan, en titanlege- ring, ett rostfritt stål eller liknande, och substratet brän- nes därefter för bildning av ett beläggningsskikt av en kal- 464 415 4 ciumfosfatförening, som huvudsakligen utgöres av hydroxiapa- tit. Enligt förfarandet enligt föreliggande uppfinning fram- ställes ett kompositmaterial, som har hög grad av biologisk kombinerbarhet och som kraftigt förenas till ben eller andra människovävnader.

Uttrycket “kalciumfosfatförening" avser när det användes enligt föreliggande uppfinning huvudsakligen hydroxiapatit; det innefattar även trikalciumfosfat, kalciumvätefosfat och kalciumdivätefosfat, som kan bildas såsom biprodukter när hyd- roxiapatit brännes vid förfarandet enligt uppfinningen, liksom andra kalciumfosfatbaserade föreningar, som bildas såsom ett resultat av reaktion mellan hydroxiapatit och föroreningar eller vissa komponenter av underlaget.

Exempel på den metall som användes enligt föreliggande uppfin- ning innefattar titan, titanlegeringar och rostfritt stål eller liknande, vilka samtliga är stabila i människokroppen.

Titan betyder metalliskt titan och exempel på titanlegeringar är sådana som innehåller sådana legeringselement som Ta, Nb, platinagruppmetaller, Al och V. Uttrycket "rostfritt stål eller liknande" täcker icke endast rostfritt stål såsom SUS 304, SUS 310 och SUS 316, som specificeras i JIS (the Japanese Industrial Standards), utan även andra korrosionsbeständiga legeringar, såsom Co-Cr-legeringar som är lämpade för implan- tering i människokroppen. Det metallsubstrat som framställes av en av dessa metallmaterial kan ha en jämn yta, såsom i form av en plåt eller en stång, eller en porös yta, såsom i en svamp. Underlaget kan även föreligga i form av ett sträck- metallnät eller en porös plåt. De ovan nämnda metallmateria- len användes såsom underlag, eftersom de har en tillräckligt hög mekanisk hållfasthet jämfört med sintrade keramiska mate- rial eller glas och eftersom de är lätt maskinbearbetbara. Om så önskas kan underlaget förses med förbättrad affinitet till kalciumfosfatföreningarna genom rengöring av dess yta från eventuella föroreningar med hjälp av tvättning med vatten, syror, ultraljudvågor, vattenånga eller något annat lämpligt rengöringsmedium. Dessutom kan ytan hos substratet uppruggas 464 415 5 eller göras ojämn genom blästring och/eller etsning för att åstadkomma förbättrad affinitet till kalciumfosfatföreningarna och likaledes för aktivering av substratytan. Etsning kan åstadkommas icke endast med kemiska metoder utan även med fysiska metoder, såsom "sputtering".

Sedan en lämplig ytbehandling har genomförts på det sätt som beskrives ovan belägges ytan hos underlaget med en vattenlös- ning av salpetersyra, i vilken hydroxiapatit är upplöst eller som företrädesvis är mättad med hydroxiapatit, med någon lämp- lig metod, såsom neddoppning, besprutning eller användning av en pensel eller en beläggningsanordning. Det belagda under- laget brännes därefter för åstadkommande av ett beläggnings- skikt, som har en stark bindning till underlagsmetallen.

Det är önskvärt att använda en koncentrerad vattenlösning av salpetersyra, eftersom lösligheten av hydroxiapatit ökar med ökande koncentration hos salpetersyran. Ca 1,5 g hydroxiapa- tit upplöses i 10 ml av en vattenlösning av 12 % salpetersyra och ca 3 g hydroxiapatit upplöses i 10 ml av en 25%-ig lös- ning. Om koncentrationen av salpetersyra är 60 %, upplöses 7 g eller mer av hydroxiapatiten i 10 ml av lösningen till bildning av en starkt viskös lösning. En vattenlösning av mindre än 10 % salpetersyra kan upplösa hydroxiapatit men endast i en så ringa mängd, att upprepade påföringar av vat- tenlösningen av salpetersyra måste genomföras för att ge ett beläggningsskikt av en kalciumfosfatförening med en önskad tjocklek. För att säkerställa en effektiv beläggningsopera- tion är det lämpligt att koncentrationen av salpetersyra i beläggningslösningen väljes till minst 10 %, så att det erfor- derliga antalet beläggnings- och bränningscykler kan minskas.

Salpetersyralösningen är lämpligen mättad med hydroxiapatit för uppnående av följande två ändamål: Maximering av avsätt- ningen av beläggning som kan åstadkommas med en enkel brän- ning; och åstadkommande av en hög grad av kristallinitet i beläggningsskiktet.

Enligt föreliggande uppfinning väljes hydroxiapatit såsom 464 415 6 förening som skall upplösas i beläggningslösningen för påfö- ring på underlaget och upplöses i en vattenlösning av salpe- tersyra; detta genomföres för att ge ett beläggningsskikt, som huvudsakligen utgöres av i hög grad biologiskt kombinerbar och kristallin hydroxiapatit och som har en stark bindning till metallunderlaget. Andra skäl till användning av en vattenlös- ning av salpetersyra såsom lösningsmedel för beläggningslös- ningen är följande: Salpetersyra har hög löslighet för hyd- roxiapatit; och oxideringsförmågan hos salpetersyra passiverar ytan av metallunderlaget och minimerar härigenom eventuell korrosion av underlaget för åstadkommande av en beläggning av en kalciumfosfatförening, som har en stark bindning till underlaget.

När vattenlösningen av hydroxiapatit i salpetersyra som har belagts på metallunderlaget brännes, utfälles hydroxíapatiten på ytan av underlaget i form av en kalciumfosfatförening, som huvudsakligen utgöres av hydroxiapatit. Ett optimalt värde för temperaturen för bränningen varierar med koncentrationen av salpetersyra och ju högre koncentrationen av salpetersyran är, desto högre är den temperatur som är optimal för ändamålet med bränningen av underlaget. Ett föredraget område för brän- ningstemperaturen är från 300 till 800°C. Om bränningstempe- raturen är lägre än 300°C, har det erhållna beläggningsskiktet av en kalciumfosfatförening otillräcklig hållfasthet och ger en otillräcklig bindning till underlaget. Om bränningstempe- raturen överstiger 800°C, kommer ytan av metallunderlaget att undergå alltför hastig oxidation för att ge en starkt vidhäf- tande beläggning av kalciumfosfatförening. De optimala brän- ningstemperaturerna varierar från 350 till 500°C, om belägg- ningslösningen har en salpetersyrakoncentration av 10 %, samt från 450 till 700°C, om salpetersyrakoncentrationen är 60 %.

Det metallunderlag pâ vilket beläggningslösningen har påförts kan brännas i en oxiderande atmosfär, som typiskt kan vara luft, men för att förhindra termisk oxidering av underlaget och för att ge ett kompositmaterial med bättre färdigutseende eller ytutseende genomföres bränningen av underlaget företrä- 464 415 7 desvis i en inert atmosfär, för vilket argongas kan anges såsom typ, eller i vakuum. Även om bränningen genomföres under sådana inerta betingelser, kommer sönderdelningsgaser att utvecklas under upphettningen och orsaka en ringa oxida- tion av ytan av underlaget inom obelagda områden. Eventuell oxidfilm som bildats inom sådana områden kan emellertid lätt avlägsnas genom kemisk polering eller andra lämpliga metoder.

Med de metoder som beskrives ovan kan ett beläggningsskikt av kalciumfosfatförening, som huvudsakligen utgöres av hydroxi- apatit, framställas på ytan av metallunderlaget. Om tjock- leken av beläggningen, som uppnås med en enkel cykel av beläggning och bränningsbehandling är otillräcklig, kan denna cykel upprepas till den önskade tjockleken uppnåtts.

Vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning pâföres belägg- ningslösningen, i vilken hydroxiapatit är upplöst på ytan av ett metallunderlag som därefter brännes för att erhålla en hydroxiapatitbaserad kalciumfosfatförening utfälld från beläggningslösningen. Förfarandet enligt föreliggande uppfin- ning är därför tillämpbart på underlag av godtycklig form och ett likformigt beläggningsskikt av kalciumfosfatföreningen kan framställas på hela ytan av underlaget, även om detta är poröst.

Följande exempel anges för att ytterligare åskådliggöra före- liggande uppfinning men är på intet sätt begränsade. Om icke annat anges, avser alla procentuppgifter, förhållanden, etc. vikten.

EXEMPEL 1 Ca 3 g hydroxiapatit-(CalO(PO4)6(OH)2)-pulver sattes långsamt till 10 g av en vattenlösning av 25%-ig salpetersyra under omrörning för beredning av en beläggningslösning, som var mät- tad med hydroxiapatit.

Provstycken med måtten 40 mm längd och 20 mm bredd skars av en 464 415 8 valsad plåt med tjockleken l mm av rostfritt stål SUS 3l6L och dessas ytor uppruggades genom blästring med ett nr 70 korun- dumgritt. Provstyckena etsades därefter genom neddoppning i en vattenlösning av 30 % FeCl3 vid 25°C 4 minuter.

Vissa av de etsade provstyckena belades på en sida med den ovan beskrivna beläggningslösningen och torkades omedelbart vid 60°C 20 minuter i en argonström, följt av bränning vid 500°C 10 minuter i en argonatmosfär.

När två cykler av beläggnings- och bränningsbehandlingen genomfördes, bildades ett vitt beläggningsskikt på ytan av vart och ett av de behandlade provstyckena. Identifiering genom röntgendiffraktion gav en stark diffraktionstopp, som tillskrevs hydroxiapatit och det erhållna beläggningsskiktet visade sig vara sammansatt av starkt kristallin hydroxiapatit. Återstoden av provstyckena av rostfritt stål underkastades samma behandling som beskrives ovan med undantag av att argon- strömmen ersattes med luft. I detta fall uppträdde oönskad färgning på grund av oxidation av underlaget av rostfritt stål och 16 cykler av_beläggnings- och bränningsbehandling måste genomföras för uppnående av tillfredsställande vithet hos beläggningsskiktet. Analys genom röntgendiffraktion visade att detta beläggningsskikt även var sammansatt av starkt kris- tallin hydroxiapatit.

EXEMPEL 2 Hydroxiapatitpulver sattes långsamt till vattenlösningar av olika koncentrationer av salpetersyra vid 25°C under omrörning för beredning av fyra beläggningslösningar, som var mättade med hydroxiapatit, såsom visas i tabell 1.

Provstycken med måtten 40 mm längd och 20 mm bredd skars av en valsad plåt med tjockleken 1 mm av rostfritt stål SUS 3l6L och dessas ytor uppruggades genom blästring med nr 70 korundum- gritt. Provstyckena rengjordes därefter genom neddoppning i 464 415 9 en vattenlösning av 30 % FeCl3 vid 25°C 4 minuter.

Tabell l Hydroxiapatit i Beläggnings- HNO - 10 g vatten- lösning nr -koncentration lösning av HNO3 1 5% cao,6g 2 12 % ca 1,5 g 3 25 % ca 3,0 g 4 35 % ca 4,0 g Vart och ett av provstyckena av rostfritt stål belades på en sida med en av de fyra beläggningslösningarna och torkades omedelbart vid 60°C 20 minuter i en argonström, följt av brän- ning i en argonatmosfär. Olika temperaturer användes för bränning av provstycken belagda med olika beläggningslös- ningar. Antalet cykler av beläggnings- och bränningsbehand; ling som måste genomföras för att åstadkomma beläggningsskikt med en tillfredsställande grad av vithet var även olika för varje beläggningslösning. Resultaten anges i tabell 2.

Tabell 2 Beläggnings- Brännings- Antal beläggnings- och lösning nr temperatur bränningscykler id 1 350-420 l4 2 400-450 3 4 470-500 500-600 Det framgår att när koncentrationen av salpetersyra i belägg- ningslösningarna ökade, ökade de temperaturer som erfordrades för pyrolys, men antalet beläggnings- och bränningscykler som måste genomföras minskade. 464 415 10 EXEMPEL 3 En beläggningslösning framställdes genom långsam tillsats av ca 4 g av ett hydroxiapatitpulver till en väl omrörd vatten- lösning (10 g) av 35%-ig salpetersyra, när denna hölls vid 25°C. (f: Provstycken med måtten 40 mm längd och 20 mm bredd skars av en valsad titanplåt (JIS typ l) med tjockleken l mm och dessas ytor uppruggades genom blästring med nr 80 stålsand, följt av neddoppning i en vattenlösning av 25 % salpetersyra vid 90°C 30 minuter. En intim blandning av 5 g av ett pulver av titan- sfärer (partikelstorlek: 250-350 pm), 0,05 g av ett titanpul- ver (partikelstorlek: 10 pm eller mindre) och 2 ml av en vat- tenlösning av 5 % polyvinylalkohol (polymerisationsgrad: 500) belades på de behandlade provstyckena på sådant sätt, att 2 eller 3 skikt av sfäriskt titanpulver lades upp på varje underlag. De belagda provstyckena torkades vid 60°C 20 minu- ter, upphettades till l250°C med en hastighet av 2°C/minut och vid ett tryck av icke högre än l x l0_5 mm Hg, hölls vid l250°C 30 minuter och ugnskyldes.

De erhållna titanplåtarna med en porös yta neddoppades i en vattenlösning av 15%-ig salpetersyra vid 60°C l timme, tvätta- des omsorgsfullt med vatten och torkades. Efter neddoppning i den ovan beskrivna beläggningslösningen centrifugerades titan- plâtarna omedelbart vid 1000 varv per minut för avlägsnande av överskott av lösning genom centrifugering. Omedelbart där- efter torkades titanplåtarna vid 60°C l timme i en argonström samt brändes_vid 550°C l0 minuter i en argonatmosfär. När en ytterligare cykel av beläggnings- och bränningsbehandling genomfördes, bildades ett vitt beläggningsskikt över ytan av varje provstycke. Identifiering genom röntgenanalys visade att detta beläggningsskikt var bildat av starkt kristallin hydroxiapatit. Observering av en tvärsektion av varje prov- stycke med elektronmikroskop visade att även om dess yta var likformigt täckt med beläggningsskiktet av hydroxiapatit, var individuella titansfärer i underlaget icke överbryggade av 464 415 ll hydroxiapatitskiktet och hålrum med en maximidiameter av ca 200 um var kvarlämnade mellan intill varandra belägna titan- sfärer.

De fördelar som erbjudes av föreliggande uppfinning är samman- fattade nedan.

För det första utnyttjar det kompositmaterial som framställes med förfarandet enligt föreliggande uppfinning korrosions- beständigt titan, titanlegeringar eller rostfria stål såsom underlag, så att det kan användas såsom artificiellt ben eller tandrot, som icke endast är oskadlig för människokroppen utan även stabil med minsta möjliga upplösning. Dessutom har detta kompositmaterial tillfredsställande mekanisk hållfasthet och kan lätt maskinbearbetas.

För det andra har det kompositmaterial som framställes med föreliggande uppfinning en beläggning av hydroxiapatitbaserad kalciumfosfatförening bildad på ytan av metallunderlaget, så att det har tillräcklig biologisk kombinerbarhet för att bin- das till ben och andra vävnader i människokroppen på ett enkelt och trots detta tillförlitligt sätt.

För det tredje får vid förfarandet enligt föreliggande uppfin- ning en kalciumfosfatförening, som huvudsakligen utgöres av hydroxiapatit utfällas från en vattenlösning av hydroxiapatit i salpetersyra. Ett likformigt beläggningsskikt av kalcium- fosfatförening kan därför bildas på underlaget oberoende av vilken form detta kan ha. Dessutom kan kalciumfosfatföre- ningen effektivt användas för bildning av en beläggning på underlaget, som är starkt kristallin och därför har hög kvali- tet .

För det fjärde har beläggningsskiktet i sig tillfredsställande hållfasthet, eftersom det huvudsakligen är uppbyggt av starkt kristallin hydroxiapatit. Denna egenskap, kombinerad med den förbättrade biologiska kombinerbarheten hos hydroxiapatit, leder till en markant förbättring av funktionen hos komposit- 464 415 l2 materialet såsom implantat avsett att användas i människokrop- pen.

Uppfinningen har beskrivits i detalj och med hänvisning till specifika utföringsformer av denna, men det är uppenbart för en fackman på området att olika förändringar och modifikatio- ner kan genomföras däri utan att man avviker från uppfinnings- tanken.

Claims (4)

1:1 464 415 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för framställning av ett med kalciumfos- fatförening belagt kompositmaterial, vilket är användbart såsom implantat, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett beläggningsskikt av en kalciumfosfatförening framställes på ytan av ett metallunderlag av titan eller en legering därav, rostfritt stål eller kobolt-kromlegering genom beläggning av ytan av metallunderlaget med en vattenlösning av salpetersyra innehållande upplöst hydroxiapatit och därefter bränning av det belagda underlaget vid en temperatur av 300 till 800°C.

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k - n a t därav, att vattenlösningen av salpetersyra har en sal- petersyrakoncentration av minst 10 %.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att underlaget brännes i en inert atmos- fär eller i vakuum.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att cykeln innefattande beläggnings- och bränningsbehandlingarna genomföres mer än en gång.