SE468502B

SE468502B - Poroest implantat

Info

Publication number: SE468502B
Application number: SE9101677A
Authority: SE
Inventors: T Johansson
Original assignee: Lucocer Ab
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1993-02-01
Also published as: SE9101677L; AU1908192A; WO1992021302A1; SE9101677D0

Description

CA Q 10 15 20 25 30 35 (J1 CD {\) där Y är en geometrisk positions- och formfaktor, of utgör brott- hållfastheten och c anger största tillåtna defekt.

För kända material för implantatapplikationer, tex aluminiumoxid och hydroxylapatit med brottseghetsvärden på 3.0 respektive 1.0 MPaml/2 medför exempelvis en 200 pm stor por en maximal hållfasthetsnivå of av ca 150 respektive 40 MPa, vilket gör båda dessa implantatmaterial tveksamma för mekaniskt högpåkända tillämpningar. Risk föreligger dessutom för långsam spricktillväxt för speciellt hydroxylapatit, vilket medför att tolererbara spänningar lätt understiger angivna värden.

Nya konstruktionskeramer, exempelvis baserade på kiselnitrid eller zirkoniumoxid, är mer lämpade för dylika högpåkända tillämpningar. Ett keramiskt material som visat sig kunna behålla en relativt hög håll- fasthet trots närvaro av stor mängd porer är reaktionsbunden kisel- nitrid, Si3N4 (RBSN). Även vid dessa konstruktionskeramer, liksom även vid andra tänkbara implantatmaterial, såsom stål, titan och andra metaller, polymerer liksom vid andra oxidiska eller icke oxidiska keramer måste emellertid en avvägning ske mellan å ena sidan porosite- ten och porernas karaktär och å andra sidan kravet på hållfasthet.

KORT REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att erbjuda ett implantat av i ingressen angivet slag som i sig förenar en hög hållfasthet med höga krav på gynnsam situation för såväl beninväxt som för vävnadsinväxt med inte- grerad mjuk- och hårdvävnadssamverkan jämte möjlighet att åstadkomma reservoarer för i materialet deponerbara ämnen med specifika funk- tioner. Dessa och andra syften kan enligt uppfinningen uppnås däri- genom att kommunicerande porer med en porstorlek inom intervallet 0.1-10 pm upptar 10-80% av den totala porvolymen i nämnda åtminstone ett parti av materialet, att porer med en porstorlek inom intervallet 10-50 um upptar max 5% av den totala porvolymen i nämnda parti av materialet, och att 5-40% av ytan på nämnda åtminstone ett parti av '- implantatet täcks av väsentligen jämnt fördelade porer med en porstor- lek inom intervallet 50-500 um. 10 15 20 25 30 35 Företrädesvis upptar nämnda kommunicerande porer med en porstorlek inom intervallet 0.1-10 pm 25-75%, lämpligen 40-60% av den totala porvolymen i nämnda åtminstone ett parti av implantatmaterialet.

Företrädesvis har huvuddelen, räknat på volymen, av de ovan nämnda kommunicerande porerna en porstorlek inom intervallet 0.3-8 pm, lämpligen inom intervallet 0.5-5 um.

Företrädesvis täcks ett 10-30%, lämpligen 15-25% av ytan inom nämnda åtminstone ett parti av implantatet av de väsentligen jämnt fördelade porerna med en porstorlek inom intervallet 50-500 pm.

Huvuddelen av de stora porerna i ytskiktet har företrädesvis en storlek inom området 75-400 pm, lämpligare storleken 100-300 pm och mest ändamålsenligt inom intervallet 150-250 pm.

De stora porerna förekommer enligt en utföringsform endast i ett ytskikt av implantatet, varmed förstås ett ytskikt som är 3 mm, företrädesvis 2 mm och lämpligen 0.3 mm tjockt.

Genom att materialet väsentligen saknar - eller åtminstone innehåller en mindre andel av - porer i intervallet 10-50 um kan vid måttliga krav på hållfasthet enligt en annan utföringsform av uppfinningen ändock stora porer förekomma i materialets inre. Enligt denna aspekt på uppfinningen upptas 10-80% av totala porvolymen av de större porerna med en porstorlek inom intervallet 50-500 pm, företrädesvis inom intervallet 75-400 pm, lämpligare inom intervallet 100-300 um och lämpligast inom intervallet 150-250 pm.

Med porstorlek förstås, när det gäller porer med porstorlekar mindre eller lika med 50 pm, storlekar bestämda med traditionell Hg- porosimetri, där relationen mellan pordiameter (2 r) erhålls ur uttrycket _ 2 s cosF, p där I* 10 15 20 25 30 35 (_71 -cø m: p = trycket s = Hg's ytspänning vid aktuell temperatur F = meniskvinkel (randvinkel) (ref L C Ritter and R L Drake, Ind. Eng. Chem. lz 782 (1945)) För porstorlekar överstigande 50 um förstås storlekar erhållna genom optisk bestämning i ljusmikroskåp på ett tvärsnitt av proverna i ett snitt taget på 0,1 pm djup, respektive i ett snitt vinkelrätt provytan. Vidare förstås med uttrycket "den totala porvolymen i materialet" den porvolym som uppmäts genom vatteninträngning.

Uppfinningen kännetecknas alltså av komplexa porstorleksfördelningar, vilket ger möjlighet till optimala kombinationer av hållfasthet och utbildning av mjukvävnad samt gynnsam beninväxt.

Generellt kan sägas att de stora porerna är gynnsamma för beninväxt, medan de små porerna är gynnsamma för utbildning av mjukvävnad, sam- tidigt som de kan fungera som reservoarer för i materialet deponerade lösliga ämnen med specifika medicinska/biologiska funktioner. För att kunna medge gynnsam beninväxt respektive utbildning av mjukvävnad skall både de stora och de små porerna finnas i implantatets yta, åtminstone i ett parti av ytan där man önskar att nämnda funktioner skall vara verksamma. I hela materialet finns vidare de små porerna i ett kommunicerande porsystem för att kunna verka som nämnda reser- voarer för deponerade ämnen, såsom ämnen vilka innehåller kalcium och/eller P04, företrädesvis i form av kalciumfosfatmaterial, exempelvis hydroxylapatit, bentillväxtstimulerande hormon, antiinflammatoriska ämnen, etc.

Implantatet framställs enligt uppfinningen av pulver, som konsolideras till en porös kropp, vilket kan utföras enligt någon i och för sig känd teknik, exempelvis konventionell sintring, kallpressníng följd av hetisostatisk pressning, eller genom nitridering eller liknande.

Sålunda framställs exempelvis ett material av kiselnitrid företrädes-' vis genom nitridering av kiselkorn så att man erhåller så kallad reaktionsbunden kiselnitrid (RBSN), Si3N4. Materialet kan även cv:- n 10 15 20 25 30 35 468 502 innnehålla andra ämnen än Si3N4, men det bör vid val av detta material till åtminstone 80 vikts-% utgöras Si3N4. Bland andra tänkbara material må nämnas kalciumfosfatmaterial, exempelvis hydroxylapatit, Al2O3, titan, SiC, ZrO2, krom, koboltstål, höglegerade rostfria stål, och vissa polymerer. Implantatet kan bestå helt av något av dessa material, eller av blandningar av två eller flera av dessa material, eller huvudsakligen bestå av något av dessa material i kombination med något ytterligare, här icke nämnt material. Det skall vidare nämnas att implantatet kan ha olika sammansättning i olika delar, varvid en del kan vara porös enligt föreliggande uppfinning, medan en annan del kan bestå av ett mer konventionellt material och vara väsentligen porfri. Även kombinationer av partier med olika sammansättning, men var och en porös enligt uppfinningens principer, är också tänkbara.

Porositeten och porstorleksfördelningen hos materialet kan styras via någon eller några av följande tekniker: 1) genom val av ursprunglig kornstorlek hos råvaran 2) genom reglering av processparametrar, tryck, temperatur och tid vid konsolideringen (densifieringen) 3) genom tillsatser i gas eller i råvaran 4) genom efterbearbetning Sålunda erhålls den finare porfraktionen genom styrning av 1) och 2) ovan. Exempelvis avgör - då det är fråga om ett RBSN-material - storleken hos de ursprungliga Si-kornen finporfraktionens porstorlek och fördelning hos utbildad reaktionsbunden kiselnitrid (RBSN), medan de större porerna i ytan företrädesvis åstadkommas genom efterbear- betning enligt 4) ovan. Om man i stället eller i kombination med större porer framställda genom efterbearbetning av ytan även önskar större porer i materialets huvuddel kan detta åstadkommas genom tillsats i råvaran av fibrer, exempelvis polymer, keram eller metall, som avbränns eller lakas bort före eller efter materialets konsoli- dering. Även glasfibrer kan tillsättas, vilka kan utnyttjas som sintringsmedel eller borttagas före eller efter konsolideringen. För framställning av de större porerna i ytskiktet kan speciellt användas- laser och/eller ultraljudbearbetning eller vattenstråleskärning.

Härigenom kan åstadkommas porer med speciellt gynnsam porprofil, som 10 15 20 25 30 35 begränsar spänningskoncentrationerna vid porerna. Genom en sådan teknik, det vill säga val av ej endast porstorlek och djup, utan även av porprofil, kan implantatmaterialet belastas ännu högre än eljest genom att Y-värdet i det brottmekaniska grunduttrycket 1/2 K :YUC lC storleksordningen 1.2-1.4. ,sänks från det teoretiska max-värdet 1.98 till För material framställda genom konsolidering av pulver av olika metaller eller mycket hållfasta keramiska material kan kombinationer av finporositet och grov (makro) porositet erhållas genom något sintringsförfarande som ej drivs till fullständighet följt av en ytarbetning, exempelvis med någon av ovan beskrivna tekniker, för erhållande av makroytporositet. Aktuella material kan här vara Co-Cr stål, Ti-legeringar och keramer, i första hand oxider av aluminium och zirkon samt icke oxidiska material av kiselnitrid och SiAl0N-typ.

Ytterligare kännetecken och aspekter på uppfinningen framgår av följande exempel samt av de efterföljande patentkraven.

KORT FIGURBESKRIVNING I den följande beskrivningen kommer att hänvisas till bifogade ritningsfigurer, av vilka Fig. l visar en axelprotes, med ett parti bestående av ett poröst material enligt uppfinningen, Fíg. 2 visar en höftledprotes, där också ett parti består av ett poröst material enligt uppfinningen, Fig. 3 visar ett dentalt implantat för förankring av tänder i ben, vilket implantat ävenledes uppvisar ett poröst parti enligt uppfinningen, Fig. 4-7 visar schematiskt hur i materialet förekommande ytmakroporerf kan se ut, och. 10 15 20 25 30 35 Fig. 8 utgör ett diagram som visar erforderliga skjuvkraften för utstötning av ett implantat som funktion av inväxttiden.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Exempel 1 Fibrer i form av 1-2 mm långa stycken av en nylonlina med diametern 0.2 mm tillsättes en pulverblandning bestående av zirkoniumoxid innehållande 3 vol-% yttriumoxid. Halten fibrer uppgår till 12 vol-%.

Blandningen trumlas under 2h i en rullkulkvarn med polymerbehållare och sfäriska malkroppar av zirkoniumoxid. Råpresskroppar framställs genom kallpressning vid ett tryck av 250 MPa. Råpresskropparna värmebehandlas för avdrivning av den organiska komponenten, det vill säga av nylonfibrerna. Vid avdrivningen höjs temperaturen 5°C/h upp till 500°C. Den relativt sköra råpresskropp som erhålls, sintras vid l550°C under 3h. Hg-porosimetri visar på porer med en storlek av ca l pm. Optisk granskning i ljusmikroskåp av ett tvärsnitt visar förekomst av stora porer av storleksordningen av cirka 170 pm.

Exempel 2 Aluminiumoxidpulver av en kvalitet med beteckningen AKP30 med en specifik yta (BET) av ca 20 ma/g, motsvarande en kornstorlek < 0.1 pm, pressas till en kubisk provkropp med måtten 10 x 10 x 10 mm. Kroppen, inkapslad i glas, densifieras med hjälp av het isostatisk pressning, så kallad HIP-ning. Densifieringen (konsolideringen) utförs vid 1l50°C under 20 min. Maxtrycket vid topptemperaturen uppgår till 160 MPa.

Porositeten uppmäts genom vatteninträngning till 14.5 vol-%.

Hg-porosimetri visar att huvuddelen, dvs > 90% av porerna ligger i intervallet 0.4-0.7 pm med en medelporstorlek av 0.6 pm, medan < 3% av den totala porvolymen ligger inom intervallet 10-50 pm.

Exempel 3 Till en kiselråvara bestående av kiselpulver av typ Sicomill 4D sättes metylalkohol. Efter lätt trumling avskiljes korn större än 5 pm genom- sedimentering. Resterande kiselråvara består alltså av pulver med kornstorlekar < 5 pm. En råpresskropp med måtten 10 x 5 x 30 mm Cï\ GO 10 15 20 25 30 35 .ÄÃJ framställs genom kall isostatisk pressning med 3 vol-% polyetylen- glykol som presshjälpmedel. Avdrivning av PEG sker genom upphettning ca 10°C/h upp till 400°C. Därefter nitrideras râpresskroppen med kvävgasinnehållande atmosfär i två steg vid l160°C under 5h och vid l400°C under 15h; så att man får en reaktionsbunden kiselnitrid, Si3N4 (RBSN). Den nitriderade kroppen uppvisar 22 vol-% öppen (kommuni- cerande) porositet mätt genom vakuumsugning och vatteninträngning.

Hg-porosimetri visar en mycket snäv porstorleksfördelning med > 90% av den totala porvolymen i intervallet 0.2-1.0 um och med < 3% i inter- vallet 10-50 pm. Av porerna i intervallet 0.2-1.0 um ligger huvuddelen mer bestämt inom intervallet 0.2-0.4 um.

Exempel 4 10 volym-% glasfibrer av CaAl-silikater limmade till diametern 150 um och med längden 1-2 mm tillsättes en kiselnitridråvara med beteck- ningen UBE E10. Blandningen homogeniseras och råpresskroppar fram- ställs på samma sätt som i exempel l. Provkroppar framställs genom sintring av råpresskropparna vid 1800°C under 2h i kvävgasatmosfär i en pulverbädd av grov kiselnitrid. Totalporositeten i provkropparna uppmäts genom vatteninträngning till 11 vol-%. Optisk utvärdering in ljusmikroskåp visar en grovfraktion porer av storleksordningen 150 um.

Exempel 5 Ur plattor av helt tät kiselnitrid innehållande 2 % yttriumoxid och med densiteten 3.22 g/mms framställd genom hetisostatisk pressning vid 1750°C, 160 MPa, lh, tillverkas 20 provstavar med måtten 3.5 x 4.5 x 40 mm för hållfasthetstestning genom utkapning och kant- brytning (45°). Hälften av provstavarna förses med makroporer på ena sidan genom datorstödd laserskärning som ger en schematisk porprofil enligt Fig 5. Hållfasthetsmätningar visar att med 200 um djupa porer och med profil enligt Fig. 5 erhålls en sänkning av medelhållfastheten bestämd genom 4-punkts böjprov från 680 MPa (utan makroporer) till 350 MPa. Medelvärdet 350 indikerar att Y-värdet i ekvationen (1) är lågt.

Med uppmätt brottseghetsvärde av 5.0 Maml/2 motsvarar det ett Y-värde på ca 1.2. 10 15 20 25 30 35 468 502 Exempel 6 Råpresskroppar från exempel 3 förses med ytmakroporer av storleks- ordningen 200 um genom att ytan behandlas med en stämpel med tätt fördelade, utstickande nålar av typ "spikmatta". Nålarna med ett centrumavständ av 400 um gör ett intryck med djupet 200 um. Profilen på intrycken framgår av Fig. 7. Därefter nitríderas proverna på samma sätt som i exempel 3.

Medelhållfastheten för det material utan ytmakroporer som framställes genom exempel 3, bestämd genom 4-punkts böjprov, uppgår till 290 MPa.

Ett material med ytmakroporer framställt genom exempel 1 har en håll- fasthet av 150 MPa bestämd enligt samma 4-punkt böjprov.

Exempel 7 Detta exempel avser ett sätt att tillverka materialet enligt uppfin- ningen. Prover bestående av sintrad zirkoniumoxid med 3 vol-% yttriumoxid och med densiteten 6.07 g/cm: ytbehandlas med ultraljud, varvid används en borkarbidslamma med kornstorlek ca 30 um. Ultra- ljudsverktyg med olika topografi motsvarande porkonfigurationer enligt Fig. 4 och 6 användes.

Exempel 8 Detta exempel avser några tänkbara applikationer för uppfinningen.

Datorstyrd laserskärning kan utnyttjas för applicering av ytmakroporer på tre implantatkomponenter inom områden vilka vid implantatets användning är mekaniskt lågpåkända. Materialet inom dessa områden utgörs av porösa material enligt uppfinningen och har schatterats i Fig. l-3. Dessa komponenter utgörs av - en axelledskomponent, Fig. l - en höftledskomponent (stam), Fig. 2, och - ett dentalimplantat, Fig. 3. Övriga delar av implantaten, dvs de icke schatterade, mer högpåkända partierna, kan bestå av material som är mer konventionella implantatmaterial eller i och för sig av andra okonventionella '- material som uppfyller de specifika krav som ställs på dessa delar av respektive implantat.

CT* (10 CD , l 10 Exempel 9 Av material med ytmakroporer beskrivna i exemplen 3, 5, 6 och 7 tillverkas cylindrar med diametern 2.8 mm och längden 7 mm.

Cylindrarna inopereras i femora på kanin. Efter tre månader offras djuren och erforderliga skjuvkfrafter för utstötning av cylindrarna bestäms med så kallad push-out test. Resultaten finns sammanfattade i tabell 1.

'N Tabell 1 ' Material Skjuvkraft (MPa) Anmärkning RBSN (exempel 3) 2 Utan ytmakroporer RBSN (exempel 6) ll Med ytmakroporer Zirkoníumoxid (exempel 7, porutseende, Fig. 4) 12 Med ytmakroporer Kiselnitrid (exempel 5) 10 Med ytmakroporer Kiselnitrid (referensmaterial) 2 Utan ytmakroporer Exempel 10 Cylindrar med diametern 2.8 mm och längden 7 mm av material enligt exempel 2, det vill säga bestående av finporös aluminiumoxid, ytbehandlas genom laserbearbetning enligt exempel 5 för att skapa komplexa porstorleksfördelningar, nämligen en mikroporös fraktion i hela materialet erhållen vid tillverkningen av cylindrarna och en makroporös ytfraktion. Konfigurationen hos ytmakroporerna överens- stämmer med Fig. 5. I den öppna finporstrukturen utfälls Ca-fosfat genom reaktion mellan kalciumhydroxid och ammoniumvätefosfat. På motsvarande sätt kan andra bentillväxtstimmulerande medel tillsättas i finporstrukturen, t ex bonegrowthfactor eller antíinflammatoriska medel genom t ex frystorkning. De sålunda framställda och behandlade cylindrarna inplanteras i femora i kanin. Djuren offras efter 2, 5 och 8 veckor. Referensmaterial utan deponering av Ca-fosfat. Skjuvkrafter mellan implantat och nybildat ben bestäms genom push-out testning. ' - Resultaten framgår av Fig. 8, som visar skjuvkraften som funktion av inväxttiden (veckor).

U!

Claims

10 15 20 25 30 35 468 502 ll PATENTKRAV

1. Implantat av poröst icke toxiskt material med en total öppen poro- sitet överstigande 5 vol-% men ej överstigande 80 vol-% inom åtminstone ett parti av implantatet, k ä n n e t e c k n a t av - att kommunicerande porer med en porstorlek inom intervallet 0.1-10 pm upptar 10-80 % av den totala porvolymen i nämnda åtmins- tone ett parti av implantatet, - att porer med en porstorlek inom intervallet 10-50 um upptar max 5% av den totala porvolymen i nämnda åtminstone ett parti av implan- tatet, och - att 5-40% av åtminstone ett parti av ytan på implantatet täcks av väsentligen jämnt fördelade porer med en porstorlek inom intervallet so-soo pm.

2. Implantat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda kommunicerande porer med en porstorlek inom intervallet 0.1-10 pm upptar 25-75%, lämpligen 40-60% av den totala porvolymen i nämnda åtminstone ett parti av implantatmaterialet.

3. Implantat enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda kommunicerande porer har en porstorlek inom intervallet 0.3-8 pm, lämpligen inom intervallet 0.5-5 pm.

4. Implantat enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att 10-30%, lämpligen 15-25% av ytan inom nämnda åtminstone ett parti av implan- tatet täcks av porerna med en porstorlek inom intervallet 50-500 pm, vilka porer är väsentligen jämnt fördelade över ytan av nämnda parti.

5. Implantat enligt krav 1 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att huvuddelen av de stora porerna i ytskiktet har en storlek inom orådet 75-400 um, företrädesvis inom området lOO-300 um och lämpligen inom intervallet 150-250 pm.

6. Implantat enligt något av kraven 1, 4 och 5, k ä n n e t e c k - ' n a t av att de stora porerna endast förekommer i ett ytskikt som är 3 mm, företrädesvis 2 mm och lämpligen 0.3 mm tjockt. -P> ()\ Of) 10 15 20 25 30 35 KID ßâ 12

7. Implantat enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t av att 10-80% av totala porvolymen upptas av de större porerna med en porstorlek inom intervallet 50-500 pm.

8. Implantat enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda åtminstone ett parti av implantatet huvudsakligen består av reaktionsbunden kiselnitrid.

9. Implantat enligt något av kraven l-7, k ä n n'e t e c k n a t av att nämnda åtminstone ett parti av implantatet huvudsakligen består av ett flera av kalciumfosfatmaterial, titan, SiC, CrO2, krom, kobolt- stål, höglegerat rostfritt stål och polymer.

10. Implantat enligt något av kraven l-9, k ä n n e t e c k n a t av att de kommunicerande porerna med den mindre porstorleken innehåller deponerade ämnen med önskvärda medicinska och/eller biologiska funktioner.