SE511863C2

SE511863C2 - Implant with microtextured surface, especially for bone tissue

Info

Publication number: SE511863C2
Application number: SE9801188A
Authority: SE
Inventors: Jan Hall; Bengt Kasemo; Staffan Sjoedin
Original assignee: Nobel Biocare Ab
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 1999-12-06
Also published as: SE9801188L; SE9801188D0

Abstract

A well-defined microtextured surface is formed by applying a photoresist layer to the implant whilst spinning at high speed at given time intervals, and then curing using a mask to form the desired pattern. An implant (1) for body tissue, especially bone tissue, is provided with a microtextured surface in at least one region intended to come into contact the tissue, this surface texture being formed by an arrangement of characteristic or discrete dots or units with a well-defined shape and size. The underlying two-dimensional structure formed on the surface comprises all points with a position determined by vectors (R) according to the following equation : R = n1a1 + n2a2 a1, a2 = two vectors in the same plane and characteristic for the surface structure ; and n1, n2 = a whole number which can be negative, positive or equal to zero. An Independent claim is also included for a method of preparing the implant, by applying a photoresist and spinning the implant at a speed of 3000-1000 rpm at given time intervals, forming the desired surface structure by illuminating the photoresist layer after it has dried, and then removing the non-cured photoresist after given light exposure and cooling times to leave behind the surface structure.

Description

15 20 25 30 35 __2 _ 511 863 ytskiktet utgöres av titanhaltigt material och att ytan är mikrogropad, varvid groparna har en diameter som ligger i intervallet 10-1000 nm, företrädesvis 10-300 nm. Det goda resultat som uppnåtts med en sådan yta kan förklaras av att groparean därmed når storleksordningen av celldiame- tern hos den omgivande vävnaden eller några få multipler av denna. The surface layer is made of titanium-containing material and the surface is microgroped, the pits having a diameter in the range 10-1000 nm, preferably 10-300 nm. The good result obtained with such a surface can be explained by the fact that the pit area thereby reaches the order of magnitude of the cell diameter of the surrounding tissue or a few multiples thereof.

De mekaniska, metallurgiska, kemiska eller andra metoder som kan användas för att producera en sådan yta bör vara av det slaget att groparean ligger i nämnda intervall och att groparna bildar ett tätt nätverk, i storleksordningen 5-500 nm.The mechanical, metallurgical, chemical or other methods that can be used to produce such a surface should be of the kind that the pit area is in said range and that the pits form a dense network, in the order of 5-500 nm.

Ytan framställs företrädesvis genom skärande bearbetning, men i patentet anges också att andra produktionsmetoder såsom sintring eller metallförångning i inert gas kan kom- ma ifråga.The surface is preferably produced by cutting machining, but the patent also states that other production methods such as sintering or metal evaporation in inert gas may be considered.

I W0 95/09583 beskrivs en implantatyta som uppvisar ytpo- rer framställda exempelvis genom laserbearbetning av im- plantatmaterialet. Porerna har i detta fall en medeldiame- ter som uppgår till mellan 100 och 200 pm och porerna är omgivna av förhöjningar som sträcker sig upp över den om- givande implantatytan och bildar en rand som helt eller delvis omger poren.WO 95/09583 describes an implant surface which has surface pores prepared, for example, by laser processing of the implant material. The pores in this case have an average diameter of between 100 and 200 μm and the pores are surrounded by elevations which extend up over the surrounding implant surface and form a stripe which completely or partially surrounds the pore.

Ytporerna framställs lämpligen genom termisk etsning eller ultraljudsbearbetning. För den förstnämnda metoden används laser, företrädesvis av typen koldioxid, YAG- eller Exci- merlaser. Genom val av apparatinställning kan önskad geo- metri och mönster erhållas och genom lämplig inställning av tillförd effekt kan förhöjningarna runt porranden ska- pas genom kraterbildning vid framställning av poren, i de fall då materialet är tillräckligt duktilt. Vilka material som är tillräckligt duktila och hur porbildningen skall utföras för att skapa den nämnda kraterbildningen och där- med de önskade förhöjningarna kan enligt patentet bestäm- 10 15 20 25 30 35 _ 3 _ 511 863 mas genom empiriska försök. Det finns dock en begränsning för hur små sådana porer hittills har kunnat göras.The surface pores are conveniently prepared by thermal etching or ultrasonic processing. For the first-mentioned method, lasers are used, preferably of the carbon dioxide, YAG or Excimer laser type. By selecting the device setting, the desired geometry and pattern can be obtained, and by appropriate setting of the applied power, the elevations around the pore edge can be created by crater formation during the production of the pore, in cases where the material is sufficiently ductile. According to the patent, which materials are sufficiently ductile and how the pore formation is to be carried out to create the said crater formation and thus the desired elevations can be determined by empirical experiments. However, there is a limit to how small such pores have been made so far.

I ett exempel som visas i beskrivningen har ytporerna en medeldiameter på ca 150 pm och ett djup i samma storleks- ordning. Runt porernas öppning bildas genom laserbearbet- ning åsformade förhöjningar med en maximal höjd över den omgivande materialytan på ca 5 pm. Medelavståndet mellan ytporerna är ca 120 pm.In an example shown in the description, the surface pores have an average diameter of about 150 μm and a depth of the same order of magnitude. Around the opening of the pores, ridge-shaped elevations are formed by laser processing with a maximum height above the surrounding material surface of approx. 5 μm. The average distance between the surface pores is about 120 μm.

Det är även förut känt att ytbehandla implantat genom blästring, plasmasprutning, etsning etc. Exempel på ytbe- handling medelst blästring finns beskrivna i W0 92/05745 och WO 95/13102. Blästring av implantatytan med ett bläs- tringsmedel där partiklarna har lämplig storlek kan ge en önskad ytråhet. Genom att använda blästringspartiklar av samma material som i implantatytan reduceras ytkontamine- ring med främmande material. Ett implantat av titan eller titanlegering blästras lämpligen med partiklar av en oxid av titan. Sådana partiklar kan dock fortfarande förorena ytan genom att de bär med sig föroreningar från blästerut- rustningen etc.It is also previously known to surface treat implants by blasting, plasma spraying, etching, etc. Examples of surface treatment by blasting are described in WO 92/05745 and WO 95/13102. Blasting the implant surface with a blasting agent where the particles have a suitable size can give a desired surface roughness. By using blasting particles of the same material as in the implant surface, surface contamination with foreign material is reduced. A titanium or titanium alloy implant is suitably blasted with particles of a titanium oxide. However, such particles can still contaminate the surface by carrying contaminants from the blasting equipment, etc.

Exempel på ett plasmasprutförfarande, företrädesvis va- kuumplasmasprutning, finns i EP 0 222 853. Plasmasprutade implantatytor kännetecknas av en jämförelsevis grov struk- tur och en tvättsvampsliknande ytstruktur som är svår att kvantifiera/definiera.Examples of a plasma spraying method, preferably vacuum plasma spraying, can be found in EP 0 222 853. Plasma-sprayed implant surfaces are characterized by a comparatively coarse structure and a sponge-like surface structure which is difficult to quantify / define.

I EP 0 388 576 visas en implantatyta som framställts genom en kombination av blästring och etsning för att skapa en mikrostruktur med porstorlekar på 2 pm och därunder vilken är överlagrad en makrostruktur med porstorlekar på 10 pm och däröver. Enligt patentet uppvisar en sådan implantaty- ta förbättrad retention vid djurförsök.EP 0 388 576 discloses an implant surface made by a combination of blasting and etching to create a microstructure with pore sizes of 2 μm and below which a macrostructure with pore sizes of 10 μm and above is superimposed. According to the patent, such an implant surface shows improved retention in animal experiments.

Gemensamt för de ytor som beskrivits ovan är att topogra- fin hos ytorna är oregelbunden och att de karakteristiska 10 15 20 25 30 35 511 865 parametrar som används för att beskriva yttopografin ifrå- ga utgår från ytans jämnhet. Vanligtvis används någon form av medel- eller maxvärde för att beskriva ytjämnhet. Exem- pel på sådana ytjämnhetsvärden är medelytavvikelse, tio- punktshöjd och max ytavvikelse. Ett annat exempel på yt- jämnhetsangivelse är den funktion som beskriver fördel- ningen av höjdavvikelser från en given ytnivå, samt funk- tionens medelvärde och asymmetri kring medelvärdet.Common to the surfaces described above is that the topography of the surfaces is irregular and that the characteristic 10 15 20 25 30 35 511 865 parameters used to describe the surface topography in question are based on the smoothness of the surface. Usually some form of mean or maximum value is used to describe surface smoothness. Examples of such surface evenness values are mean surface deviation, ten-point height and maximum surface deviation. Another example of surface evenness indication is the function that describes the distribution of height deviations from a given surface level, as well as the function's mean value and asymmetry around the mean value.

Kännetecknande för de tillverkningsmetoder som används, dvs blästring, etsning och plasmasprutning, är att de re- sulterar i ytor med en oregelbunden topografi som inte kan beskrivas entydigt på mikrometer- och submikrometernivå.Characteristic of the manufacturing methods used, ie blasting, etching and plasma spraying, is that they result in surfaces with an irregular topography that cannot be unambiguously described at the micrometer and submicrometer level.

Framställningen av sådana ytor kan därför sägas vara kon- trollerad endast i termer av ytjämnhet. Således är oregel- bundna ytor inte entydigt definierade med avseende på to- pografin.The production of such surfaces can therefore be said to be controlled only in terms of surface smoothness. Thus, irregular surfaces are not unambiguously defined with respect to topography.

För att en yttopografi skall kunna beskrivas entydigt och i detalj krävs att den har regelbundenhet. Med regelbun- denhet menas att de topografiska och kemiska egenskaper som givits ytan uppträder som enheter ordnade i ett välde- finierat förhållande på ytan. Förhållandet mellan enheter- na skall kunna definieras entydigt.In order for a surface topography to be described unambiguously and in detail, it is required that it has regularity. By regularity is meant that the topographical and chemical properties given to the surface appear as units arranged in a well-defined relationship on the surface. The relationship between the units must be unambiguously defined.

En förutsättning för ett kliniskt väl fungerande implantat är att det är väl förankrat i den omgivande vävnaden. Det förlopp som leder fram till förankring bestäms av växel- verkan mellan implantatytan och den omgivande vävnaden un- der inläkningsfasen. Det är känt att de mekanismer som styr denna växelverkan äger rum på såväl molekylär- som protein-, cell- och vävnads/systemnivå. För att systema- tiskt kunna studera sådana mekanismer är det därför nöd- vändigt att implantatytan ges väldefinierade fysikaliska och kemiska egenskaper i välordnade strukturer på mikrome- ter- och submikrometernivå. Sådana egenskaper kan med mo- dern teknik tillföras ytan i välordnade strukturer med stor noggrannhet. 10 15 20 25 30 35 511 863 Av ovanstående diskussion följer att växelverkan mellan benvävnad och ett implantat med en oregelbunden struktur är ospecifik med avseende på yttopografi och/eller ytkemi.A prerequisite for a clinically well-functioning implant is that it is well anchored in the surrounding tissue. The process leading to anchoring is determined by the interaction between the implant surface and the surrounding tissue during the healing phase. It is known that the mechanisms that control this interaction take place at the molecular as well as protein, cell and tissue / system levels. In order to be able to systematically study such mechanisms, it is therefore necessary that the implant surface is given well-defined physical and chemical properties in well-ordered structures at the micrometer and submicrometer level. With modern technology, such properties can be applied to the surface in well-ordered structures with great accuracy. 10 15 20 25 30 35 511 863 It follows from the above discussion that the interaction between bone tissue and an implant with an irregular structure is non-specific with respect to surface topography and / or surface chemistry.

Ett inläkningsförlopp som är specifikt med avseende på yt- struktur är endast möjligt om yttopografin och/eller ytke- min är regelbunden.A healing process that is specific with respect to surface structure is only possible if the surface topography and / or surface chemistry is regular.

De mekaniska tillverkningsmetoderna såsom skärande bear- betning och blästring av ytan är normalt mindre välkon- trollerade än de kemiska, elektrokemiska eller laserbase- rade metoderna. De mest kontrollerbara metoderna är de li- tografiska (elektron- och fotolitografiska) eller derivat av dessa metoder, exempelvis s.k. "stamping", med vilka man mer i detalj kan kontrollera mönsterstorlek, mönster- djup mm. Dessa metoder utnyttjar oftast någon typ av et- steknik (torrkemisk, elektrokemisk eller våtkemisk) för att ta fram den önskade strukturen eller "stämplar" som tagits fram med litografisk teknik. De laserbaserade meto- derna är naturligtvis intressanta då man önskar en mer de- taljerad kontroll av framställningen, men de har för när- varande en lägre variationsrikedom än de litografiska me- toderna, framför allt när det gäller små strukturer, min- dre än 10-100 pm. Fördelen med de båda sistnämnda metoder- na är bl.a. att framtagningen av de önskade strukturerna kan ske i ett enda steg.The mechanical manufacturing methods such as cutting and blasting of the surface are normally less well controlled than the chemical, electrochemical or laser-based methods. The most controllable methods are the lithographic (electron and photolithographic) or derivatives of these methods, for example so-called "stamping", with which you can check pattern size, pattern depth etc. in more detail. These methods usually use some type of etching technique (dry chemical, electrochemical or wet chemical) to produce the desired structure or "stamps" produced by lithographic technique. The laser-based methods are of course interesting when a more detailed control of the production is desired, but they currently have a lower range of variation than the lithographic methods, especially in the case of small structures, less than 10 -100 pm. The advantage of the two latter methods is i.a. that the production of the desired structures can take place in a single step.

Men även för de laserbaserade tillverkningsmetoderna gäl- ler att det hittills har saknats en tillräckligt väldefi- nierad strukturbestämning hos de framställda ytorna även om de i sig ger en mer väldefinierad struktur än exempel- vis blästring eller plasma-coating av ytan. I den laserbe- arbetningsmetod som beskrivs i WO 95/09583 framgår av det exempel som visas där hur en laserstråle vid en speciell apparatinställning förflyttades fram och tillbaka över en testyta. Här talas om ytporer med en medeldiameter på ca 150 pm och ett medelavstånd mellan ytporerna på ca 120 pm, vilket inte är någon tillräckligt entydig beskrivning av 10 15 20 25 30 35 _ 5._ 511 863 ytstrukturen. Dimensionerna är också relativt stora.However, even for the laser-based manufacturing methods, there has so far been a lack of a sufficiently well-defined structure determination of the produced surfaces, even though they in themselves provide a more well-defined structure than, for example, blasting or plasma coating of the surface. In the laser processing method described in WO 95/09583, the example shown shows how a laser beam was moved back and forth over a test surface at a special device setting. Here we are talking about surface pores with an average diameter of about 150 μm and an average distance between the surface pores of about 120 μm, which is not a sufficiently unambiguous description of the surface structure. The dimensions are also relatively large.

Förutom att bristen på en entydig strukturbeskrivning omöjliggör en detaljerad kontroll av framställningsmetoden så resulterar denna brist också i att de mekanismer som styr växelverkan mellan implantat och den omgivande vävna- den aldrig kan beskrivas fullständigt. Ytornas ospecifika karaktär har som konsekvens att klinisk behandling med im- plantat som framställts med någon av de ovan nämnda meto- derna alltid resulterar i ett inläkningsförlopp som är ospecifikt med avseende på ytans struktur, eftersom de me- kanismer som styr växelverkan mellan implantatytan och den omgivande vävnaden aldrig kan förutsägas. Därför blir en klinisk behandling med sådana implantatytor heller aldrig så förutsägbar som vore önskvärt.In addition to the lack of an unambiguous structural description making a detailed control of the manufacturing method impossible, this lack also results in the mechanisms that control the interaction between implants and the surrounding tissue never being fully described. The non-specific nature of the surfaces has the consequence that clinical treatment with implants prepared by any of the above methods always results in a healing process that is non-specific with respect to the surface structure, since the mechanisms that control the interaction between the implant surface and the surrounding tissue can never be predicted. Therefore, a clinical treatment with such implant surfaces will never be as predictable as would be desirable.

Vidare är en väldefinierad och regelbunden ytstruktur en nödvändig förutsättning för att man på ett systematiskt och välkontrollerat sätt också skall kunna studera ytors växelverkan med den omgivande vävnaden och utvärdera vilka ytor som är optimala.Furthermore, a well-defined and regular surface structure is a necessary prerequisite for being able to study the interaction of surfaces with the surrounding tissue in a systematic and well-controlled manner and evaluate which surfaces are optimal.

Det är således av fundamental betydelse för utvecklingen inom implantatområdet att ytor framställs med väldefinie- rade strukturer.It is thus of fundamental importance for the development within the implant area that surfaces are produced with well-defined structures.

Det är förut känt att i liknande sammanhang framställa sk mikrofabricerade implantatytor där yttopografin bildar ett mer eller mindre regelbundet mönster och där topografin hos ytan kan sägas ha en i viss mån väldefinierad karak- tär. Ett exempel på en sådan yta visas i US 4,865,603 var- vid "the micro-texture is created by sequentially forming two sets of recesses in the outer surface of the prosthe- sis". Figurerna 6, 7 och 8 visar exempel på hur en sådan struktur kan framställas. Det står också i patentet att ett ändamål är att åstadkomma "readily controlled proces- ses" för en sådan ytstruktur. Det talas som exempel om "configured casting, machine tooling, knurling tool", men 10 15 25 30 35 511 863 även metoder som "electro-chemical milling, laser metal removal techniques and the like" omnämns.It is previously known to produce so-called microfabricated implant surfaces in similar contexts where the surface topography forms a more or less regular pattern and where the topography of the surface can be said to have a somewhat well-defined character. An example of such a surface is shown in US 4,865,603 where "the micro-texture is created by sequentially forming two sets of recesses in the outer surface of the prosthesis". Figures 6, 7 and 8 show examples of how such a structure can be produced. The patent also states that one purpose is to provide "readily controlled processes" for such a surface structure. Examples are mentioned as "configured casting, machine tooling, knurling tool", but methods such as "electro-chemical milling, laser metal removal techniques and the like" are also mentioned.

Ett resultat som åstadkommits med metoden visas i paten- tets figur 16 och det framgår där att den producerade ytan har en komplex topografi "resembling ploughed ground". Även om ytan kan sägas vara mikrofabricerad är detta inte någon väldefinierad, väl kontrollerbar och reproducerbar yta enligt vår definition på en sådan yta. Mikrostrukturen kan inte heller varieras på ett systematiskt, kontroller- bart sätt, exempelvis med avseende på djup/bredd och av- stånd mellan olika mikrostrukturelement.A result obtained with the method is shown in Figure 16 of the patent and it appears there that the produced surface has a complex topography "resembling plowed ground". Although the surface can be said to be microfabricated, this is not a well-defined, well-controllable and reproducible surface according to our definition of such a surface. The microstructure can also not be varied in a systematic, controllable way, for example with regard to depth / width and distance between different microstructure elements.

Det är även i samband med olika typer av mjukvävnadsim- plantat, såsom katetrar etc., känt att framställa geome- triska mönster på implantatytan eller förse ytan med ett tunt skikt som uppvisar en mer eller mindre jämn "mikrofa- bricerad" ytstruktur. I exempelvis EP 0 359 575 görs ett försök att definiera en sådan ytstruktur med hjälp av pa- rametrar såsom "mean bridging distance" och "mean bre- adth". Önskat mönster framställs genom CAD program på en master-kopia och reproduceras på fotoresistiv väg. Av den SEM-bild som visas i figur l framgår emellertid att inte heller denna metod ger någon väldefinierad och reproducer- bar mikrostruktur enligt vår definition.It is also known in connection with various types of soft tissue implants, such as catheters, etc., to produce geometric patterns on the implant surface or to provide the surface with a thin layer which has a more or less even "microfabricated" surface structure. In EP 0 359 575, for example, an attempt is made to define such a surface structure by means of parameters such as "mean bridging distance" and "mean width". The desired pattern is produced by CAD program on a master copy and reproduced by photoresist. However, the SEM image shown in Figure 1 shows that this method also does not provide a well-defined and reproducible microstructure according to our definition.

Slutligen hänvisas också till WO 92/22336 som beskriver en metod för framställning av en mikrostruktur hos ett biore- sorberbart material medelst en excimerlaser som opererar med en bestämd våglängd anpassad till det resorberbara ma- terialet. Denna metod är dock inte utan vidare tillämpbar på ett metalliskt implantat avsett att installeras i ben- vävnad, exempelvis ett tandimplantat, I publikationen Lewis News, March 1996, beskrivs hur tek- niken med mikrofabricering kan tillämpas på ett skruvfor- mat tandimplantat (fixtur) - för övrigt en spinoff effekt av det amerikanska Cassiniprojektet. 10 15 20 30 35 511 863 Av de exempel som visas i publikationen framgår att "dee- ply ridged texture" har kunnat framställas. Det framgår dock inte av denna publikation huruvida den struktur som man har fått fram är reproducerbar eller ej. De enskilda delarna i strukturen, ytoregelbundenheterna, tycks vara slumpmässiga och återkommer ej med någon synbar periodici- tet. En sådan "microtexture" uppfyller därför inte heller de krav vi ställer på en väldefinierad och reproducerbar yta som kan ge klinisk signifikans.Finally, reference is also made to WO 92/22336 which describes a method for producing a microstructure of a bioresorbable material by means of an excimer laser operating at a certain wavelength adapted to the resorbable material. However, this method is not readily applicable to a metallic implant intended to be installed in bone tissue, for example a dental implant. The Lewis News publication, March 1996, describes how the microfabrication technique can be applied to a helical dental implant (fixture). - by the way, a spinoff effect of the American Cassini project. 10 15 20 30 35 511 863 From the examples shown in the publication it appears that "deeply ridged texture" has been produced. However, it is not clear from this publication whether the structure that has been developed is reproducible or not. The individual parts of the structure, the surface irregularities, appear to be random and do not recur with any visible periodicity. Such a "microtexture" therefore also does not meet the requirements we place on a well-defined and reproducible surface that can provide clinical significance.

Med en väldefinierad yta menas nämligen i detta sammanhang att ytan entydigt kan beskrivas, även i detalj. För det fall att ytan kännetecknas av porer eller gropar skall varje individuell grop eller por vara bestämd till sin storlek och position. Om det finns variationer i exempel- vis pordjup, poravstånd etc. så skall dessa variationer kunna preciceras matematiskt.By a well-defined surface is meant in this context that the surface can be unambiguously described, even in detail. In the event that the surface is characterized by pores or pits, each individual pit or pore must be determined by its size and position. If there are variations in, for example, pore depth, pore distance, etc., it must be possible to specify these variations mathematically.

De enskilda delarna i mikrostrukturen kan utgöras av ore- gelbundenheter i ytan såsom fördjupningar (gropar, porer), upphöjningar, longitudinella, transversella, diagonala el- ler korsande fåror, skruvgängor, spiralfåror och andra hå- ligheter. Även mer komplicerade former kan komma ifråga, exempelvis rektangulära eller stjärnformiga upphöjningar eller fördjupningar. Gemensamt för dessa oregelbundenheter är att de skall ha en diskret, reproducerbar form, de skall ingå i ett mönster och återkomma med en viss perio- dicitet. Detta kan uttryckas som så att ytan lokalt skall se exakt likadan ut om den betraktas från ekvivalenta punkter. Exempelvis skall mittzonen hos en gänga se lika- dan ut, eller variera på ett förutbestämt sätt, om man följer gängan runt skruven. Detta innebär sammanfattnings- vis att mikrostrukturen skall vara så välkontrollerad och välprogrammerad att man kan upprätta en topografisk och/eller kemisk karta över ett enskilt implantat och att denna karta upprepas från implantat till implantat med en viss angiven precision. 10 15 20 25 30 35 511 865 Ändamålet med denna uppfinning är att åstadkomma en sådan kontrollerad ytstruktur som beskrivits ovan hos ett im- plantat avsett för installation i benvävnad. Ytstrukturen skall vara så väldefinierad och så utformad att den möj- liggör en förutsägbar klinisk behandling med implantatet, under förutsättning att andra saker vid implantatinstalla- tionen, såsom kirurgi etc., utförs på samma kontrollerade sätt.The individual parts of the microstructure can consist of irregularities in the surface such as depressions (pits, pores), elevations, longitudinal, transverse, diagonal or intersecting grooves, screw threads, spiral grooves and other cavities. Even more complicated shapes can be considered, for example rectangular or star-shaped elevations or depressions. Common to these irregularities is that they must have a discreet, reproducible form, they must be part of a pattern and return with a certain periodicity. This can be expressed as meaning that the surface locally will look exactly the same if viewed from equivalent points. For example, the center zone of a thread should look the same, or vary in a predetermined way, if you follow the thread around the screw. In summary, this means that the microstructure must be so well controlled and well programmed that a topographical and / or chemical map of an individual implant can be drawn up and that this map is repeated from implant to implant with a certain specified precision. The object of this invention is to provide such a controlled surface structure as described above of an implant intended for installation in bone tissue. The surface structure must be so well defined and designed that it enables a predictable clinical treatment with the implant, provided that other things at the implant installation, such as surgery, etc., are performed in the same controlled manner.

Enligt uppfinningen åstadkommes detta genom att ytstruktu- ren utgöres av ett arrangemang av diskreta punkter eller element vilka är så lokaliserade att ytans struktur ser exakt likadan ut oavsett från vilken punkt eller enhet den betraktas (periodisk struktur) eller att punkternas loka- lisering eller elementens form och/eller storlek varierar på ett förutbestämt sätt över ytan (aperiodisk struktur).According to the invention, this is achieved in that the surface structure consists of an arrangement of discrete points or elements which are so localized that the structure of the surface looks exactly the same regardless of which point or unit it is viewed from (periodic structure) or that the location of the points or the shape of the elements and / or size varies in a predetermined manner across the surface (aperiodic structure).

I sin enklaste form är en sådan struktur helt periodisk.In its simplest form, such a structure is completely periodic.

Den liknar strukturen hos en kristall där enhetscellen hos kristallen återkommer med en viss periodicitet. Hos en kristall utgöres enheterna av enskilda eller grupper av atomer eller molekyler. Hos en implantatyta kan sådana en- heter utgöras av den form av oregelbundenheter i ytan som beskrivits ovan, eller materialöar, öar av proteiner, bio- molekyler etc. Oavsett enheternas fysikaliska och kemiska natur så är den underliggande, periodiskt upprepade struk- turen emellertid alltid densamma.It is similar to the structure of a crystal where the unit cell of the crystal returns with a certain periodicity. In a crystal, the units consist of individuals or groups of atoms or molecules. In an implant surface, such units may be in the form of irregularities in the surface described above, or material islands, islands of proteins, biomolecules, etc. Regardless of the physical and chemical nature of the units, the underlying, periodically repeated structure is always the same.

Vid en aperiodisk ytstruktur kan strukturelementens form och storlek varieras på olika delar av implantatet, exem- pelvis från gänga till gänga på ett skruvformat implantat.In an aperiodic surface structure, the shape and size of the structural elements can be varied on different parts of the implant, for example from thread to thread on a screw-shaped implant.

Karakteristiska enheter hos ytan kan exempelvis vara de oregelbundenheter i ytan eller de materialöar som exempli- fierats ovan. Nämnda arrangemang av enheter kan utgöras av "öar" eller diskreta områden vilka i sig kan bilda ett mönster eller konfiguration som är överlagrad den under- 10 15 20 25 30 35 _ 10 _ 511 865 liggande strukturen.Characteristic units of the surface can be, for example, the irregularities in the surface or the material islands exemplified above. Said arrangement of units may consist of "islands" or discrete areas which in themselves may form a pattern or configuration which is superimposed on the underlying structure.

Från en annan aspekt kan uppfinningen definieras medelst vektorgeometri. Den underliggande, tvådimensionella struk- tur som bygger upp ytans struktur består av alla punkter vilka positionsbestäms av vektorer R där R = Ûlal + nzaz där al och az är två för strukturen karakteristiska vekto- rer i samma plan och nl och n2 är heltal som kan vara ne- gativa, positiva eller noll.From another aspect, the invention can be defined by vector geometry. The underlying, two-dimensional structure that makes up the structure of the surface consists of all points which are positioned by vectors R where R = Ûlal + nzaz where a1 and az are two vectors characteristic of the structure in the same plane and n1 and n2 are integers that can be negative, positive or zero.

Sålunda nås punkten R = nlal + n2a2 med en förflyttning nl steg med längden al i riktning al och n2 steg i riktning a2_ När n är ett negativt heltal betyder n steg i riktning al eller az n steg i motsatt riktning. Den punkt som nås beror inte på i vilken ordning stegen nl + n2 tas.Thus the point R = nlal + n2a2 is reached with a displacement nl steps with the length a1 in the direction a1 and n2 steps in the direction a2_ When n is a negative integer, n steps in the direction a1 or az n means steps in the opposite direction. The point reached does not depend on the order in which steps nl + n2 are taken.

Uppfinningen avser också ett sätt att framställa en sådan implantatytayta, företrädesvis medelst ett fotolitogra- fiskt förfarande.The invention also relates to a method of producing such an implant surface, preferably by means of a photolithographic method.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas under hänvisning till bifogade ritningar där fig 1 visar ett skruvformat implantat vars yta skall för- ses med en mikrostruktur enligt uppfinningen, fig 2 visar principen för påförande av en resist på im- plantatet, fig 3 visar hur resist "skruvas av" medelst en blåsmetod, fig 4 visar principen för exponering, och 10 15 20 25 30 35 511 863 fig 5-27 visar ett antal SEM-bilder med mikromönster fram- ställda enligt uppfinningen.In the following the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings where Fig. 1 shows a screw-shaped implant whose surface is to be provided with a microstructure according to the invention, Fig. 2 shows the principle of applying a resist to the implant, Fig. 3 shows how resist "unscrewed" by means of a blowing method, Fig. 4 shows the principle of exposure, and Figs. 5-27 show a number of SEM images with micro-patterns produced according to the invention.

Oavsett vilken typ av enheter (gropar, upphöjningar, ma- terialöar e. dyl.) som bygger upp ytstrukturen så skall dessa enheter repeteras, dvs återkomma med en viss förut- bestämd periodicitet. För det fall att ett visst område av en implantatyta påföres en konfiguration (mönster) enligt figuren l så skall samma konfiguration påföras nästa im- plantat i samma område. Eller, i varje fall skall den för- ändring som görs i uppbyggnaden av strukturen mellan två implantatytor vara välbestämd och beskrivbar. Detta är en förutsättning för att de mekanismer som styr växelverkan mellan implantat och den omgivande vävnaden skall kunna studeras systematiskt.Regardless of the type of units (pits, elevations, material islands, etc.) that build up the surface structure, these units must be repeated, ie return with a certain predetermined periodicity. In the event that a certain area of an implant surface is applied to a configuration (pattern) according to Figure 1, the same configuration shall be applied to the next implant in the same area. Or, in any case, the change made in the structure of the structure between two implant surfaces must be well-defined and descriptive. This is a prerequisite for the mechanisms that control the interaction between implants and the surrounding tissue to be able to be studied systematically.

För att kunna fastställa en korrelation mellan ytstruktur och vävnadssvar är det viktigt att kunna göra kontrollera- de ytmodifieringar på titanimplantat och studera dessa i djurförsök.In order to be able to establish a correlation between surface structure and tissue response, it is important to be able to make controlled surface modifications on titanium implants and study these in animal experiments.

Försök har visat att det under vissa omständigheter är möjligt att framställa väldefinierade periodiska ytstruk- turer på en implantatyta. De metoder som därvid bedömts vara möjliga baseras framför allt på tre olika principer, nämligen mekanisk framställning av ett mönster, selektiv kemisk etsning och direkt mönstring med laserljus. Dessut- om finns det kombinationer mellan dessa. Flera av metoder- na är i sig väl etablerade tekniker inom exempelvis mikro- elektronikindustrin.Experiments have shown that under certain circumstances it is possible to produce well-defined periodic surface structures on an implant surface. The methods that have been judged to be possible are based above all on three different principles, namely mechanical production of a pattern, selective chemical etching and direct patterning with laser light. In addition, there are combinations between these. Several of the methods are in themselves well-established techniques in, for example, the microelectronics industry.

Hittills har två metoder använts för att modifiera yt- strukturen hos titanprover, nämligen fotolitografi (kemisk etsning) och laserablation. De inledande försöken gjordes på cylindriska prover. Med fotolitografisk teknik produce- rades strukturer som låg i storleksintervallet 8-12 pm i diameter. Vid en efterföljande etsning i 1% HF producera- 10 15 20 25 30 35 _ 12 _ 511 865 des gropar vars djup låg på 1-3 pm. För att kunna utföra samma struktur på titanskruvar (fixturer) har en serie försök gjorts för att få ett jämntjockt resistskikt. Genom att efter applicerandet av resisten spinna skruven med rätt hastighet kan detta uppnås. På detta sätt har struk- turer i storleksintervallet 8-12 pm i diameter fram- ställts. Även laserablation har provats på både cylindrar och skru- var. Resultatet av dessa inledande försök visar att laser- ablation kan användas för att direkt producera ett mönster på cylindern eller skruven. De storlekar som därvid upp- nåddes hos de producerade strukturerna under en dags tes- tande låg inom två olika storleksintervall, nämligen strukturer med en diameter på 100 pm och ett djup på 1-10 pm, respektive strukturer med en diameter på 20 pm och ett djup på 20-100 pm. Genom en ytterligare fininställning av den bearbetande laserstrålen bedöms strukturer med en dia- meter inom storleksintervallet 10-20 pm och ett djup på 1- 5pm kunna uppnås.To date, two methods have been used to modify the surface structure of titanium samples, namely photolithography (chemical etching) and laser ablation. The initial experiments were performed on cylindrical samples. With photolithographic technology, structures that were in the size range of 8-12 μm in diameter were produced. In a subsequent etching in 1% HF, pits were produced, the depth of which was 1-3 .mu.m. In order to be able to perform the same structure on titanium screws (fixtures), a series of attempts have been made to obtain an evenly thick resist layer. By spinning the screw at the right speed after the application of the resistor, this can be achieved. In this way, structures in the size range 8-12 μm in diameter have been produced. Laser ablation has also been tested on both cylinders and screws. The results of these initial experiments show that laser ablation can be used to directly produce a pattern on the cylinder or screw. The sizes thus obtained in the produced structures during one day of testing were within two different size ranges, namely structures with a diameter of 100 μm and a depth of 1-10 μm, and structures with a diameter of 20 μm and a depth of 20-100 pm. By further fine-tuning the processing laser beam, structures with a diameter within the size range of 10-20 pm and a depth of 1- 5 pm can be achieved.

Figur 1 visar den geometriska utformningen av ett skruv- format titanimplantat 1 av det slag som företrädesvis an- vändes för permanent förankring av tänder och tandbroar.Figure 1 shows the geometric design of a screw-shaped titanium implant 1 of the type which is preferably used for permanent anchoring of teeth and dental bridges.

Implantatet har en i huvudsak cylinderformad kropp med en yttre gänga 2. Dess apikala del 3 är utformad med skär 4 och urtagningar 5 för att göra skruven mer eller mindre självgängande vid installation i benvävnaden. Den motsatta änden hos skruven är försedd med en fläns 6 och ett huvud 7 i form av en verktygsfattning, exempelvis en sexkant. En typisk diameter på skruven är 3,75 mm och längden kan ex- empelvis vara 7 mm, 10 mm osv. Implantat av det här slaget är förut kända och kommer därför ej att beskrivas närmare här.The implant has a substantially cylindrical body with an outer thread 2. Its apical part 3 is formed with inserts 4 and recesses 5 to make the screw more or less self-tapping when installed in the bone tissue. The opposite end of the screw is provided with a flange 6 and a head 7 in the form of a tool socket, for example a hexagon. A typical diameter of the screw is 3.75 mm and the length can be, for example, 7 mm, 10 mm and so on. Implants of this kind are previously known and will therefore not be described in more detail here.

När implantatet fästes i exempelvis käkbenet är det vik- tigt att det växer fast och att det sker så snabbt som möjligt. Titan har visat sig vara ett material som funge- 10 15 20 25 30 35 '”“ 511 ses rar väl i det avseendet. För att få implantatet att snab- bare växa fast i benvävnaden och sedan sitta kvar bättre ges den gängade ytan en kontrollerad struktur genom mikro- mönstring medelst fotolitografi och en efterföljande våt- etsning i fluorvätesyra.When the implant is attached to, for example, the jawbone, it is important that it grows firmly and that it is done as quickly as possible. Titanium has proven to be a material that works well in that regard. In order to make the implant grow faster into the bone tissue and then remain better, the threaded surface is given a controlled structure by micro-patterning by means of photolithography and a subsequent wet etching in hydrofluoric acid.

I Ann Wennerberg, PhD thesis, Dept. of Biomaterials/Handi- cap Research, GU, April 1996, "On Surface Roughness and Implant Incorporation" har det visats att integrationshas- tigheten med benet påverkas av implantatets ytråhet. För att kunna definiera ytråheten läggs en tänkt plan yta på den verkliga så att halva arean är ovanför och halva under den tänkta ytan. Ur detta beräknas medelvärdet av avstån- detn från den verkliga till den tänkta ytan. Detta medel- värde benämns Sa och är närmare beskrivet i nämnda avhand- ling. De omodifierade fabrikstillverkade skruvimplantaten som användes vid försöken nedan har ett Sa-värde på unge- fär 0,5 pm.In Ann Wennerberg, PhD thesis, Dept. of Biomaterials / Handicap Research, GU, April 1996, "On Surface Roughness and Implant Incorporation", it has been shown that the integration speed with the bone is affected by the surface roughness of the implant. In order to be able to define the surface roughness, an imaginary flat surface is laid on the real one so that half the area is above and half below the imaginary surface. From this, the average value of the distance from the actual to the imaginary surface is calculated. This mean value is called Sa and is described in more detail in the said dissertation. The unmodified factory-made screw implants used in the experiments below have an Sa value of approximately 0.5 μm.

De olika stegen för utförande av av mikrostruktureringen var: Rengöring - applicering av fotoresist - mjukbakning - exponering - framkallning - hårdbakning - etsning och av- lägsnande av kvarvarande resist. Appliceringen av fotore- sisten kan ske genom någon i och för sig känd metod, såsom spinning, blåsning, sprutmålning eller elektroplätering.The various steps for performing the microstructuring were: Cleaning - application of photoresist - soft baking - exposure - development - hard baking - etching and removal of residual resist. The photoresist can be applied by any method known per se, such as spinning, blowing, spray painting or electroplating.

Fotolitografi är en vanlig metod för att ge plana ytor en kontrollerad struktur i storleksordningen från någon pm till några cm. Processen sker i ett antal steg: 1) En fotoresist (ljuskänslig polymer) appliceras jämnt över ytan på substratet. Den bakas (värms) sedan lätt för att avlägsna rester av lösningsmedel och för att lägga re- sisten till rätta. 2) Ytan, med resist, belyses med uv-ljus. En s.k. mask med det mönster som önskas skuggar provet och på så vis över- 10 15 20 25 30 35 _ 14 _ 511 865 förs mönstret från masken till provytan. 3) Mönstret i resisten framkallas med en framkallningsvät- ska som avlägsnar resisten i de belysta regionerna för po- sitiv resist och vice versa för negativ resist. 4) En bakning görs för att fixera resisten och göra den tålig mot ljus samt kemisk och mekanisk påverkan. 5) Substratet kan nu modifieras på de ytor där resisten har avlägsnats. Det kan t.ex. gälla etsning eller belägg- ning med nytt material på ytan.Photolithography is a common method of giving flat surfaces a controlled structure on the order of a few μm to a few cm. The process takes place in a number of steps: 1) A photoresist (light-sensitive polymer) is applied evenly over the surface of the substrate. It is then baked (heated) lightly to remove solvent residues and to correct the residue. 2) The surface, with resist, is illuminated with UV light. A s.k. mask with the desired pattern shading the sample and thus transfer the pattern from the mask to the sample surface. 3) The pattern in the resist is developed with a developing liquid that removes the resistance in the illuminated regions for positive resist and vice versa for negative resist. 4) A baking is done to fix the resistance and make it resistant to light as well as chemical and mechanical influences. 5) The substrate can now be modified on the surfaces where the resistance has been removed. It can e.g. apply etching or coating with new material on the surface.

För att kunna använda metoden på komplicerade geometrier såsom skruvar måste den modifieras för att få en jämn re- sistbeläggning med god vidhäftning på skruven. Exempelvis medför det faktum att skruven är cylindrisk att den måste exponeras en bit i taget med rotation däremellan, eller att mönstret med avancerad optik får projiceras runt om samtidigt.In order to be able to use the method on complicated geometries such as screws, it must be modified to obtain an even resistance coating with good adhesion to the screw. For example, the fact that the screw is cylindrical means that it must be exposed a bit at a time with rotation in between, or that the pattern with advanced optics may be projected around at the same time.

I det följande beskrivs steg för steg en metod för resist- beläggning och den utrustning som använts. 1. Förbehandling (tvättninql Implantatskruvar av varierande längd, 10 mm till 18 mm, men med samma diameter, 3,75 mm, användes. Skruvarna tvät- tades med aceton, isopropanol, metanol och vatten eller med aceton, metanol och etanol för att sedan blåsas torra med kvävgas. Tvättningen utfördes i ultraljudsbad i 2 till 3 min med respektive vätska. Vissa av implantatskruvarna, som låg i obrutna förpackningar, tvättades inte alls. Ef- ter att ett Sa (medeldjup) på 1,5 pm uppnåtts med separata gropar och en hygglig täckning startades försöken med de för ändamålet specialgjorda skruvarna. Implantatytans ren- het påverkar framför allt fotoresistens vidhäftning. Re- sisten lossnar under våtetsningen om den initiala renheten 10 15 20 25 30 35 _ 15 _ 511 863 ej är tillfredsställande. 2. Påförande av resist En positiv fotoresist vid namn S1813 från Shipley använ- des. Vid spädning utnyttjades ett speciellt förtunningsme- del, för att få ett så jämntjockt resistlager som möjligt tes- "p-thinner", också från Shipley. Tre olika metoder tades, nämligen spinning, sprutmålning och kväveblås.In the following, step by step, a method for resist coating and the equipment used is described. Pre-treatment (washing Implant implants of varying length, 10 mm to 18 mm, but with the same diameter, 3.75 mm, were used. The screws were washed with acetone, isopropanol, methanol and water or with acetone, methanol and ethanol to then The drying was carried out in an ultrasonic bath for 2 to 3 minutes with the respective liquid. Some of the implant screws, which were in unbroken packages, were not washed at all. After a Sa (average depth) of 1.5 μm was reached with separate pits and a decent coverage, the experiments were started with the screws specially made for the purpose.The purity of the implant surface mainly affects the adhesion of the photoresist.The resist comes loose during the wet etching if the initial purity 10 15 20 25 30 35 _ 15 _ 511 863 is not satisfactory. Application of resist A positive photoresist named Sip13 from Shipley was used, and a special thinner was used for dilution to obtain as uniform a layer of resist as possible. kså from Shipley. Three different methods were used, namely spinning, spray painting and nitrogen blowing.

Dessutom undersöktes vissa kombinationer av dessa metoder. a) Spinning: Skruvarna doppades i resist varefter de rote- (3.000-10.000 varv/min) för att sprida ut resisten till ett tunt och jämnt lager. Här ut- rades i hög hastighet nyttjades en konventionell spinner med en maximal spinn- hastighet på ca. 10.500 varv/min. I figur 2 visas den hål- lare 8 med en liten centrerad tapp 9 som implantatskruvar- na skruvades fast på medelst sin innergänga. Resisten an- vändes outspädd samt i förhållande (resistzp-thinner) 2:1, 1:1, 1:2 och 1:5. (eo- l.O0O varv/min) roterande skruvar med en liten hobbyfärg- b) Sprutmålningz Denna metod utfördes på långsamt spruta. Som drivgas användes kvävgas och och resisten var spädd till 1:2 respektive 1:5. För rotationen användes samma utrustning som vid spinmetoden men med en 10 cm lång förlängningsarm på skruvhållaren. c) Kväveblåsning: Skruvarna doppades i resist spädd till 1:2, 1:1, kvävgas, via en ledning 10, 2:1 eller outspädd. De blåstes sedan på med medan de sakta roterade (60- 300 varv/min). Resisten "skruvades" då ned i gängorna och överskottet lämnade skruven vid änden, se figur 3. 3. Mjukbakning Efter att resisten påförts bakas skruvarna i en ugn vid ungefär 90°C under cirka 30 min. Under bakningen satt 10 15 20 25 30 35 511 863 skruvarna monterade via innergängan i en ställning med skallen ned och spetsen upp. 4. Exponering När skruvarna var bakade så exponerades de med ljus från 300-440 nm, mönstret träffade resisten. För detta ändamål användes en en kvicksilverlampa ll, som med det önskade projektionsskrivare (Canon). En mask 12 med det önskade mönstret placeras ovanpå ett linssystem 13 med bländare 14 som avbildar mönstret från masken ned på provet. Tre olika masker användes vid försöket. Alla hade ett rutmönster 14 med små kvadrater med ett centeravstånd på 20 um, som ett fisknät med mycket små hål, se figur 4. Storleken på kva- draterna var det som varierades. De hade en sida på 2, 5 respektive 10 pm. För att få ett så stort skärpedjup som möjligt på det projicerade mönstret användes minimal blän- daröppning, i det här fallet 5,6. Skärpan ställdes sedan in mitt emellan toppen och botten av gängan. Eftersom skruvarna skulle mönstras runt om sattes en spalt 15 nära skruven. Spaltens bredd var i detta fall en sjättedel av skruvens omkrets, varför sex exponeringar med efterföljan- de rotation fick utföras på varje skruv. 5. Framkallning Efter exponering framkallades skruvarna i en speciell framkallningsvätska som avlägsnar resisten där den blivit be1yst.Två olika framkallningsvätskor användes: Microposit developer och Microposit MF322, båda tillverkade av Shi- pley. till förhållandet 1:1. Framkallningen tog då ca 1 min. Den Den förstnämnda späddes med en del milliQ-vatten andra framkallningsvätskan användes outspädd med en fram- kallningstid på runt 20 s. Efter framkallningen sköljdes skruvarna minst en halv min under rinnande milliQ-vatten, varefter de blåstes torra och var redo för hårdbakningen. 6. Hårdbakning 10 15 20 25 30 35 _ 17 _ 511 865 Implantatskruvarna bakades i ugn vid en temperatur på l20°C under 30-60 min, varefter de inte påverkades så lätt av ljus, kemikalier eller mekanisk påfrestning. Skruvarna placerades på samma sätt som under mjukbakningen. 7. Etsning Efter hårdbakningen så etsades skruvarna i ett bad av HF (3%) sköljdes skruvarna under rinnande milliQ-vatten under nå- under någon till några minuter. Efter etsningen gon minut. 8. Avläqsnande av resist Den efter etsning kvarvarande resisten spolades av med aceton tills ingen synlig resist återstod. 9. Utvärdering Utvärdering av de mikromönstrade implantatytorna utfördes med hjälp av svepelektronmikroskop (SEM), se figurerna 5- 27.In addition, certain combinations of these methods were investigated. a) Spinning: The screws were dipped in resist after which they rotated (3,000-10,000 rpm) to spread the resistance to a thin and even layer. Here it was investigated at high speed that a conventional spinner with a maximum spinning speed of approx. 10,500 rpm. Figure 2 shows the holder 8 with a small centered pin 9 to which the implant screws were screwed by means of their inner thread. The resistor was used undiluted and in ratio (resistzp-thinner) 2: 1, 1: 1, 1: 2 and 1: 5. (eo- l.O0O rpm) rotary screws with a small hobby paint- b) Spray paintingz This method was performed on a slow sprayer. As propellant, nitrogen gas was used and the resistor was diluted to 1: 2 and 1: 5, respectively. For the rotation, the same equipment was used as in the spin method, but with a 10 cm long extension arm on the screw holder. c) Nitrogen blowing: The screws were dipped in resist diluted to 1: 2, 1: 1, nitrogen gas, via a line 10, 2: 1 or undiluted. They were then blown on while slowly rotating (60-300 rpm). The resistor was then "screwed" into the threads and the excess left the screw at the end, see figure 3. 3. Soft baking After the resistor has been applied, the screws are baked in an oven at about 90 ° C for about 30 minutes. During baking, the screws mounted via the inner thread sat in a position with the skull down and the tip up. 4. Exposure When the screws were baked, they were exposed to light from 300-440 nm, the pattern hit the resistance. For this purpose a mercury lamp ll was used, as with the desired projection printer (Canon). A mask 12 with the desired pattern is placed on top of a lens system 13 with aperture 14 which images the pattern from the mask onto the sample. Three different masks were used in the experiment. All had a grid pattern 14 with small squares with a center distance of 20 μm, like a fishing net with very small holes, see figure 4. The size of the squares was what varied. They had a side of 2, 5 and 10 pm respectively. In order to obtain as great a depth of field as possible on the projected pattern, a minimal aperture was used, in this case 5.6. The focus was then set midway between the top and bottom of the thread. Since the screws were to be patterned around, a gap 15 was placed near the screw. The width of the gap in this case was one sixth of the circumference of the screw, so six exposures with subsequent rotation had to be performed on each screw. 5. Development After exposure, the screws were developed in a special developing liquid which removes the resistance where it has been tested. Two different developing liquids were used: Microposit developer and Microposit MF322, both made by Shipley. to the ratio 1: 1. The development then took about 1 min. The former was diluted with some milliQ water, the second developing liquid was used undiluted with a developing time of about 20 s. After developing, the screws were rinsed for at least half a minute under running milliQ water, after which they were blown dry and ready for hard baking. 6. Hard baking 10 15 20 25 30 35 _ 17 _ 511 865 The implant screws were baked in an oven at a temperature of 120 ° C for 30-60 minutes, after which they were not so easily affected by light, chemicals or mechanical stress. The screws were placed in the same way as during soft baking. 7. Etching After hard baking, the screws were etched in a bath of HF (3%), the screws were rinsed under running milliQ water for a few to a few minutes. After the etching gon minute. 8. Resistance removal The residue remaining after etching was rinsed off with acetone until no visible resist remained. 9. Evaluation Evaluation of the micro-patterned implant surfaces was performed using a scanning electron microscope (SEM), see Figures 5-27.

I figur 5 visas ett exempel på hur sektionen med dropp- bildning av resist, som pålagts med spinning, kunde se ut när skruven var färdigprocessad. I detta fall användes ett resist/lösningsmedelförhållande på 2:1, en spinnhastighet på 10000 varv/min, en exponeringstid l0*l0pm på 50 s, en framkallningstid på 60 s och en etsningstid på 180 s i 3% HF.Figure 5 shows an example of what the section with drip formation of resist, which was applied by spinning, could look like when the screw was finished being processed. In this case, a resist / solvent ratio of 2: 1, a spinning speed of 10,000 rpm, an exposure time of 10 * 10pm of 50 s, a developing time of 60 s and an etching time of 180 s in 3% HF were used.

I figurerna 6-ll var resist/lösningsmedelsförhållandet 2:1, spinnhastigheten 10000 varv/min, exponeringstiden 90 s, framkallningstiden i MF 322 18 s och etsningstiden i 3% HF 150 s. Figur 6 visar de första gängorna på en skruv mo- difierad enligt spinnmetoden. Figur 7 visar två gängor. 10 15 20 25 30 35 _18... 511 865 Det mörka området i mitten är gängbotten. Typiskt för mo- difieringsmetoden är den oetsade randen vid toppen av gängan, ofta överetsat vid gängans botten och en del slumpmässigt överetsade fläckar. Figur 8 visar en mönstrad apexflank med överetsade områden och ett oetsat band vid gängtoppen. Figur 9 visar en typisk gängflank efter spinn- metoden. Figur 10 visar ett exempel på en gänga från en skruv modifierad med spinnmetoden. På flankerna blir gro- parna generellt större ju närmare gängbotten de kommer.In Figures 6-11, the resist / solvent ratio was 2: 1, the spinning speed 10000 rpm, the exposure time 90 s, the developing time in MF 322 18 s and the etching time in 3% HF 150 s. Figure 6 shows the first threads on a screw modified according to the spinning method. Figure 7 shows two threads. 10 15 20 25 30 35 _18 ... 511 865 The dark area in the middle is the bottom of the thread. Typical of the modification method is the unetched edge at the top of the thread, often over-etched at the bottom of the thread and some randomly over-etched stains. Figure 8 shows a patterned apex flank with overetched areas and an unetched strip at the thread tip. Figure 9 shows a typical thread flank according to the spinning method. Figure 10 shows an example of a thread from a screw modified with the spinning method. On the flanks, the pits generally become larger the closer they get to the thread bottom.

Ofta är det oetsat vid toppen av gängan och överetsat vid och på botten. Ibland blir även toppen och/eller botten mönstrad som syns längst till vänster i bilden (botten).It is often unetched at the top of the thread and over-etched at and on the bottom. Sometimes the top and / or bottom are also patterned, which can be seen on the far left of the image (bottom).

Figur ll visar att gränsen mellan två exponeringar orsakar större oetsade områden.Figure 11 shows that the boundary between two exposures causes larger unetched areas.

I figurerna 12-25 visas bilder från tre skruvar som modi- fierats enligt blåsmetoden. För den första skruven var esist/lösningsmedelförhållandet 2:1, spinnhastigheten 120 varv/min, exponeringstiden 90 s, MF322 var 15 s och etsningstiden i 3% HF 150 s. Figur 12 framkallningstiden i visar de första gängorna på skruven, varvid den första gängans huvudflank (det ljusa bandet längst till höger) är oetsat medan övriga huvudflanker har mönster. Apexflanker- na är till stora delar överetsade. De oetsade områdena överst på bilden är orsakade av gränsen mellan två expone- ringar. Figur 13 visar de två första gängorna hos skruven.Figures 12-25 show pictures from three screws that were modified according to the blowing method. For the first screw, the esist / solvent ratio was 2: 1, the spinning speed 120 rpm, the exposure time 90 s, MF322 was 15 s and the etching time in 3% HF 150 s. Figure 12 development time i shows the first threads on the screw, the first thread the main flank (the light band on the far right) is unetched while the other main flanks have patterns. The apex flanks are largely over-etched. The unetched areas at the top of the image are caused by the boundary between two exposures. Figure 13 shows the first two threads of the screw.

Första gängans huvudflank är helt omönstrad vilket nästan alltid var fallet efter blåsmetoden. På den andra gängan syns hur stor skillnaden mellan apex- och huvudflank kan vara när den är som störst. Denna skillnad var dessutom oftast störst när skruvhuvudet och avklingade något mot apex (se figur 14 som är 3:e och 4:e gängan av samma skruv). Figur 14 visar skillnaden i mönster mellan apex- och huvudflank på två gängor. Här kan också ses att denna skillnad ökar närmare skruvens huvud (skruvens huvud lig- ger till höger om bilden).I figur 15 ses en bit av en gänga som visar hur olika mönstret kan vara mellan flan- kerna på en skruv som modifierats enligt blåsmetoden när 10 15 20 25 30 35 _ 19 _ 511 865 skillnade var som störst. Överst på bilden visas en expo- neringsskarv. Figur 16 är en närbild på apexflanken där groparna växt samman. Gängtoppen är till höger och gäng- botten till vänster.The main flank of the first thread is completely unpatterned, which was almost always the case after the blowing method. The second thread shows how big the difference between the apex and main flank can be when it is greatest. In addition, this difference was usually greatest when the screw head and faded slightly towards the apex (see Figure 14 which is the 3rd and 4th thread of the same screw). Figure 14 shows the difference in pattern between the apex and main flank of two threads. Here it can also be seen that this difference increases closer to the head of the screw (the head of the screw is to the right of the picture). Figure 15 shows a piece of a thread that shows how different the pattern can be between the flanks of a screw modified according to the blowing method when 10 15 20 25 30 35 _ 19 _ 511 865 difference was greatest. An exposure joint is shown at the top of the image. Figure 16 is a close-up of the apex flank where the pits have grown together. The thread top is on the right and the thread bottom on the left.

För den andra skruven var resist/lösningsmedelsförhållan- det 2:1, spinnhastigheten 120 varv/min, exponeringstiden 90 s, framkallningstiden i MF322 15 s och etsningstiden i 3% HF 150 s. Figur 17 visar en skillnad i mönstret mellan skruvens flanker och ofta oetsade ränder längs gängorna.For the second screw, the resist / solvent ratio was 2: 1, the spinning speed 120 rpm, the exposure time 90 s, the developing time in MF322 15 s and the etching time in 3% HF 150 s. Figure 17 shows a difference in the pattern between the screw flanks and often unetched stripes along the threads.

Figur 18 visar ett mönster på gängan. Figur 19 visar mön- ster på två gängor. Figur 20 visar två gängor vid expone- ringsskarven. det oetsade området är ca 200 pm brett.Figure 18 shows a pattern on the thread. Figure 19 shows patterns on two threads. Figure 20 shows two threads at the exposure joint. the unetched area is about 200 pm wide.

Parametrarna för den tredje skruven var följande: Re- sist/lösningsmedelsförhållandet 2:1, spinnhastigheten 120 varv/min, exponeringstiden 100 s, framkallningstiden i MF322 20 s och etsningstiden i 3% HF 150 s. Figur 21 visar ett exempel på en gänga, där toppen på gängan är den mörka delen i mitten av bilden, flankerna det ljusa på båda si- dor om toppen. Gängans botten är mörk och finns längst ut till höger respektive vänster på bilden. Figur 22 visar apexflanken (gängans topp till höger och botten till vän- ster). Figur 23 visar mönstring på huvudflanken. Figur 24 visar två gängor. Det mörka partiet i bildens mitt är en gängbotten. Bilden visar b1.a. området mella två expone- ringar. Figur 25 visar två gängor där det det mörka parti- et i mitten är gängbotten. Skillnaden i mönster mellan apex- och huvudflank är förhållandevis liten. Framför allt var det apexflankens mönster som varierade mellan de olika skruvarna. Den blev ofta mer eller mindre överetsad när huvudflanken hade bra mönster.The parameters of the third screw were as follows: Resistance / solvent ratio 2: 1, spinning speed 120 rpm, exposure time 100 s, development time in MF322 20 s and etching time in 3% HF 150 s. Figure 21 shows an example of a thread, where the top of the thread is the dark part in the middle of the picture, the flanks the light on both sides of the top. The bottom of the thread is dark and can be found at the far right and left of the picture. Figure 22 shows the apex flank (top of the thread on the right and bottom on the left). Figure 23 shows patterning on the main flank. Figure 24 shows two threads. The dark part in the middle of the picture is a threaded bottom. The picture shows b1.a. the area between two exposures. Figure 25 shows two threads where the dark part in the middle is the thread bottom. The difference in pattern between the apex and main flank is relatively small. Above all, it was the apex flank pattern that varied between the different screws. It was often more or less over-etched when the main flank had good patterns.

I figurerna 26 och 27 visas närbilder av mönstret på en gängflank. I det första fallet har en l0ym mask använts vid exponeringen vilket lett till att groparna växt ihop.Figures 26 and 27 show close-ups of the pattern on a threaded flank. In the first case, a light mask was used for the exposure, which led to the pits growing together.

I det andra fallet, som visas i figur 27, har en 5 pm mask använts vid exponeringen och etstiden var 2 min. Sa-värdet _ 20 _ 511 863 är ungefär 1,2 pm.In the second case, shown in Figure 27, a 5 μm mask was used in the exposure and the etching time was 2 min. The Sa value _ 20 _ 511 863 is about 1.2 μm.

Försöken ovan visar att det är viktigt att få resisten jämnt pålagd. Av de olika metoder för resistbeläggning som 5 beskrivits ovan torde spinnmetoden vara den som är mest reproducerbar. Andra tänkbara metoder för resistbeläggning kan vara elektroplätering, spray-coating med datorstyrt skrivarhuvud eller att spinna på multilager av mycket tun- na resistbeläggningar. 10 För att minimera de oetsade korridorerna som uppkom mellan de exponerade sektionerna kan ljusavskärmningen och ste- glängden vid skruvens rotation ändras. Systemet bör utfor- mas så att de oetsade korridorena blir minimala och inte l5 hamnar diametralt mot varandra på skruven.The experiments above show that it is important to have the resistance evenly applied. Of the various methods of resist coating described above, the spinning method is likely to be the most reproducible. Other possible methods for resist coating can be electroplating, spray-coating with a computer-controlled printhead or spinning on multilayers of very thin resist coatings. In order to minimize the unetched corridors that arose between the exposed sections, the light shield and the step length can be changed during the rotation of the screw. The system should be designed so that the unetched corridors are minimal and do not end up diametrically against each other on the screw.

Vad gäller mönstret i form av groparnas djup och storlek kan konstateras att vid användande av en mask med 5 pm stora kvadrater under exponeringen och våtetsning med 3%ig 29 HF i 2,5 min erhölls ett Sa på 1,5 pm. De etsade groparna blev nästan cirkulära med en diameter på ca 6 pm. Det in- nebär att de täcker en area av 200 pmz, vilket är, om en- hetscellen har en sida på ca 20 pm och därmed en area på 400 pmz, halva den totala arean. För ett Sa på 1,5 pm mås- 25 te groparna alltså ha ett medeldjup på 3 pm. Djupet är an- tagligen något större eftersom Sa-värdet är mätt på gäng- ans flanker. Enhetscellen blir därmed utdragen pga att mönstret där projiceras med låg infallsvinkel. 30 De bästa resultaten med respektive metod ovan uppnåddes med följande parametrar: _ Resistbeläggnings- Spinning Blåsmetoden Sprutmålning metod 2 1 1 2 35 Spädning (rcs.:lösn.) 2:1 i I Spinnhasﬁghct f 10 0.12_ 0.18 (kr-pm) (5 under Is mnan) Blås/sprut-avstånd - 3 mm 7 Cm Exponenng(5*5pnU 905 l0Os 60(10*H)pnÛ Etsning (s) 1 150 150 - 10 15 20 25 30 35 _ 21 _ 511 865 Under senare försök har en vidhäftande film, Microposit Primer provats, vilken generellt förbättrar rsistens vid- häftning till implantatytan. denna primer är baserad på HMDS((CH3)3SiNHSi(CH3)3, hexametyldisilizan), vilken är en molekyl med en hydrofob och en hydrofil ände. Den hydrofi- la änden (aminogruppen) fastnar på implantatets yta (tit- anoxid) och släpper ut den hydrofoba änden (metylgrupper- na) från ytan och därmed skapas en hydrofob film på ytan.As for the pattern in terms of the depth and size of the pits, it can be stated that when using a mask with 5 μm squares during the exposure and wet etching with 3% in 29 HF for 2.5 minutes, a Sa of 1.5 μm was obtained. The etched pits became almost circular with a diameter of about 6 μm. This means that they cover an area of 200 pmz, which is, if the unit cell has a side of about 20 pmz and thus an area of 400 pmz, half the total area. For a Sa of 1.5 pm, the pits must therefore have an average depth of 3 pm. The depth is probably slightly greater because the Sa value is measured on the flanks of the threads. The unit cell is thus extended due to the pattern being projected at a low angle of incidence. The best results with the above method were obtained with the following parameters: _ Resistance coating- Spinning Blowing method Spray painting method 2 1 1 2 35 Dilution (rcs.:solution) 2: 1 i I Spinnhas ﬁ ghct f 10 0.12_ 0.18 (SEK-pm) ( 5 under Is mnan) Blow / spray distance - 3 mm 7 Cm Exponenng (5 * 5pnU 905 l0Os 60 (10 * H) pnÛ Etching (s) 1 150 150 - 10 15 20 25 30 35 _ 21 _ 511 865 Under later experiments, an adhesive film, Microposit Primer has been tried, which generally improves the adhesion of the resistance to the implant surface, this primer is based on HMDS ((CH3) 3SiNHSi (CH3) 3, hexamethyldisilizane), which is a molecule with a hydrophobic and a hydrophilic end. The hydrophilic end (amino group) adheres to the surface of the implant (titanium oxide) and releases the hydrophobic end (methyl groups) from the surface, thereby creating a hydrophobic film on the surface.

Detta medför en starkare vidhäftning av resisten till im- plantatet. Implantatet doppas i primern i minst 10 s (helst 1 min) och spinnes sedan snabbt (3000-5000 rpm) un- der 20-30 s. Därefter doppas det primerbelagda implantatet snabbt i resisten.This results in a stronger adhesion of the resistance to the implant. The implant is dipped in the primer for at least 10 s (preferably 1 min) and then spun quickly (3000-5000 rpm) for 20-30 s. Thereafter, the primer-coated implant is quickly dipped in the resist.

Som alternativ till vertikal spinning som beskrivits ovan har försök även gjorts med horisontell spinning, där im- plantatskruven får rotera kring sin längdaxel i horison- tell riktning. Spinnhastigheten bör ligga i intervallet 3500-5000 varv/min utan primer och 7000-8500 varv/min med primer. Utan primer fastnar resisten mest på botten av gängan om spinnhastigheten är lägre än 3500, vilket medför ett underetsat område nära vid och på botten av gängan.As an alternative to vertical spinning as described above, experiments have also been made with horizontal spinning, where the implant screw is allowed to rotate about its longitudinal axis in the horizontal direction. The spinning speed should be in the range 3500-5000 rpm without primer and 7000-8500 rpm with primer. Without primer, the resistance sticks most to the bottom of the thread if the spinning speed is lower than 3500, resulting in an under-etched area near and at the bottom of the thread.

Spinnhastigheter på över 5000 varv/min orsakar ofta ett ojämnt och dåligt resistlager. med primer höjs dessa grän- ser till 7000 resp. 8500 varv/min. Om skruven spinns med en betydligt lägre hasighet i början (mellan 900 och 1700 varv/min) under 2-4 s kan vissa ojämnheter undvikas. Dess- utom fördelas resisten mer jämnt över hela gängans yta.Spinning speeds of over 5000 rpm often cause an uneven and poor resist layer. with primer, these limits are raised to 7000 resp. 8500 rpm. If the screw is spun at a significantly lower speed in the beginning (between 900 and 1700 rpm) for 2-4 s, some irregularities can be avoided. In addition, the resistance is distributed more evenly over the entire surface of the thread.

Det är också viktigt att höjningen av spinnhastigheten innan resisten har sker snabbt, inom ett par sekunder, torkat.It is also important that the increase in the spinning speed before the resistance has taken place quickly, within a few seconds, has dried.

Uppfinningen är inte begränsad till de ovan som exempel visade utföringsformerna utan kan modifieras inom ramen för de efterföljande patentkraven.The invention is not limited to the embodiments shown above by way of example but can be modified within the scope of the appended claims.

Claims

511 10 15 20 25 30 35 863 PATENT REQUIREMENTS

For implantation in body tissue, in particular bone tissue, briquetted surface at least on the part of the implant which is intended to face bone tissue, the surface having an arrangement of characteristic and discrete points or units where each unit has a well-defined shape and size or composition and is positioned within said arrangement of discrete units characterized in that the underlying, two-dimensional structure that builds up the surface consists of all points which are positioned by vectors R where R = nlal + n2a2 and where a1 and az are two vectors characteristic of the structure in the same plane and n1 and n2 are integers that can be negative, positive or zero.

Implant element according to claim 1, characterized in that it consists of a helical part, said arrangement of characteristic and discrete points or units being located substantially on the threaded flanks of the helical part.

Implant element according to claim 2, characterized in that said arrangement of characteristic and discrete points or units consists of a êV grid of pits in the order of 0.1 - 100 μm and with an Sa value (surface roughness) of the order of 1.5 pm.

A method of producing an implant surface according to claim 1 with a micro-pattern at least of the part of the implant facing bone tissue characterized in that the implants are applied to a photoresist and subjected to a rotation (spinning). where the spinning speed is in the order of 3000-10000 rpm during a predetermined time interval, that the resistance after drying is applied to a desired structure (pattern) by projection and that the resistance is removed after predetermined exposure and development times, leaving a remaining surface structure on the implant surface. k ä n n e t e c k n a d a v the range 3500-5000

Method according to claim 4, that the spinning speed is in rpm.

Method according to claim 4, characterized in that the implants are dipped in a primer (adhesive film) and spun before the application of the resist.

Method according to claim 6, characterized in that the primer-coated implant is spun in the order of 3000-5000 rpm, after which the resistor is applied and in the order of 7000-8500 the implant is spun in rpm.

Method according to claim 4, characterized in that the desired structure (pattern) is applied via exposure through a mask with a grid pattern of small squares with a center distance of the order of 20 μm.