SI23420A - Kostni vsadki z večslojno prevleko in postopek njihove priprave - Google Patents

Abstract

Izum se nanaša na kostne vsadke z večslojno prevleko, ki je sestavljena iz porozne prevleke na osnovi titana, iz opcijske vmesne prevleke iz titanovega oksida, ki se jo nanese na in/ali v porozno prevleko na osnovi titana in iz prevleke iz bioaktivnega stekla, ki se jo nanese na in/ali v porozno prevleko na osnovi titana in/ali opcijsko prevleko iz titanovega oksida; kot tudi na proces za pripravo vsadkov z večslojno prevleko.

Description

-1-

Kostni vsadki z večslojno prevleko in postopek njihove priprave

Izum se nanaša na večslojno prevleko za kostne vsadke in na postopek priprave večslojne prevleke na kostnih vsadkih.

Permanentni kostni vsadki so zaradi potrebe po zadostni mehanski odpornosti večinoma narejeni iz kovin ali njihovih zlitin. Kostne vsadke, kot na primer deblo kolčnega vsadka, se v kost fiksira s pomočjo cementa ali brez. V nekaterih specifičnih primerih se lahko kostne vsadke fiksira tudi s pomočjo vijakov. Za kostne vsadke, fiksirane s pomočjo cementa, obstaja večja verjetnost nekrotičnih poškodb kosti, kar se lahko pripiše sproščanju toplote pri strjevanju cementa. Večja pomanjkljivost kostnih vsadkov, fiksiranih s pomočjo cementa je tudi njihov rok trajanja, ki je odvisen od življenjske dobe in mehanske odpornosti cementa. Zaradi naštetih lastnosti se daje prednost uporabi kostnih vsadkov, fiksiranih brez cementa.

Kostni vsadki, fiksirani brez cementa so v telesu v neposrednem stiku s krvno plazmo in ostalimi telesnimi tekočinami. Takšni vsadki morajo imeti poleg mehanske trdnosti in togosti še primerne površinske lastnosti kot so bioaktivnost, biokompatibilnost, netoksičnost, v telesu ne smejo povzročati alergijskih in vnetnih reakcij, biti morajo korozivno odporni, hidrofilni in izražati morajo antibakterijske lastnosti. Za enkrat še ne obstajajo kostni vsadki z vsemi naštetimi lastnostmi.

Poleg železovih, magnezijevih in kobalt-kromovih zlitin, so kot trajni kostni vsadki trenutno najbolj primerni vsadki iz titana in njegovih zlitin. Klinična praksa kaže na to, daje potrebno zamenjati visok delež kostnih vsadkov, kar je največkrat posledica infekcij, nezadostnega vraščanja ali razrahljanja protez. Z namenom izboljšanja površine kostnih vsadkov je bilo predlagano več izboljšav. Med njimi so najbolj aktualne spremembe strukture površine vsadkov. Raziskovalci so ugotovili, da se celice bolje pritrdijo na hrapavo kot na gladko površino. Nekaj izmed teh rešitev je bilo preizkušenih in uporabljenih v kliničnih praksah: kovinske kroglice, zavarjene na površine vsadkov; peskanje; mehansko obdelovanje površine npr. brazde; in najpogostejša tehnika -2- plazemsko naprševanje. Večina izmed teh tehnik je mehanskih, kar lahko vodi v odlaganje nečistoč, kot so neželeni kovinski atomi ali toksični delci, na površino vsadka. Čeprav hrapava površina spodbuja zraščanje celic s površino vsadka, neposreden stik okoliškega tkiva in površine vsadkov ni zaželen zaradi potencialnih alergijskih ali vnetnih reakcij in toksičnosti ali nebiokompatibilnosti kovine (zlitine). Zaradi tega so bolj zaželene prevleke na nekovinski osnovi z boljšo biokompatibilnostjo. Trenutno se najpogosteje uporabljajo prevleke na osnovi kalcijevega fosfata kot je npr. hidroksiapatit (HA).

Obdelovanje površine vsadkov na osnovi kalcijevega fosfata se lahko izvede na več načinov: napraševanje z ionskim snopom (ang. »Ion beam sputtering) (US 4,908,030), vakumsko plazemsko naprševanje (US 5,543,019), depozicija z utripajočim laserjem (ang. »pulse laser deposition«), potapljanje v suspenzije in naknadna toplotna ali laserska obdelava, elektroforetska depozicija, kiji sledi termična obdelava.

Patent DE 3,516,411 navaja postopek za pripravo dvoslojne prevleke iz Ti/HA in HA na površini titanovega vsadka, ki se ju nanese s plazemsko depozicijo.

Uporaba porozne keramike s povezanimi porami kot material za kostne vsadke je bil opisan v patentu U.S. 5,171,720; Frayssinet et al., Biomaterials, 14, pp. 423-429 (1993); P. Ducheyne in sodelavci (Bioceramics 6, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1993, pp. 449-453) opisujejo dvoslojno prevleko na titanovih vsadkih, kije sestavljena iz prevleke poroznega titana, na vrhu katere je še HA, ki se ga nanese s plazemskim napraševanjem. Ta dvoslojna prevleka kaže boljšo adhezijo, kot enoslojna prevleka HA na titanovi zlitini.

Naj večja slabost takšnih prevlek je šibka vezava prevleke s površino vsadka, kar lahko vodi v luščenje prevleke in sproščanje delcev v telo. Visoke temperature pri termični obdelavi lahko prav tako poškodujejo zlitine in spremenijo strukturno in kemijsko sestavo prevlek.

Bioaktivna stekla uvrščamo med visoko bioaktivne materiale na osnovi silicija, o katerih je prvi pisal L. Hench in 1969, Larry L. Hench, The Story of Bioglass, J. Mater. Sci.: Mater Med (2006) 17:967-978; WO 2007/144662. Pozneje seje s sestavo bioaktivnega stekla in steklo- -3- keramike začelo ukvarjati mnogo raziskovalcev, z namenom izboljšanja lastnosti. Bioaktivno steklo je tipično (ne pa nujno) amorfno, z nizko stopnjo kristaliničnosti, saj so raziskovalci ugotovili, da škodljivo vpliva na bioaktivnost. Izraz »bioaktivno steklo« se zato nanaša na popolnoma amorfni ali delno kristalinični material, ki ga uvrščamo med »bioaktivno steklo-keramiko«.

Glavna funkcija bioaktivnega stekla je stimuliranje diferenciacije in proliferacije osteoblastov ter genetska kontrola celičnega cikla zaradi površinskih reakcij, pri katerih se sproščajo ioni v okolico. Številni znanstveni članki, ki so poročali o laboratorijskih študijah vpliva sestave na lastnosti bioaktivnega stekla in njihovih učinkih v in-vitro in v in-vivo pogojih, so potrdili visok potencial teh materialov. Študije so pokazale, daje bioaktivno steklo visoko bioaktivno in da se sproščanje ionov lahko kontrolira preko sestave bioaktivnega stekla. Krhkost bioaktivnega stekla je limitni dejavnik njegove uporabe. Posledično se bioaktivno steklo uporablja za popravljanje defektov in rekonstrukcije obraza, medtem ko se ga zaradi nezadostne mehanske odpornosti ne more uporabljati za dele, ki prenašajo težo telesa. Zaradi teh lastnosti in zaradi velike verjetnosti zloma doslej še ni bil predlagan noben primeren proces priprve prevleke iz bioaktivnega stekla.

Bioaktivna stekla se v odvisnosti od sestave različno raztapljajo v krvni plazmi in tako sproščajo esencialne elemente, ki stimulirajo proliferacijo in celično delitev celic kostnega tkiva. Glavna naloga bioaktivnega stekla je sproščanje ionov v kritičnih koncentracijah. Sproščanje ionov pospeši nastajanje kostnine preko direktnega vpliva na gene, ki regulirajo celični cikel in stimulirajo regeneracijo in rast osteogenih prekurzorskih celic. Med sproščanjem ionov se aktivira sedem družin genov, ki so: geni, ki kodirajo zapise za rastne faktorje (tudi IGF-II in VEG F); transkripcijske faktorje; regulatorje celičnega cikla; regulatoije apoptoze; proteine, vpletene v sintezo DNK, popravilo poškodb DNK in rekombinacijo; celične antigene in receptorje; proteine, ki so vključeni v prevajanje signalov in komponente ekstracelulamega matriksa. Kmalu zatem sledi mineralizacija matriksa, zreli osteoblasti obdani s kolagen-HCA (HCA-hidroksi karbonatni apatit) pa so končni produkti procesa po 6-12 dnevih v in-vitro in v in-vivo pogojih. -4-

Bioaktivno steklo se raztaplja več tednov in tako se počasi sproščajo kritične koncentracije Si in Ca. Glavni učinek sproščanja ionov je proliferacija osteogenih prekurzorskih celic. Te celice so nato podvržene mitozi, kjer nastajajo zreli osteoblasti, ki začnejo sproščati proteine ekstracelulamega matriksa kot je kolagen tipa I, ki se nato mineralizira in tvori kostnino. Kritična koncentracija topnih (Ca2+ in Si4+) ionov aktivira in regulira sedem družin genov v osteogenih prekurzorskih celicah. Koncentracija topnega Ca2+ in Si4+ na interfazi celica-raztopina je kritična za kontrolo celičnega cikla. Pomembno je predvsem, da celice, ki se zarastejo na površini prevleke proizvedejo več osteokalcina. Osteokalcin je protein ne-kolagneskega tipa, ki ga najdemo v zunajceličnem matriksu in ga proizvajajo zreli osteoblasti. Stopnja njegove sinteze sovpada s stopnjo mineralizacije. Topni produkti bioaktivnega stekla aktivirajo gene, ki nadzorujejo diferenciacijo in proliferacijo osteoblastov.

Glavni sestavini bioaktivnega stekla sta S1O2 in CaO. Poleg tega lahko vsebuje tudi Na, P, Sr, Zn, Mg in B. Običajno so ti elementi prisotni v obliki oksidov in vsak od njih ima svoje naloge/lastnosti:

Dokazali so, da ima silicij veliko vlogo pri celjenju kosti. Stimulira sintezo in stabilizira kolagen ter pospeši mineralizacijo matriksa. Raztopljen Si, skupaj s Ca ioni aktivirajo nekaj družin genov, ki kodirajo rastne faktoije, modulirajo celični cikel osteoblastov (IGF-II itd.). Nekateri članki poročajo, da naj bi interagiral s serumskimi albumini, fibrinogenom in glikozaminoglikani, ki so komponente zunaj celičnega matriksa. Bioaktivno steklo vsebuje 30 do 95 mo lamih % silicija.

Kalcij je esencialni element za vse znane organizme. Ključen je za ohranjanje celične homeostaze in integritete celice. V človeškem telesu ima osrednjo vlogo kot sekundami obveščevalec. Kalcij omogoča kontrakcijo mišic, sodeluje pri apoptozi, sekreciji, vpleten je tudi v energetski metabolizem celice. Kalcij, ki se sprosti iz bioaktivnega stekla je pomemben za tvorbo hidroksiapatita (HA) na površini vsadka. Za nastanek hidroksiapatita so pomembni tudi kalcijevi ioni, ki pridejo neposredno iz telesnih tekočin. Bioaktivno steklo pripravljeno po sol-gel postopku vsebuje 0,05 do 40 molamih % kalcija.

Fosfor je eden izmed najbolj pomembnih elementov, ki ga najdemo v vsaki živi celici. Je sestavina bioloških molekul kot so DNK in RNK, prav tako pa žive celice uporabljajo fosfor -5- • · · kot biološko energijo v obliki ATP. Nivo fosforja v celici je eden izmed glavnih regulatorjev dogodkov v celici. Fosfor je tudi del fosfolipidov, ki tvorijo celično in ostale membrane. Kalcijevi fosfati pomagajo utrditi kosti. Fosfoijevi ioni, ki se sprostijo iz bioaktivnega stekla, pomagajo pri nastanku hidroksiapatitne prevleke na površini vsadka, kljub temu pa ni esencialen, saj gaje v telesnih tekočinah dovolj. Bioaktivno steklo vsebuje 0 do 40 molamih % fosfoija.

Stroncij je element, ki se vgrajuje v kosti in ima kot tak veliko pozitivnih učinkov pri metabolizmu kosti. Raziskave so pokazale, da stroncij poveča kostno gostoto pri sesalcih in zmanjšuje osteoporozo. Poleg tega, da stimulira delitev osteoblastov, zavira delitev osteoklastov, ki razgrajujejo mineralni in organski del kosti. Stroncij vpliva na arhitekturo kostnine. Večji stroncijevi ioni zamenjajo manjše kalcijeve, kar povzroči razširitev mrežne strukture bioaktivnega stekla in s tem boljšo razgradljivost in tudi boljšo bioaktivnost. Stroncij se lahko uporablja kot antibakterijsko sredstvo. Bioaktivno steklo vsebuje 0 do 30 molamih % stroncija.

Cink se vgrajuje v kosti in preprečuje tvorbo krhkih kosti bolj kot kateri koli drugi element. Prav tako pospešuje regeneracijo kolagenskih vlaken in ostalih proteinov zunaj celičnega matriksa preko indukcije sinteze molekul tRNA. Cink je poznan tudi po antibakterijskih lastnostih. Znano je tudi, da dodatek cinka v silikatna stekla pospešuje kristalizacijo in tako povečuje trdnost bioaktivnega stekla. Zmanjšuje tudi koeficient termičnega raztezka, kar je pomembno pri uporabi bioaktivnega stekla za prevleke na vsadkih. Bioaktivno steklo vsebuje 0 do 30 molamih % cinka.

Nekatere vrste bioaktivnega stekla vsebujejo tudi fluor, o katerem pa poročajo, da ima tako pozitivne kot tudi negativne učinke.

Zaradi pomembnih interakcij med fosfatnimi skupinami in magnezijevimi ioni so slednji tudi pomembni pri temeljnem življenskem ciklu nukleinskih kislin in s tem ključna sestavina vsake žive celice in organizma. Več kot 300 encimov potrebuje prisotnost Mg za njihove katalitične dejavnosti. Človeško telo vsebuje okoli 24 g magnezija, od tega ga je 60 % v kosteh. Nujno potreben je za regulacijo telesne temperature, kontrakcijo mišic in akcijski potencial. Pomanjkanje magnezija vpliva na metabolizem kalcija in hormone, ki uravnavajo njegov -6- #«· • · · metabolizem. Magnezij znižuje koeficient termičnega raztezka bioaktivnega stekla. Bioaktivno steklo vsebuje 0 do 40 molamih % magnezija.

Borje lahko tudi sestavina bioaktivnega stekla, ki pa ne kristalizira zlahka, zato se ga dodaja, da poviša temperaturo kristalizacije. Poleg tega interagira z različnimi biološkimi molekulami kot so vitamini, ogljikovi hidrati, proteini, nukleotidi in zato predvidevajo, da ima pomembne biološke funkcije. Raziskovalci menijo, da bor ne izboljšuje Človekovega zdravja, a naj bi ugodno vplival pri pomanjkanju vitamina D in magnezija v hrani. Bioaktivno steklo vsebuje od 0 do 40 molamih % bora.

Pri raztapljanju natrija iz bioaktivnega stekla se tvori sloj bogat s silicijem in Ca0-P205, iz česar nastane hidroksi-karbonat apatit (HCA). Na in Ca ioni, ki se izločajo, vplivajo na fiziološko ravnotežje raztopine na stiku z vsadkom in lokalno spreminjajo pH. Povišanje pH pospešuje sintezo in povezovanje kolagenskih vlaken ter nastanek hidroksiapatita, kar je dobrodošlo za rast in obnovo kosti. Po drugi strani so pokazali, da natrij ni ključen, da bioaktivno steklo postane bioaktivno. Namesto natrija se lahko uporablja tudi kalij, ki prav tako spreminja strukturo stekla in zagotavlja bazičen pH.

Za srebro je že dolgo znano, da izraža antibakterijske, antiglivne in antivirusne lastnosti in kot tak je ena redkih naravnih snovi, ki se jo lahko uporablja kot antibiotik, kar seje izkoriščalo že v predvojnem in prazgodovinskem času. Srebro se v bioaktivnem steklu uporablja kot snov z antibakterijskimi lastnostmi. Kljub vsemu je za srebro znano, da je za ljudi toksično, zato je njegova uporaba v bioaktivnem steklu vprašljiva in seje njegovi uporabi bolj izogniti. Zamenja se ga lahko z ostalimi elementi, ki izražajo antibakterijske lastnosti, kot so Zn, B ali Sr. V bioaktivno steklo se v odvisnosti od želenih lastnosti lahko doda tudi druge okside. Kot v primem srebra je potrebna tehtna odločitev o uporabi zaradi morebitnih toksičnih lastnosti.

Bioaktivna stekla se v industrijskem merilu pripravlja tako, da se najprej stali okside, čemur sledi hitro ohlajanje, kar prepreči ali zavre kristalizacijo. Nekateri raziskovalci so pokazali, da kristalizacija zmanjšuje bioaktivnost. V naslednjem koraku se bioaktivno steklo zmelje v fin prah. Glavna pomanjkljivost te tehnike so nečistoče, ki se vnašajo med mletjem bioaktivnega stekla. Po drugi strani kljub intenzivnemu mletju ni mogoče pripraviti nanometerskih delcev, iz -7- katerih bi se dalo narediti tanke prevleke. Posledično se na tržišču dobi le bioaktivno steklo, ki ima delce večje od 90 pm. Velika pomanjkljivost te tehnike je tudi ta, da se s takšno tehniko lahko naredi le nekaj sestav bioaktivnega stekla. Bioaktivno steklo se lahko dobi tudi v obliki granul,vlaken in tabletk.

Po naprednejši poti je bioaktivno steklo pripravljeno po sol-gel postopku. Kot prekurzorje se uporablja alkokside in nitrate. Za hidrolizo in kondenzacijo se uporablja kisli katalizator, reakcija pa lahko poteka tudi brez katalizatorja. Produkt reakcije je gel, ki gaje potrebno zmleti v manjše delce. Pri nekaterih procesih se izognejo mletju z nenadno spremembo pH na koncu reakcije. Pri večini postopkov se uporablja kisli katalizator, ali pa se katalizatorja ne uporablja, produkt takšne reakcije je gel z mikrometrskimi delci. Precipitacijska oz. partikularna pot reakcije, ki poteka pri bazičnih pogojih, se za procesa hidrolize in kondenzacije doslej še ni uporabljala.

Nekaj člankov je že poročalo o tem, da so poskušali nanesti bioaktivno steklo na različne substrate, kot so na primer hidroksiapatit in ostale kalcij-fosfatne podlage, na aluminij, keramične kompozite, kobalt-kromove zlitine in titanove zlitine. Glavna težava pri nanosu bioaktivnega stekla je razlika med koeficientom termičnega raztezka prevleke in substrata, ki so jo poskušali rešiti z nanosom vmesne povezovalne prevleke za kompenzacijo razlik skrčkov in s tem za preprečevanje nastanka razpok.

Nobena izmed prevlek bioaktivnega stekla nima zadostne adhezijske trdnosti ali o njej avtorji niso poročali ali pa so vmesne, to je povezovalne prevleke vsebovale neželene elemente, npr. aluminij. Če povzamemo, lahko ugotovimo, da vsadki, ki so trenutno na trgu, ne omogočajo zadostne adhezije s tkivom ali pa je adhezija zelo počasna, kar še posebej velja za kovinske vsadke in kovinske vsadke s površinsko strukturirano, to je zelo hrapavo površino. To je lahko posledica slabe b ioaktivnosti kovinske površine vsadka, počasne in nezadostne adsorpcije potrebnih proteinov zaradi hidrofobnosti površine kovinskega vsadka ali zaradi neželenih bakterij, ki lahko vodijo do vnetja in infekcije. Na daljši rok je možno tudi izločanje ionov iz kovinskih vsadkov, kar lahko ponovno vodi v alergijski odgovor telesa in do vnetja. -8-

Prvi cilj tega izuma je izdelati večslojno prevleko na vsadkih, ki ne bo imela predstavljenih slabosti in pomanjkljivosti znanih vsadkov. Kostni vsadki po izumu so bioaktivni in biokompatibilni. Na takšne kostne vsadke se kostne celice brez vsakršnih težav oprimejo in jih potrebni proteini iz zunajcelične tekočine z lahkoto dosežejo, kar nedvomno pospeši in omogoči oseointegracijo.

Cilj izuma je tudi postopek za pripravo večslojnih prevlek.

Prvi cilj predstavljenega izuma je rešen s pripravo kostnega vsadka z večslojno prevleko, narejeno iz poroznega titana, na katero ali v katero se opcijsko nanese še vmesno prevleko iz titanovega oksida ter prevleko iz bioaktivnega stekla.

Razume se, da je zaradi porozne strukture prevleke na osnovi titana lahko vsaka nadaljnja prevleka prisotna v ali na prevleki iz poroznega titana, to je kot nanos v porah. V predstavljenem izumu je titanova prevleka lahko iz titana ali katerakoli titanove zlitine.

Vsadek mora biti kovinski, najbolje je, če je iz titana ali njegovih zlitin, kot je na primer TigAUV, ali magnezijevih, železovih in kobalt-kromovih zlitin ali iz jekla.

Porozna prevleka na osnovi titana je debela od 0,1 do 5 mm in/ali ima poroznost med 15 in 85 %, z velikostjo por med 20 in 500 pm, po možnosti med 50 in 200 pm.

Prevleka iz titanovega oksida je debela največ 5 pm.

Prevleka iz bioaktivnega stekla je debela vsaj 2 pm in/ali popolnoma zapolni pore.

Prevleko iz bioaktivnega stekla se nanese v obliki prahu, z delci manjšimi od 10 pm, prednostno manjšimi od 1 pm in/ali sejo vsaj delno sintra.

Bioaktivno steklo je sestavljeno iz S1O2 in CaO, mogoče pa je dodati tudi druge okside kot so Na20, K2O, SrO, ZnO, MgO, B2O3, P2O5, Ag20 ali spojine na osnovi flora. -9-

Prednostno vsebuje bioaktivno steklo 30 do 95 masnih % Si02, 0,05 do 40 masnih % CaO, 0 do 30 masnih % SrO, 0 do 40 masnih % P2O5, 0 do 30 masnih % ZnO, 0 do 40 masnih % MgO, 0 do 40 masnih % B2O3 in 0 do 30 masnih % Na20. V najbolj prednostni izvedbi se prevleka iz titanovega oksida nanese na predhodno prevleko na osnovi titana in/ali v pore predhodne prevleke na osnovi titana ter/ali se prevleka bioaktivnega stekla nanese na prevleko iz titanovega oksida in/ali v porozno strukturo prevleke na osnovi titana in dodatne prevleke iz titanovega oksida.

Vsadek je trajen in namenjen obremenitvi s težo.

Drugi cilj patenta je dosežen s procesom priprave vsadkov z večslojno prevleko, ki je sestavljen iz naslednjih korakov: a) Nanašanje porozne prevleke na osnovi titana na vsadek, b) opcijsko nanašanje dodatne povezovalne prevleke na osnovi titanovega oksida v ali/in na navedeno prvo porozno prevleko, in c) nanos prevleke bioaktivnega stekla na ali/in v porozno strukturo prevleke na osnovi titana in opcijsko prevleko iz titanovega oksida.

Porozno prevleko na osnovi titana se lahko nanese s plazemskim napraševanjem, nanašanjem titanovih kroglic na površino vsadka in z drugimi tehnikami strukturiranja površine.

Povezovalno prevleko iz titanovega oksida se nanese s hidrotermalno sintezo vsadka v raztopini, ki vsebuje titan.

Bioaktivno steklo se nanese s pomočjo infiltracije suspenzije prahu bioaktivnega stekla na in/ali v porozno strukturo prevleke s pomočjo vakuuma ali nadtlaka. Prevleka je nato še termično obdelana za dosego višje gostote bioaktivnega stekla. -10-

Prah bioaktivnega stekla se pripravi po sol-gel postopku, z delci manjšimi od 10 pm, ali preferenčno pod 1 pm in se ga nato kalcinira, da se odstranijo ostanki na osnovi ogljika. Na kostni vsadek se ga nanese v obliki ne-vodne suspenzije v pore prevleke na osnovi titana in/ali v porozno strukturo prevleke na osnovi titana in opcijske dodatne prevleke na osnovi titanovega oksida. Prevleka iz bioaktivnega stekla mora biti debela vsaj 2 pm, preferenčno 10 pm taako, da so pore dovolj zapolnjene s prahom. Nanesen prah bioaktivnega stekla se nato toplotno obdela (sintra), da se zgosti.

Vsadki z večslojnimi prevlekami po izumu nimajo slabosti znanih kostnih vsadkov. Vsadki z večslojno prevleko po izumu se trdno oprimejo tkiva (adhezijska trdnost > 25 MPa), še posebej tisti, ki so namenjeni prenašanju teže v ortopedski in dentalni kirurgiji. Prevleka je sestavljena iz porozne kovinske prevleke (na osnovi titana), ki je opcijsko prekrita z vmesno prevleko iz titanovega oksida in s prevleko iz bioaktivnega stekla ali steklo-keramike. Prevleka je večfunkcionalna: porozna kovinska površina omogoča pritrditev kostnih celic in novonastalega kostnega tkiva. Prevleka iz bioaktivnega stekla je bioaktivna (v simulirani telesni tekočini se v roku 7 dni tvori HA z razmerjem Ca/P —1,6) , biokompatibilna (stimulacija proliferacije humanih osteoblastov) in hidrofilna (kontaktni kot manjši od 20 °), kar omogoča hitro adsorpcijo proteinov krvne plazme. V telesni tekočini se kontrolirano raztaplja in zato le rahlo spreminja vrednost pH, ki pa ne preseže vrednosti pH 8 ter telo zalaga z potrebnimi elementi za pospešitev osteointegracije. Elementi prisotni v bioaktivnem steklu pospešijo rast kostnih celic, ki se zarastejo v porah kovinske prevleke in tako omogočajo močno povezavo med vsadkom in kostjo. Ko se prevleka iz bioaktivnega stekla raztopi, prevleka iz titanovega oksida znatno zmanjšuje uhajanje ionov (več kot 40 % zmanjšanje) iz vsadka v telo in preprečuje negativne reakcije telesa na vsadek.

Poleg klinično dokazanih pozitivnih efektov na celjenje kosti, omogoča bioaktivno steklo tudi izboljšano oseointegracijo vsadka in vraščanje kostnih celic na površini vsadka, dobro adhezijo kosti z vsadkom in trajnost vsadka z namenom prenašanja teže. Ena pomembnejših karakteristik inovativnega vsadka je tudi ta, da se lahko prevleka iz bioaktivnega stekla nanese v porozno prevleko iz titana, ki po možnosti vsebuje tudi prevleko iz titanovega oksida. -11-

Velikost delcev bioaktivnega stekla je takšna, da se lahko infiltrirajo v pore in jih tako zapolnijo.

Prevleko na vsadkih se pripravi po večstopenjskem procesu, ki je sestavljen iz depozicije porozne prevleke na osnovi titana, morebitne hidrotermalne obdelave površine vsadka za nastanek vmesne prevleke iz titanovega oksida, sinteze prahu bioaktivnega stekla z majhno velikostjo delcev in njihove depozicije ali infiltracije v porozno površino vsadka ter termična obdelave.

Večslojni in večfunkcionalni vsadki združujejo spreminjanje površine vsadka, zaščitno prevleko in prevleko iz bioaktivnega stekla. Izum omogoča izboljšano oseointegracijo in daljšo življenjsko dobo vsadka.

Postopek za pripravo vsadkov z večslojno prevleko, predstavljen v tem izumu, temelji na uporabi specifičnega prahu bioaktivnega stekla in je kot tak nov ter se ga lahko pripravi z novo, predstavljeno metodo. Nova metoda za pripravo bioaktivnega stekla, partikularna sol-gel sinteza prahu, omogoča pripravo delcev z definirano kemijsko sestavo in velikostjo, ki je manjša od 10 pm, preferenčno manjša od 1 pm, ki se jih nato infiltrira v pore kovinskih vsadkov, ki imajo velikost por med 20 in 200 pm. Prah bioaktivnega stekla se v pore lahko infiltrira s pomočjo vakuuma ali tlaka. Termična obdelava omogoča bioaktivnemu steklu zadostno integriteto in dobro povezavo s kovino. Takšna prevleka omogoča visoko bioaktivnost in pritrditev celic ter njihovo proliferacijo in zagotavljajo hitrejšo oseointegracijo vsadka.

Postopek za pripravo vsadkov z večslojno prevleko je sestavljen iz naslednjih korakov: 1. Vsadek se najprej prekrije s porozno prevleko na osnovi titana (z uporabo plazemskega napraševanja ali pa termično pritrjevanje titanovih kroglic ali kroglic iz titanovih zlitin na površino vsadka ali katerikoli drugi znan postopek, ki omogoča nastanek porozne površine). -12- 2. Opcijska prevleka iz titanovega oksida, ki jo dobimo po hidrotermalnem postopku v raztopini, ki vsebuje titan. 3. Bioaktivno steklo se pripravi po sol-gel postopku, prednostno po partikularni metodi, kiji sledi kalciniranje. 4. Prevleko iz bioaktivnega stekla se nanese z infiltracijo raztopine prahu bioaktivnega stekla (v organskem topilu) v porozno prevleko vsadka s pomočjo vakuuma ali nadtlaka. 5. Bioaktivnemu steklu v porah se poveča gostoto s pomočjo termične obdelave (sintranje)

Ad.l: Kovinski vsadek se prekrije z 0,1 do 5 mm debelo porozno prevleko na osnovi titana s povezanimi porami, ki imajo velikost 20 do 500 pm in poroznostjo 15 do 85 %. Porozno kovinsko prevleko se lahko nanese s pomočjo vakuumskega plazemskega naprševanja titana (ali njegovih zlitin) ali z varjenjem titanovih delcev (ali kroglic) ali s pomočjo drugih tehnik. Prevleka mora biti trdno pritrjena na podlago.

Ad.2: Prevleka titanovega oksida se sintetizira s segrevanjem vsadka v raztopini s titanovimi ioni, pH raztopine je med 3 in 12, T med 120 in 300 °C za 6 do 96 ur. Postopek je naslednji:

Titanove ione v obliki titana ali prahu titanovega oksida ali titanove soli resuspendiramo v destilirani vodi, kateri pH nato nastavimo med 3 in 12 z uporabo NaOH, KOH, Ca(OH)2, NH40H ali tetra-alkil-amonijevega hidroksida in citronske ali fosforne kisline. Mešanico vlijemo v avtoklav, ki ima stene narejene iz titana ali Teflona ali v kateregakoli drugega materiala, kije temperaturno in kemijski stabilen. Vsadek potopimo v raztopino.

Avtoklav se tesno zapre in segreje na temperaturo 120 do 300°C za 6 do 96 ur in nato ohladi na sobno temperaturo. Vsadek se po hidrotermalni obdelavi spere in sonicira v destilirani vodi in/ali v kakšnem drugem organskem topilu. -13-

Tako pripravljena prevleka iz titanovega oksida je debela do 5 pm in sestavljena iz gosto pakiranih zrn titanovega oksida s pinakoidalno (okrnjeno) strukturo, ki je trdno vezana na površino vsadka.

Ad.3: Prah bioaktivnega stekla se lahko pripravi po partikularnem sol-gel postopku, z uporabo prekurzorjev, ki so alkoksidi in nitrati in z bazo kot katalizatorjem. Sestava bioaktivnega stekla je dvo-komponenta: SiCVCaC), tri-komponenta: Si02-Ca0-Mx0y, kjer je M Na, SR, Zn, Mg, B, P ali Ag; ali več-komponenta, kjer je lahko prisoten več kot le en MxOy. Količina vsakega oksida lahko variira med 30 in 95 % za S1O2, 0,05 do 40% za CaO, od 0 do 30 % za SrO, od 0 do 40 % za P2O5, od 0 do 30% za ZnO, od 0 do 40 % za MgO in B2O3 in od 0 do 30 % za Na20 (molami %).

Prekurzorji za sol-gel postopek so alkoksidi in soli. Prekurzorji za S1O2 so lahko alkoksidi, med drugim tudi tetraetil ortosilikat (TEOS) (preferenčno), tetrametil ortosilikat (TMOS), metiltrietoksi silikat (MTEOS). Kot prekurzor za P2O5 se lahko uporabi trietil fosfat (TEP) in drugi. Kot prekurzorje za ZnO, SrO in CaO se uporabi topne nitrate in acetate. Kot prekurzoije za kalcij se uporablja soli, nitrate in acetate. Prekurzorji za Na20 so lahko soli (priporočljivo) ali alkoksidi. Raztopine se pripravi pri bazičnih razmerah.

Prekurzorje (alkokside in soli) se zmeša z 20 - 95 volumskimi %, najboljše 50 volumskimi % alkilnega alkohola, ki sta lahko, ne pa nujno, etanol in metanol. Mešanico vseh reagentov raztopine Ml nato kapljamo v raztopino organskega topila (alkilni alkohol, ki je lahko, ne pa nujno metanol ali etanol), destilirane vode in baze, kije lahko tudi amoniak, tetrametilamonijev hidroksid (TMAH), tetrapropilamonijev hidroksid (TPAH), NaOH (le če je del sestave raztopine M2). Doda se tudi soli, če niso bile dodane v mešanico Ml. Molamo razmerje EhO/ortosilikat (TEOS) mora biti med 4 in 20. Mešanico se med dodajanjem Ml intenzivno meša. pH vrednost mešanice M2 je potrebno obdržati okoli pHIO (9-12), da se zagotovi iste pogoje za reakciji hidrolize in kondenzacije mešanice Ml do konca procesa in da se izognemo možnosti nastanka kalcijevega hidroksida zaradi previsokega pH raztopine M2. Če je natrij del sestave bioaktivnega stekla in se ga dodaja v obliki Na-alkoksida, se ga vmeša v mešanico Ml namesto M2, ki tako zagotavlja dovolj visok pH in zato ni potrebno dodajati druge baze. -14-

Sol-gel postopek lahko izvajamo tudi tako, da prekurzorjev ne zamešamo s postopnim kapljanjem. V tem primeru se mešanico Ml (TEOS/TEP in topilo, ki je akilni alkohol, najboljše etanol ali metanol) vlije v mešanico M2 (destilirana voda, soli in topilo, ki je alkilni alkohol, najboljše etanol ali metanol). pH mešanice M2 mora biti v mejah med 9,5 in 11, kar je odvisno od sestave bioaktivnega stekla, še posebej od količine kalcijevih soli, ki lahko pri visokem pH izpadejo kot kalcijev hidroksid. pH mešanice Ml je potrebno vzdrževati pri vrednosti pH višji od 9 z isto bazo, kot smo jo uporabili za uravnavanje vrednosti pH mešanice M2.

Oba procesa se lahko izvede pri sobni temperaturi lahko pa tudi pri višji, če se želi pospešiti reakcijo. Mešanico se meša eno uro in nato segreva na 50 °C, da se dobi prah, ki se ga nato kalcinira pri temperaturi med 600 - 700 °C, kar je odvisno od sestave bioaktivnega stekla, s čimer se znebi organskih snovi in nitratov.

Prah, ki se ga pridobi vsebuje 30 do 95 % S1O2, od 0,05 do 40 % CaO, od 0 dO 30 % SrO, od 0 do 40 % P2O5, od 0 do 30 % ZnO, od 0 do 40 % MgO in B2O3 ter od 0 do 30 % Na20 (molami %).

Ad. 4: Bioaktivno steklo se nato infiltrira v obliki brezvodne suspenzije prahu v porozno prevleko na površini vsadka s pomočjo vakuumske infiltracije ali s pomočjo povišanega tlaka. Bioaktivno steklo se lahko vmeša v biopolimemo raztopino, ki se jo nato prav tako infiltrira v pore s pomočjo vakuuma ali povišanega tlaka.

Ad. 5: Prevleko se nato posuši in termično obdela pri temperaturi med 100 in 900 °C, kar je odvisno od sestave bioaktivnega stekla.

Izum bo v nadaljevanju opisan z izvedbenimi primeri in s pomočjo slike izuma, kjer slika 1 predstavlja posnetek (z optičnega mikroskopa) inovativnega vsadka, ki ima prevleko iz bioaktivnega stekla (belo), kije infiltrirano v porozno titanovo prevleko (črno) in je na ogrodju iz TiiAUV (spodnji temnejši del). -15-

Izvedbeni primer 1:

Na T16AI4V vsadek se s pomočjo vakumskega naprševanja v plazmi nanese 0,5 mm debela prevleka iz poroznega titana, ki ima velikost por med 20 in 500 pm.

Raztopino za prevleko iz titanovega oksida se pripravi iz 100 ml destilirane vode, 1 g titanovega prahu, 0,5 g CaF2 in 0,1 g S1O2. Natrijev hidroksid, tetrametilamonijev hidroksid, fosforna kislina in citronska kislina se uporabi za uravnavo vrednosti pH na 10.

Vsadek, prekrit s porozno titanovo prevleko se položi v teflonski posodo, katerega volumen napolnimo do meje 50 volumskih % suspenzije titanovega oksida. Teflonsko posodo se učvrsti v jeklen avtoklav, tesno zapre in segreva pri temperaturi 200 °C 48 h. Po segrevanju pustimo, da se teflonska posoda v jeklenem avtoklavu ohladi na sobno temperaturo. Ko je avtoklav ohlajen na sobno temperaturo se iz teflonske posode vzame vsadek, ki se ga nato očisti s pomočjo sonifikacije v destilirani vodi (10-krat po 10 min) in etanolu za 1 uro. Vsadek se na koncu suši 3 h v toku vročega zraka (50° C)

Za pripravo bioaktivnega stekla s sestavo 58 % S1O2, 30 % CaO, 8 % P2O5 in 4 % ZnO (masni %) je potrebno narediti raztopini Ml in M2. Za pripravo raztopine Ml je potrebno 43 ml TEOS-a in 2 ml TEP-a raztopiti v 43,5 ml EtOH. Raztopino se meša 1 uro v zaprti posodi, da se izognemo stiku z vlago. Raztopino M2 pripravimo tako, da se 17 g kalcijevega nitrata tetrahidrata popolnoma raztopi v destilirani vodi, doda 1,45 g cinkovega acetata, ki se raztopi ter doda 216 ml EtOH in dodatnih 43 ml destilirane vode. S pomočjo amonijevega hidroksida se vrednost pH raztopine M2 uravna na 11. Raztopino M2 se počasi meša še dodatno uro, po eni uri se začne ob konstantnem mešanju po kapljicah dodajati raztopino Ml, paziti je potrebno, da se pH nahaja v meji med 10 in 11.

Po mešanju se suspenzijo posuši pri 60 °C. Pridobljen prah se nato kalcinira pri 600°C 2 h. Suspenzijo bioaktivnega stekla v etanolu se za infiltracijo dispergira s soniciranjem z ultrazvočnim prstom. -16-

Vsadek iz T16AI4V, ki je prekrit s prevleko iz poroznega titana, na kateri je prevleka iz titanovega oksida položimo v posodo z dvema ventiloma. Eden služi za vakuumiranje, drugi za dodajanje suspenzije. Posoda mora biti trdno zaprta. Suspenzijo se s pomočjo vakuma nanese v pore prevleke. Po infiltraciji bioaktivnega stekla se podtlak ohrani še dodatno 1 do 2 minuti. Vzorce se nato posuši na sobni temperaturi.

Prevleko se sintra v vakuumski peči pri 875 °C za 2 uri s korakom segrevanje 5 °C/min in spontanim ohlajanjem.

Izvedbeni primer 2:

Vsadke iz T16AI4V se prekrije s privarjenimi titanovimi kroglicami.

Raztopino za prevleko iz titanovega oksida za se pripravi iz 100 ml destilirane vode, 1 g prahu titanovega oksida in 0,5 g CaF2 ter 0,1 g S1O2. pH vrednost, ki mora biti 10 se uravna z amonijakom, tetrametilamonijevim hidroksid ali s fosforno ali citronsko kislino.

Vsadek se da v teflonsko posodo, katere volumen napolnimo do meje 50 volumskih % suspenzijo titanovega oksida. Teflonsko posodo se pričvrsti v jeklen avtoklav, tesno zapre in segreva pri temperaturi 150 °C 48 h. Po segrevanju pustimo da se teflonska posoda v jeklenem avtoklavu ohladi na sobno temperaturo. Ko je avtoklav ohlajen na sobno temperaturo se iz teflonske posode vzame vsadek, ki se ga nato očisti s pomočjo sonifikacije v destilirani vodi (10-krat po 10 min) in etanolu za 1 uro. Vsadek se na koncu suši 3h pod tokom vročega zraka (50°C).

Za pripravo bioaktivnega stekla s sestavo 53 % S1O2, 20 % CaO, 4 % P2O5 in 23 % N2O (masni %) se pripravi tako, da se kot prekurzor za N20 uporabi alkoksid. Potrebno je pripraviti raztopini Ml in M2. Za pripravo raztopine Ml je potrebno 10 ml TEOS-a in 0,5 ml TEP-a raztopiti v 13 ml EtOH. Nato se doda 2,56 g natrijevega etoksida raztopljenega v etanolu. -17- • ♦

Raztopino se meša 1 uro v zaprti posodi, da se izognemo stiku z vlago. Raztopino M2 pripravimo tako, da se 4,28 g kalcijevega nitrata tetrahidrata popolnoma raztopi v 5 ml destilirane vode ter 52 ml EtOH in dodatnih 10,5 ml destilirane vode. S pomočjo amonijevega hidroksida se pH raztopine M2 uravna na vrednost 11,3. Raztopino M2 pustimo, da se počasi meša še dodatno uro, po eni uri se začne ob konstantnem mešanju po kapljicah dodajati raztopino Ml, paziti je potrebno, da se vrednost pH nahaja v meji med 10 in 11, hitrost dodajanja suspenzije Ml je odvisna od pH vrednosti suspenzije M2

Po mešanju se suspenzijo posuši pri 60 °C. Pridobljen prah se nato kalcinira pri 600°C 2h. Suspenzijo bioaktivnega stekla v etanolu se za infiltracijo dispergira s soniciranjem z ultrazvočnim prstom.

Vsadek iz T16AI4V in prekrit s prevleko iz poroznega titana, na kateri je prevleka iz titanovega oksida, položimo v posodo z dvema ventiloma. Eden služi za vakuumiranje, drugi za dodajanje suspenzije. Posoda mora biti trdno zaprta. Suspenzijo se s pomočjo vakuma nanese v pore prevleke. Po infiltraciji bioaktivnega stekla se podtlak ohrani še za dodatno 1 do 2 minuti. Vzorce se nato posuši pri temperaturi 70 °C. Prevleko se sintra v vakuumski peči pri 810 °C za 2 uri s korakom segrevanje 5 °C/min in spontanim ohlajanjem.

Izvedbeni primer 3: T16AI4V vsadek se s pomočjo vakumskega plazemskega naprševanja nanese 0,5 mm debela prevleka iz poroznega titana.

Za pripravo bioaktivnega stekla s sestavo 70 % S1O2 in 30 % CaO, (masni %) se 4,28 g kalcijevega nitrata tetrahidrata popolnoma raztopi v 6 g destilirane vode ter doda v 95,64 g EtOH in 16,36 g destilirane vode. Vrednost pH mešanice uravnamo na 11,3. Mešanico pustimo, da se počasi meša še dodatne pol ure, ko se doda 12,584 g TEOS-a. Mešanico se nato segreje na 40 °C in meša 1 uro. Vrednost pH raztopine se nadzoruje, da ne pade pod 10, za kar uporabimo raztopino amoniaka. -18-

Po mešanju se suspenzijo posuši pri 60 °C. Pridobljen prah se kalcinira pri 600°C 2h.

Za infiltracijo se pripravi suspenzijo bioaktivnega stekla, ki vsebuje 2 ut. % PEI 1800. Suspenzijo se dispergira z ultrazvočnim prstom.

Vsadek iz T16AI4V, prekrit s prevleko iz poroznega titana, na kateri je prevleka iz titanovega oksida, se položi v posodo z dvema ventiloma. Eden služi za vakuumiranje, drugi za dodajanje suspenzije. Posoda mora biti trdno zaprta. Suspenzijo se s pomočjo vakuma nanese v pore prevleke. Po infiltraciji bioaktivnega stekla se podtlak ohrani še 1 do 2 minuti. Vzorce se nato posuši in sintra v vakuumski peči pri 850 °C za 2 uri s korakom segrevanje 5 °C/min in spontanim ohlajanjem.

Prikazani podatki v dosednjih opisih, slikah in trditvah, se lahko ločeno in povezano uporabijo za izvedbo različnih verzij izuma.

Claims (14)

1. -19- Zahtevki 1. Kostni vsadki, označeni s tem, da imajo na svoji površini večslojno prevleko, ki je sestavljena iz porozne prevleke na osnovi titana, iz opcijske vmesne prevleke iz titanovega oksida, ki se jo nanese na in/ali v porozno prevleko na osnovi titana, in iz prevleke iz bioaktivnega stekla, ki se jo nanese na in/ali v porozno prevleke na osnovi titana in opcijske prevleke iz titanovega oksida.
2. 2. Kostni vsadki po zahtevku 1 označeni s tem, da so izdelani iz kovine, prednostno iz titana ali titanovih zlitin kot je T16AI4V, magnezijevih zlitin, železovih zlitin, kobalt-kromovih zlitin ali iz jekla.
3. 3. Kostni vsadki po zahtevku 1 ali 2, označeni s tem, da imajo na svoji površini prevleko na osnovi titana, ki ima debelino med 0,1 in 5 mm in/ali poroznost med 15 in 85 % in/ali velikost por med 20 in 500 pm, preferenčno med 50 in 200 pm.
4. 4. Kostni vsadki po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, označeni s tem, da imajo prevleko iz titanovega oksida debeline največ 5 pm.
5. 5. Kostni vsadki po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, označeni s tem, da imajo prevleko iz bioaktivnega stekla debeline vsaj 2 pm in/ali imajo pore v dovolj veliki meri zapolnjene z bioaktivnim steklom.
6. 6. Kostni vsadki po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, označeni s tem, da je nanje naneseno bioaktivno steklo v obliki prahu, ki ima delce velikosti manj kot 10 pm, preferenčno pod 1 pm in/ali je bioaktivno steklo vsaj delno sintrano.
7. 7. Kostni vsadki po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, označeni s tem, da je bioaktivno steklo sestavljeno iz S1O2 in CaC>2 in opcijsko iz enega ali več oksidov, ki jih lahko -20- izberemo med Na20, K20, SrO, ZnO, MgO, B203, P205, Ag20 ali spojin, ki vsebujejo fluor.
8. 8. Kostni vsadki po zahtevku 6, označeni s tem, daje bioaktivno steklo sestavljeno iz 30 do 95 masnih % Si02, 0,05 do 40 masnih % CaO, 0 do 30 masnih % SrO, 0 do 40 masnih % P205, 0 do 30 masnih % ZnO, 0 do 40 masnih % MgO, 0 do 40 masnih % B203 in 0 do 30 masnih % Na20.
9. 9. Kostni vsadki po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, označeni s tem, da imajo prevleko iz titanovega oksida naneseno na prevleko na osnovi titana in/ali v pore prevleke na osnovi titana, in/ali imajo prevleko iz bioaktivnega stekla naneseno na prevleko iz titanovega oksida in/ali v porozno strukturo prevleke na osnovi titana in/ali opcijske prevleke iz titanovega oksida.
10. 10. Kostni vsadki po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, označeni s tem, da se jih uporablja kot trajne kostne vsadke in/ali kot vsadke za prenašanje teže.
11. 11. Postopek priprave kostnih vsadkov, ki imajo večslojno prevleko, označen s tem, daje sestavljen iz korakov: a. Nanos prevleke iz poroznega titana na površino kostnega vsadka, b. Opcijski nanos dodatne prevleke iz titanovega oksida na ali/in v pore prevleke iz titana, c. Nanos prevleke iz bioaktivnega stekla na in/ali v porozno strukturo prevleke na osnovi titana in opcijske prevleke iz titanovega oksida.
12. 12. Postopek po zahtevku 11, označen s tem, da se porozno prevleko na osnovi titana nanese z vakumskim plazemskim napraševanjem, nanašanjem titanovih kroglic na površino vsadka ali s katerokoli drugo tehniko za strukturiranje površine.
13. 13. Postopek po zahtevkih 11 in 12, označen s tem, da se vmesno prevleko iz titanovega oksida na kostni vsadek nanese s hidrotermalno sintezo v raztopini titanovih ionov. -21-
14. 14. Postopek po zahtevkih od 11 do 13, označen s tem, da se prevleko iz bioaktivnega stekla nanese z infiltracijo suspenzije prahu bioaktivnega stekla na in/ali v porozno strukturo predhodne prevleke, preferenčno s pomočjo vakuuma ali nadtlaka, ki se mu nato izboljša gostoto s termično obdelavo.