Beschreibung
Bioresorbierbares und mineralisiertes Material zur Füllung von Knochendefekten
Die Erfindung betrifft in erster Linie ein bioresorbierbares und minerali¬ siertes Material zur Füllung von Knochendefekten.
Der natürliche Knochen besteht zu etwa 70 % aus anorganischen Kom¬ ponenten, insbesondere aus Hydroxylapatit, und zu etwa 20 % aus or¬ ganischen Komponenten, insbesondere aus Kollagen Typ I, die durch knochenbildende Zellen, sogenannte Osteoblasten, produziert und se- zemiert bzw. angelagert werden, sowie zu etwa 10 % aus Wasser. Zu einem geringen Anteil sind auch sogenannte nicht-kollagene Proteine, insbesondere Osteocalcin, Osteonektin und Osteopontin, Zytokine, Wachstumsfaktoren, Proteoglycane sowie Fette vorhanden.
Der natürliche Knochen ist einem ständigen Ab- und Aufbau, einem so¬ genannten „Remodelling", unterworfen. Die Induktion der Knochenneu¬ bildung, die sogenannte Osteogenese, geht ebenso wie bei der Fraktur¬ heilung vom Knochen selbst aus. Der Knochen besitzt somit die voll¬ ständige Information, um funktionellen Knochen zu bilden. Der Knochen¬ regeneration können jedoch durch die Größe eines Defektes und vielfäl¬ tige funktionelle Störungen, beispielsweise Stoffwechselerkrankungen, natürliche Grenzen gesetzt sein.
Die Behandlung von Knochendefekten in der medizinischen Versorgung spielt vor allem in der Orthopädie, Unfallchirurgie, Kiefer- und Zahnchi¬ rurgie sowie der Handchirurgie eine bedeutende Rolle. Knochendefekte können unterschiedliche Ursachen haben, beispielsweise können sie durch Zysten, Atrophien, Tumore etc. verursacht werden. Komplizierte
Trümmerfrakturen, Mißbildungen und Implantatlockerungen stellen da¬ bei die größten Herausforderungen an eine Therapie. Daher liegt der Fokus der Behandlung zunehmend auf der Rekonstruktion des Defektes durch geeignete Füllmaterialien.
Zur Füllung von Knochendefekten stehen eine Vielzahl verschiedener Materialien zur Verfügung, insbesondere solche, die schlecht oder gar nicht bioresorbierbar sind und solche, die im Körper resorbiert werden. Erstere bestehen beispielsweise aus porösen Calciumphosphat-Kera- miken. Sie verfügen zwar über ausreichende osteokonduktive Eigen¬ schaften, d. h. infolge des Vorliegens einer strukturgebenden Matrix ü- ber lasttragende Eigenschaften, haben aber den Nachteil, daß sie im Körper verbleiben und von dem neuen Knochen nur durchwachsen wer¬ den.
Bei den bioresorbierbaren Knochenersatzmaterialien handelt es sich häufig um synthetische Polymere, insbesondere um Polylactid oder Po- lyglycolid. Diese werden in vivo durch Hydrolyse abgebaut, was je nach eingesetztem Polymer zu einer Freisetzung von sauren Abbauproduk¬ ten, beispielsweise von Milchsäure oder Glycolsäure, und damit zu einer lokalen Übersäuerung im Körper führen kann.
Daher führte die Weiterentwicklung bioresorbierbarer Knochenersatzma¬ terialien zu Füllstoffen, die überwiegend aus natürlichem, insbesondere tierischem, vorzugsweise equinem, porcinem oder bovinem, Knochen¬ gewebe bestehen. Dabei handelt es sich häufig um demineralisierte Knochenmaterialien, bei welchen der anorganische Anteil (Mineralien) bis auf Spuren nahezu vollständig entfernt wurde. Die verbleibende or¬ ganische Matrix, die im wesentlichen aus Kollagen besteht, kommt in ihrer Zusammensetzung und Struktur natürlichem Knochen sehr nahe. Dies bewirkt, daß das demineralisierte Knochenmaterial stabilisierende bzw. osteokonduktive Eigenschaften besitzt. Ein Beispiel für eine derar-
tige Biomatrix ist der unter der Bezeichnung COLLOSS® kommerziell er¬ hältliche lyophilisierte renaturierte Kollagen-Extrakt der Anmelderin aus bovinem Knochen. Dabei unterstützt COLLOSS® den Knochenwachs¬ tums- und Knochenneubildungsprozeß durch seine strukturelle Biokom¬ patibilität. Allerdings können bei größeren zu behandelnden Knochen¬ defekten die lasttragenden Fähigkeiten dieser Materialien nicht ausrei¬ chend sein. Insbesondere ist es häufig gerade in der Anfangszeit der Behandlung erforderlich, das betroffene Körpersegment zusätzlich durch metallische Werkstoffe, beispielsweise Platten oder Marknägel, zu stabi¬ lisieren.
Ein vielversprechender Ansatz zur Stabilitätserhöhung der auf Kollagen basierenden Knochenersatzmaterialien bietet die Mineralisierung von Kollagen (M. Gelinsky, U. König, A. Sewing, W. Pompe: Poröse Scaf- folds aus mineralisiertem Kollagen - ein biomimetisches Knochenersatz¬ material. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2004, 35, No. 4). Allerdings wird dieser Ansatz unter denaturierenden Bedingungen durchgeführt. Durch die Denaturierung der Kollagenmatrix, insbesondere infolge einer Säu¬ rebehandlung, kann es zu einer Beeinträchtigung der osteoinduktiven Eigenschaften des Knochenersatzmaterials kommen, was mit Hinblick auf die Neubildung von körpereigenem Knochen- oder Knorpelgewebe möglichst vermieden werden soll.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein osteoinduktives Material zur Füllung von Knochendefekten bereitzustellen, welches im wesentli¬ chen der natürlichen Knochenzusammensetzung entspricht. Dieses Ma¬ terial soll im Vergleich zu den herkömmlichen Knochenersatzmaterialien auf der Basis von Kollagen deutlich verbesserte osteokonduktive Eigen¬ schaften aufweisen, also eine verbesserte lasttragende und/oder volu¬ menstabile (volumenstabilisierende) Funktion beim Wiederaufbau von körpereigenen Knochen besitzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Material, wie es im Anspruch 1 be¬ schrieben ist. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Materials sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 18 ausgeführt. Formkörper, die zu¬ mindest teilweise aus dem erfindungsgemäßen Material bestehen, sind in den Ansprüchen 19 bis 21 dargestellt. Die Ansprüche 22 bis 28 be¬ ziehen sich auf ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers zur Füllung von Knochendefekten. Durch Bezugnahme wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche zum Inhalt der Beschreibung ge¬ macht.
Bei dem erfindungsgemäßen Material zur Füllung von Knochendefekten handelt es sich um ein bioresorbierbares und mineralisiertes Material, das unter anderem eine Kollagenmatrix aus zusammengelagerten bzw. aggregierten Kollagenketten bzw. -molekülen aufweist, wobei im we¬ sentlichen nur die Oberfläche der zusammengelagerten bzw. der einzel¬ nen sich zusammenlagernden Kollagenketten mineralisiert ist, d. h. von Kristalliten einer mineralischen Substanz umhüllt ist. In bevorzugter Wei¬ se handelt es sich bei dem Kollagen hauptsächlich um Kollagen Typ I.
Bei dem zu mineralisierenden Material kann es sich um eine native Kol¬ lagenmatrix mit tripelhelicalen Kollagenketten (einzelne Kollagenketten sind zu einer Tripelhelix zusammengelagert) handeln. Dies ist beson¬ ders bevorzugt, da das daraus resultierende Netzwerk aus Kollagenfa¬ sern und/oder -fibrillen in seinem natürlichen Zustand vorliegt und nicht in eine künstliche räumliche Anordnung gebracht werden muß. Dies hat zur Folge, daß bereits die im natürlichen Zustand belassene organische Matrix aus Kollagen osteokonduktive bzw. lasttragende und/oder volu¬ menstabile Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise ist die native Kolla¬ genmatrix, insbesondere eine Matrix vom Kollagen Typ I, sowohl inner¬ halb der Matrix als auch an ihrer Oberfläche mineralisiert. Dies trägt zu einer zusätzlichen Erhöhung der osteokonduktiven Eigenschaften der Kollagenmatrix bei.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsge¬ mäße Material eine ursprünglich denaturierte und anschließend wieder renaturierte Kollagenmatrix, wobei die Kollagenketten zu einer Über¬ struktur, vorzugsweise einer netzähnlichen Struktur, zusammengelagert sind. Vorteilhafterweise handelt es sich bei einer solchen Kollagenmatrix um das Material COLLOSS®, vorzugsweise um COLLOSS® E, der An¬ melderin.
Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß ein Teil der Kollagenketten in einer tripelhelicalen Struktur vorliegt, so daß die rena¬ turierte Kollagenmatrix, insbesondere COLLOSS®, vorzugsweise COLLOSS® E, sowohl Bereiche mit tripelhelicalen Strukturen als auch mit Überstrukturen, insbesondere netzähnlichen Strukturen, aufweist.
Vorzugsweise enthält die Kollagenmatrix sowohl natives Kollagen als auch renaturiertes Kollagen. Bei dem nativen Kollagen handelt es sich bevorzugt um reines Kollagen, insbesondere um Kollagen vom Typ I, welches beispielsweise aus Sehnen oder Haut hergestellt ist. Das native Kollagen dient aufgrund seiner bereits erwähnten osteokonduktiven Ei¬ genschaften als Stabilisierungskomponente für die Struktur der renatu¬ rierten Kollagenmatrix, vorzugsweise von COLLOSS®. In einer beson¬ ders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der renaturierten Kollagenmatrix um COLLOSS® E.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt das erfin¬ dungsgemäße Material osteoinduktive (knochenwachstumsinduzieren- de) Eigenschaften. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Material selbst durch das Vorliegen einer nativen oder renaturierten Kollagenmat¬ rix bereits osteoinduktive Eigenschaften auf. Es kann aber auch bevor¬ zugt sein, eine Osteoinduktivität des Materials durch Dotierung mit ent¬ sprechenden osteoinduktiven Wirkstoffen zu erzielen.
Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Material mindestens einen Wirk¬ stoff auf, insbesondere einen die Osteogenese aktivierenden und/oder stimulierenden Wirkstoff. Dies kann besonders bevorzugt sein, um die osteoinduktiven Eigenschaften des mineralisierten Materials zu verstär¬ ken. Vorzugsweise ist der Wirkstoff nativen Ursprungs. Unter einem sol¬ chen Wirkstoff soll ein in seiner natürlichen Struktur (Konformation) vor¬ liegender bzw. nativer Wirkstoff verstanden werden, der in einer im we¬ sentlichen nativen oder renaturierten Kollagenmatrix vorliegt. Erfin¬ dungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Wirkstoff innerhalb der Kolla¬ genmatrix und/oder auf deren Oberfläche vorliegen kann. Bei dem Mate¬ rial COLLOSS® der Anmelderin handelt es sich um eine als Extrakt vor¬ liegende Kollagenmatrix bovinen Ursprungs, die mindestens einen nati¬ ven Wirkstoff, vorzugsweise mehrere der im folgenden beschriebenen Wirkstoffe, insbesondere in Form eines Komplexes, aufweist. Bei dem Material COLLOSS® E der Anmelderin handelt es sich um eine als Ex¬ trakt vorliegende Kollagenmatrix equinen Ursprungs, die mindestens ei¬ nen nativen Wirkstoff, vorzugsweise mehrere der im folgenden be¬ schriebenen Wirkstoffe, insbesondere in Form eines Komplexes, auf¬ weist. Der ebenso kommerziell erhältliche Kollagenextrakt equinen Ur¬ sprungs der Anmelderin (COLLOSS® E) ist aufgrund der besonders ge¬ ringen Wahrscheinlichkeit einer Transmibilität von Krankheitserregern in besonderem Maße bevorzugt.
Mit Vorteil enthält das erfindungsgemäße Material sogenannte Rekrutie¬ rungsfaktoren, insbesondere Chemotaktika (Chemotaxine), beispielswei¬ se Leukotriene, welche gezielt Körperzellen, vorzugsweise mesen¬ chymale Stammzellen, Knorpelvorläuferzellen, Fibroblasten und/oder Thrombozyten, zu einer Penetration des bioresorbierbaren und minerali¬ sierten Materials veranlassen.
Es kann auch bevorzugt sein, daß das erfindungsgemäße Füllmaterial sogenannte Adhäsionsfaktoren zur Immobilisierung der eingewanderten Zellen auf bzw. in dem mineralisierten Material enthält. Das erfindungs¬ gemäße Material zeichnet sich in vorteilhafter Weise dadurch aus, daß es insbesondere Cytotactin, Tenascin, Laminin und/oder Fibronectin als Adhäsine enthält.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erfindungsgemäße Material Wachstums-und/oder Maturationsfakto- ren zur Proliferation und Differenzierung der eingewanderten Zellen, ins¬ besondere Cytokine, auf. Vorzugsweise handelt es sich bei den Wachs¬ tumsfaktoren um Knochenwachstumsfaktoren, beispielsweise um BMP (bovine morphogenetic protein), insbesondere BMP-II, BMP-VII und/ o- der BMP-IV, sowie um IGF (insuline like growth factor), insbesondere um IGF-I, und um TGF (transforming growth factor), insbesondere TGF- ßl. Vorzugsweise enthält das erfindungsgemäße Material FGF (fibroblast growth factor) und PDG (platelet derived growth factor) als weitere Wachstumsfaktoren.
Mit Vorteil kann das bioresorbierbare und mineralisierte Material eine Kombination der oben beschriebenen Wirkstoffe besitzen. Dies kann be¬ sonders bevorzugt sein, um überadditive bzw. synergistische Effekte bei der Rekonstruktion eines Knochendefektes durch körpereigenes Mate¬ rial zu erzielen. Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, daß sich die Wirkstoffe, insbesondere die bereits erwähnten Wirkstoffe, bezüglich ihrer Funktion und Wirkungsweise teilweise überlappen. Auf diese Wei¬ se kann in vorteilhafter Weise der Ausfall eines oder mehrerer Wirkstoffe kompensiert werden, ohne daß es zu einer Beeinträchtigung, insbeson¬ dere zu einer Verringerung ihres Wirkungserfolgs, vorzugsweise der Osteoinduktivität, kommt. Bezüglich der oben beschriebenen Beispiele für native Wirkstoffe wird auf die EP 0 500 556 B1 verwiesen.
In einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform weist das erfin¬ dungsgemäße Material einen Wirkstoffkomplex, vorzugsweise einen die Osteogenese aktivierenden und/oder stimulierenden Wirkstoffkomplex, auf. Im Falle der Materialien COLLOSS® und COLLOSS® E der Anmel¬ derin handelt es sich jeweils um Kollagenextrakte, welche einen osteo- induktiven Wirkstoffkomplex aufweisen. Bezüglich weiterer Eigenschaf¬ ten des Wirkstoff komplexes, insbesondere bezüglich seiner Zusammen¬ setzung, wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
Außerdem kann es bevorzugt sein, daß das bioresorbierbare und mine- ralisierte Material einen antimikrobiotischen Stoff aufweist. Mit Vorteil handelt es sich bei dem antimikrobiotischen Stoff um ein Antibiotikum, das mögliche Immunabwehrreaktionen im Körper vermeidet bzw. unter¬ drückt.
Weiterhin ist es möglich, daß das Material mit einem Zytostatikum aus¬ gerüstet ist. Dies ist besonders bei krebsartigen Veränderungen im Be¬ reich des Knochendefektes und/oder des umliegenden Gewebes vorteil¬ haft. Aber auch der Einsatz von anderen Wirkstoffen, beispielsweise von Antikörpern, insbesondere aus therapeutischen Gründen, kann in die¬ sem Zusammenhang sinnvoll sein. In einer Weiterbildung der Erfindung können die verschiedenen beispielhaft aufgeführten Wirkstoffe sowie andere Wirkstoffe miteinander kombiniert werden, um besonders vorteil¬ hafte Effekte, insbesondere überadditive bzw. synergistische Effekte, zu erzielen. Bezüglich der Kompensation eines Wirkstoffausfalls wird auf das bisher Erwähnte Bezug genommen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin¬ dung ist das erfindungsgemäße Material an der Oberfläche der zusam¬ mengelagerten Kollagenketten mit Calciumphosphat und/oder Calcium¬ carbonat und/oder Hydroxylapatit mineralisiert. Calciumphosphat ist in Form des Hydroxylapatits (Calciumphosphathydroxid) Hauptbestandteil
der mineralischen Knochensubstanz, die 50 % des Knochenvolumens ausmacht. Zusammen mit Calciumcarbonat bestimmt es im wesentli¬ chen die Härte des natürlichen Knochens. Sowohl Calciumphosphat als auch Calciumcarbonat eignen sich daher in bevorzugter Weise, um die osteokonduktiven Eigenschaften bzw. die lasttragenden Eigenschaften einer Kollagenmatrix zu erhöhen. Durch die oberflächliche Calciumphos¬ phat- und/oder Calciumcarbonatablagerung auf den zusammengelager¬ ten Kollagenketten kommt es zu einer nachträglichen Verstärkung der Kollagenmatrix.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das erfindungsgemäße Mate¬ rial Poren, vorzugsweise interkonnektierende Poren, auf. Letzteres be¬ deutet, daß die Porenstruktur nicht nur zwischen den einzelnen Partikeln des erfindungsgemäßen Materials, sondern auch innerhalb der Partikel optimiert ist. Außerdem ist die interkonnektierende Porosität in beson¬ ders vorteilhafter Weise auch für Zellen zugänglich. Weiterhin kann es bevorzugt sein, die hier beschriebenen Wirksubstanzen, aber auch alle anderen Wirksubstanzen, an der inneren und/oder äußeren Oberfläche des erfindungsgemäßen Materials zu präsentieren, um diese Substan¬ zen für den Körper, insbesondere für körpereigene Zellen, verfügbar zu machen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Poren des erfin¬ dungsgemäßen Materials Porendurchmesser von mindestens 100 μm, insbesondere Porendurchmesser zwischen 100 und 300 μm, vorzugs¬ weise von ca. 200 μm. Dies ist besonders vorteilhaft, da für das Ein¬ wachsen von Knochenzellen in das poröse erfindungsgemäße Material Porendurchmesser von mindestens 100 μm erforderlich sind. Dadurch wird die Integration des erfindungsgemäßen Materials im Körper sowie dessen Abbau bzw. Resorption gefördert.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Material sterilisiert bzw. liegt in sterilisierter Form vor. Für die Sterilisation des erfindungsgemäßen Materials kommen eine Vielzahl konventioneller Verfahren in Betracht. Bevorzugt ist die Sterilisation des bioresorbierbaren und mineralisierten Materials durch radioaktive Bestrahlung, vorzugsweise durch Gamma- Bestrahlung. Weiterhin ist es bevorzugt, daß das erfindungsgemäße Ma¬ terial mit Ethylenoxid begast wird.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Material aseptisch behandelt und/oder hergestellt, beispielsweise durch Verwendung von sterilfiltrierten Antibiotikalösungen, vorzugsweise einer sterilfiltrierten Gentamycinlösung. Dies kann besonders bevorzugt sein, da auf diese Weise die möglichen Probleme einer Sterilisation, bei¬ spielsweise eine nachteilige Beeinflussung der zugegebenen Wirkstoffe und/oder der osteoinduktiven Eigenschaften des Materials, vermieden werden.
Erfindungsgemäß liegt das Material in verpackter Form, insbesondere in steril verpackter Form, vor. In einer solchen Verpackung kann das Mate¬ rial über einen längeren Zeitraum, insbesondere über einen Zeitraum von mehreren Monaten, gelagert werden, ohne daß es dabei zu einer Beeinträchtigung der Wirkung des bioresorbierbaren und mineralisierten Materials, insbesondere zu einer Beeinträchtigung seiner osteoindukti¬ ven Eigenschaften, kommt. Im Falle der Anwendung kann das Material in einfacher Weise aus der Verpackung entnommen und eingesetzt wer¬ den. Um die Sterilität des erfindungsgemäßen Materials zu erzielen, kann es auch bevorzugt sein, das Material innerhalb der Verpackung zu sterilisieren, beispielsweise durch Bestrahlung oder Ethylenoxidbega- sung. Als Verpackungsmaterialien eignen sich insbesondere Kunststoff¬ materialien.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Material zusätzlich eine Mischung aus einer überwiegend nativen und/oder renaturierten Kollagenmatrix und Hyaluronsäure, wobei die Mi¬ schung im wesentlichen räumlich getrennt von der mineralisierten Kolla¬ genmatrix vorliegt. Vorzugsweise enthält die Mischung COLLOSS® als zusätzliche Kollagenkomponente. Besonders bevorzugt enthält die Mi¬ schung COLLOSS® E als zusätzliche Kollagenkomponente. Die Hyalu¬ ronsäure ist Bestandteil der sogenannten Synovialflüssigkeit, die als „Gelenkschmiere" für die Nährstoffversorgung des Knorpels durch Diffu¬ sion verantwortlich ist. In bevorzugter Weise eignet sich die Zusammen¬ setzung aus mineralisierter Kollagenmatrix und der Mischung aus einer überwiegend nativen Kollagenmatrix und Hyaluronsäure, bevorzugt auch gemeinsam mineralisiert, zur Behandlung von chondralen Defek¬ ten, insbesondere von osteochondralen Defekten.
Bei den zuletzt genannten Ausführungsformen ist es bevorzugt, daß die räumlich getrennten Anteile dieser Zusammensetzung physisch mitein¬ ander verbunden sind, insbesondere durch eine chemische Quervernet¬ zung. Vorzugsweise ist die Zusammensetzung mit einem Carbodiimid, insbesondere mit N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC), quervernetzt. Die chemische Quervemetzung führt zu einer weiteren Stabilisierung dieses erfindungsgemäßen Materials.
Die Erfindung umfaßt außerdem einen Formkörper zur Füllung von Kno¬ chendefekten, wobei dieser Formkörper ein erfindungsgemäßes Material mit den oben beschriebenen Eigenschaften aufweist, vorzugsweise aus diesem Material besteht. Unter Formkörper sind also Aggregate aus mi¬ neralisierter, im wesentlichen nativer und/oder renaturierter Kollagen¬ matrix zu verstehen, die gegebenenfalls eine weitere Komponente, bei¬ spielsweise eine Mischung aus überwiegend nativer und/oder renaturier¬ ter Kollagenmatrix und Hyaluronsäure, enthalten. Vorzugsweise liegen diese Formkörper als dreidimensionale Formkörper, insbesondere als
Balken, Ringe oder Zylinder, vorzugsweise als Hohlzylinder, vor. Es ist aber auch möglich, daß die Formkörper als Quader, Scheiben oder Ähn¬ liches vorliegen. Es lassen sich Formkörper beliebiger Formen erstellen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Formkörper um einen Hohlzylinder, dessen Hohlraum einen nicht mineralisierten Stoff, insbesondere Kollagen, vorzugsweise Kolla¬ gen vom Typ I, aufweist. Der Hohlraum des Hohlzylinders kann mindes¬ tens teilweise, vorzugsweise vollständig, mit dem nicht mineralisierten Stoff, insbesondere Kollagen, befüllt sein. Zusätzlich oder alternativ da¬ zu kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Innenfläche des Hohlzylinders mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, mit dem nicht mineralisierten Stoff, insbesondere Kollagen, beschichtet ist. Bei dem Kollagen kann es sich insbesondere um ein Kollagen handeln, wie es in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben ist, wobei ein mindestens einen Wirkstoff, vorzugsweise mehrere Wirkstoffe, auf¬ weisendes Kollagen, insbesondere COLLOSS®, vorzugsweise COLLOSS® E, besonders bevorzugt ist. Bezüglich der Wirkstoffe wird auf die obige Beschreibung verwiesen, wobei die Osteogenese aktivie¬ rende und/oder stimulierende Wirkstoffe besonders bevorzugt sind. Der Hohlzylinder kann auf einer oder auf beiden Seiten offen sein, d. h. eine Öffnung mit einem bestimmten Durchmesser (Innendurchmesser des Hohlzylinders) aufweisen. Vorzugsweise ist der Hohlzylinder auf beiden Seiten offen. Die offene und insbesondere poröse (siehe bisherige Be¬ schreibung) Struktur des Hohlzylinders erlaubt den Durchtritt von Kör¬ perzellen, insbesondere von Knochenzellen bzw. deren Vorläuferzellen, in den Hohlraum des Zylinders.
Der Hohlzylinder ist insbesondere weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß er einen Außendurchmesser von 10 bis 20 mm, vorzugsweise von 10 bis 15 mm, und einen Innendurchmesser von 3 bis 12 mm aufweist. Der Hohlzylinder kann vorzugsweise eine Länge von 20 bis 60 mm, ins-
besondere 30 bis 50 mm, vorzugsweise von ca. 40 mm, aufweisen. Vor¬ zugsweise besitzt der Hohlzylinder einen Außendurchmesser von 10 bis 15 mm, einen Innendurchmesser von 3 bis 12 mm und eine Länge von ca. 40 mm, da das daraus resultierende Gesamtvolumen des Hohlzylin- ders (einschließlich dem Volumen des Hohlraumes) ungefähr dem Vo¬ lumen bzw. Zwischenraum zwischen zwei menschlichen Wirbelknochen entspricht. Daher eignet sich der Hohlzylinder insbesondere zur Stabili¬ sierung von vorzugsweise menschlichen Wirbelknochen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Formkör¬ per durch eine chemische Quervernetzung, insbesondere mit einem Carbodiimid, vorzugsweise mit N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbo- diimid (EDC), weiter stabilisiert. Weiterhin können die Formkörper durch Eintrag eines Bindemittels und/oder Salzes stabilisiert sein. Die so erhal¬ tenen Formkörper behalten ihre Grundform nach Befeuchten mit Flüs¬ sigkeiten. Bevorzugt können sie nach einer Kompression ihre Ur¬ sprungsform annähernd wiederfinden, d. h. sie verfügen über elastische Eigenschaften.
Schließlich umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem flüssigen Medium, vorzugsweise zur Füllung von Knochendefekten, d. h. im wesentlichen aus einem Material mit den oben beschriebenen Eigenschaften, umfassend die Schritte
- Abscheidung einer mineralischen Substanz, vorzugsweise aus ihren gelösten ionogenen Komponenten, auf eine Kollagenmatrix,
- Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix,
- Abtrennung der mineralisierten Kollagenmatrix,
- Überführung der mineralisierten Kollagenmatrix in eine Suspension,
- Überführung der Suspension in eine den Formkörper definierende Form,
- Gefriertrocknung der Suspension in der Form.
Bevorzugt werden Lösungen, insbesondere wäßrige Lösungen, der io- nogenen Komponenten, die die abzuscheidende mineralische Substanz bilden, zu einer Kollagensuspension hinzugegeben. Bevorzugt enthält die Suspension natives oder renaturiertes Kollagen, wobei COLLOSS® oder COLLOSS® E, insbesondere COLLOSS® E, besonders bevorzugt ist. Weiterhin ist es möglich, daß die Mineralien ein Abfallprodukt des COLLOSS®- oder COLLOSS® E-Herstellungsprozesses sind und insbe¬ sondere wieder zu einer COLLOSS® oder COLLOSS® E Suspension hinzugegeben werden.
In besonders bevorzugter Weise wird die Abscheidung der minerali¬ schen Substanz im wesentlichen nur auf der Oberfläche der Kollagen¬ matrix, vorzugsweise auf der Oberfläche der zusammengelagerten Kol¬ lagenketten, vorgenommen. Die Abscheidung der mineralischen Sub¬ stanz wird in einem neutralen pH-Bereich, insbesondere in einem pH- Bereich zwischen 6 und 8, vorzugsweise bei einem pH-Wert von 7, durchgeführt, um die selektive oberflächliche Abscheidung auf der Kol¬ lagenmatrix zu erzielen.
Vorzugsweise wird die Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix durch Überschreitung des Löslichkeitsprodukts der mineralischen Sub¬ stanz in Lösung erzielt. Dies ist äußerlich an der Bildung eines Nieder¬ schlags, der im wesentlichen mineralisiertes Kollagen enthält, erkenn¬ bar. Dabei müssen die Versuchsparameter, insbesondere die Konzent¬ ration der mineralischen Substanz und der pH-Wert, so eingestellt wer¬ den, daß eine synchrone Assemblierung des Kollagens und der minera¬ lischen Substanz stattfindet.
Vorteilhafterweise wird die Ausfällung der Kollagenmatrix mit Calcium- phosphat und/oder Calciumcarbonat und/oder Hydroxylapatit als minera¬ lischer Substanz durchgeführt.
Erfindungsgemäß kann es bevorzugt sein, daß vor Ausfällung der mine- ralisierten Kollagenmatrix, vorzugsweise vor Abscheidung der minerali¬ schen Substanz auf der Kollagenmatrix, natives reines Kollagen, insbe¬ sondere Kollagen vom Typ I1 hinzugegeben wird. Vorteilhafterweise wird das native reine Kollagen in Form einer Suspension hinzugegeben. Das hinzugegebene Kollagen dient, wie bereits erwähnt, als Stabilisierungs¬ komponente und führt zu einer Verstärkung der Struktur, insbesondere zu einer Erhöhung der osteokonduktiven Eigenschaften, der Kollagen¬ matrix, insbesondere von COLLOSS®, vorzugsweise von COLLOSS® E. Eine anschließend durchgeführte Mineralisierung (Abscheidung der mi¬ neralischen Substanz auf der Kollagenmatrix und Ausfällung der minera- lisierten Kollagenmatrix) führt vorzugsweise dazu, daß die zu stabilisie¬ rende Kollagenmatrix, insbesondere COLLOSS®, vorzugsweise COLLOSS® E, und das hinzugegebene native reine Kollagen gemein¬ sam von einer Schicht der mineralischen Substanz bedeckt sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Mineralisierung der Kollagenmatrix, insbesondere von COLLOSS®, vor¬ zugsweise von COLLOSS® E, und des nativen reinen Kollagens, insbe¬ sondere des Kollagens vom Typ I, getrennt durchgeführt. Die daraus resultierenden Suspensionen aus mineralisierter Kollagenmatrix, insbe¬ sondere aus COLLOSS®, vorzugsweise aus COLLOSS® E, und aus mi- neralisiertem nativen reinen Kollagen werden gemischt und insbesonde¬ re nach einem der folgenden Schritte weiterverarbeitet.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mi- neralisierte Kollagen nach Ausfällung beispielsweise durch Zentrifuga- tion von der Lösung abgetrennt.
Das von der Lösung abgetrennte mineralisierte Kollagen wird erfin¬ dungsgemäß in eine vorzugsweise gießbare und homogene Suspension überführt. Diese Suspension kann in entsprechende Formvertiefungen,
insbesondere in die Vertiefungen einer sogenannten Wellplatte, bei¬ spielsweise einer 24er oder 96er Wellplatte, insbesondere aus Polysty¬ rol, gegossen werden. Durch eine Gefriertrocknung können, abhängig von den Formen der Vertiefungen, unterschiedliche dreidimensionale, vorzugsweise poröse Formkörper, insbesondere Balken, Ringe, Zylin¬ der, vorzugsweise Hohlzylinder, Scheiben, Quader oder Ähnliches, her¬ gestellt werden, wobei die Herstellung von Hohlzylindern besonders be¬ vorzugt ist. Durch Wahl der Geschwindigkeit und der Temperatur des Gefriertrocknungsprozesses kann die Porengröße in besonders vorteil¬ hafter Weise beeinflußt werden. Bevorzugt werden die in die Formvertie¬ fungen einer Wellplatte überführten Suspensionsvolumina bei Tempera¬ turen zwischen -10 0C und -40 0C langsam eingefroren und in einem Ölpumpenvakuum gefriergetrocknet.
Vorzugsweise werden die so erhaltenen Formkörper durch eine chemi¬ sche Quervernetzung, insbesondere mit einem Carbodiimid, vorzugs¬ weise mit N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC), querver¬ netzt. In vorteilhafter Weise behalten die so hergestellten Formkörper nach Befeuchten mit Flüssigkeiten ihre Grundform und finden außerdem nach Kompressionen ihre Ursprungsform annähernd wieder.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein aus nativem reinen Kollagen, insbesondere aus Kollagen vom Typ I, be¬ stehender Formkörper mit der Kollagenmatrix, insbesondere mit COLLOSS®, vorzugsweise mit COLLOSS® E, dotiert bzw. modifiziert werden. Die Kollagenmatrix, insbesondere COLLOSS®, vorzugsweise COLLOSS® E, kann in Form einer Suspension oder eines Gels auf den Formkörper, insbesondere einen Kollagenschwamm, aufgebracht und vorzugsweise durch Gefriertrocknung mit diesem verbunden werden.
Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Material zur Füllung von Knochendefekten handelt es sich um ein Knochenersatzmaterial, das in
besonders vorteilhafter Weise osteoinduktive mit osteokonduktiven Ei¬ genschaften kombiniert. Dies geschieht vorzugsweise durch die nach¬ trägliche Verstärkung der Kollagenmatrix durch die Ablagerung einer mi¬ neralischen Substanz auf der Oberfläche der Kollagenfibrillen. Die me¬ chanische Verstärkung der im wesentlichen nativen oder renaturierten Kollagenmatrix bedingt den Erhalt von osteoinduktiven Eigenschaften des Materials, welche gezielt durch die Zugabe weiterer die Induktion der Osteogenese stimulierender Stoffe verstärkt werden kann. Das er¬ findungsgemäße Material eignet sich daher in ganz besonderer Weise zur Behandlung großer und komplizierter Knochendefekte, bei denen eine ausreichende Stabilität des Knochenersatzmaterials und ein ra¬ schen Einwachsen von Knochenzellen in das Knochenersatzmaterial erforderlich ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform an¬ hand eines Beispiels in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehre¬ ren in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Beispiel 1 :
1 g Kollagensuspension (COLLOSS® der Anmelderin) wird mit Wasser auf 1 I aufgefüllt und anschließend unter kräftigem Rühren sequentiell mit folgenden Lösungen versetzt: 500 ml destilliertes Wasser, 180 ml 0,1 molare Calciumchloridlösung, 116 ml 2 molare Natriumchloridlösung, 168 ml 0,5 molare Trispuffer (pH = 7,52) und 22,6 ml 0,5 molarer Phos¬ phatpuffer nach Sörensen (pH = 7,40). Die Mischung wird mit destillier¬ tem Wasser auf 2 I aufgefüllt und für 12 Stunden bei 35 0C im Wasser stehengelassen. Der sich bildende farblose, gallertartige Niederschlag wird abzentrifugiert und anschließend mit soviel Mutterlauge wieder auf¬ gerührt, daß eine gießbare und homogene Suspension entsteht. Zur
Herstellung der zylindrischen Standardproben werden jeweils ca. 2,5 ml der Suspension in die Vertiefungen einer 24er Zellkultur-Wellplatte aus Polystyrol gegossen und bei -25 0C langsam eingefroren. Das gefrorene Material wird im Ölpumpenvakuum gefriergetrocknet und anschließend in einer 1 %igen Lösung von N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodi- imidhydrochlorid (EDC, Firma Aldrich) in 80 %igem Ethanol für 1 Stunde chemisch quervernetzt. Die porösen Scaffolds werden anschließend gründlich mit destilliertem Wasser, dann mit einer 1 %igen Glycinlösung und zuletzt noch einmal mit Wasser gewaschen und dann erneut ge¬ friergetrocknet. Die Scaffolds werden zwecks Sterilität entweder asep¬ tisch hergestellt, gamma-sterilisiert oder mit Ethylenoxid begast. Bei dem so erhaltenen Produkt sind jeweils die einzelnen Kollagenketten, die die netzähnliche Struktur bilden, von Calciumphosphatkristalliten um¬ hüllt.
Beispiel 2:
1 g Kollagensuspension (COLLOSS® E der Anmelderin) wird mit Wasser auf 1 I aufgefüllt und anschließend unter kräftigem Rühren sequentiell mit folgenden Lösungen versetzt: 500 ml destilliertes Wasser, 180 ml 0,1 molare Calciumchloridlösung, 116 ml 2 molare Natriumchloridlösung, 168 ml 0,5 molare Trispuffer (pH = 7,52) und 22,6 ml 0,5 molarer Phos¬ phatpuffer nach Sörensen (pH = 7,40). Die Mischung wird mit destillier¬ tem Wasser auf 2 I aufgefüllt und für 12 Stunden bei 35 0C im Wasser stehengelassen. Der sich bildende farblose, gallertartige Niederschlag wird abzentrifugiert und anschließend mit soviel Mutterlauge wieder auf¬ gerührt, daß eine gießbare und homogene Suspension entsteht. Zur Herstellung der zylindrischen Standardproben werden jeweils ca. 2,5 ml der Suspension in die Vertiefungen einer 24er Zellkultur-Wellplatte aus Polystyrol gegossen und bei -25 0C langsam eingefroren. Das gefrorene Material wird im Ölpumpenvakuum gefriergetrocknet und anschließend in einer 1 %igen Lösung von N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodi-
imidhydrochlorid (EDC, Firma Aldrich) in 80 %igem Ethanol für 1 Stunde chemisch quervernetzt. Die porösen Scaffolds werden anschließend gründlich mit destilliertem Wasser, dann mit einer 1 %igen Glycinlösung und zuletzt noch einmal mit Wasser gewaschen und dann erneut ge¬ friergetrocknet. Die Scaffolds werden zwecks Sterilität entweder asep¬ tisch hergestellt, gamma-sterilisiert oder mit Ethylenoxid begast. Bei dem so erhaltenen Produkt sind jeweils die einzelnen Kollagenketten, die die netzähnliche Struktur bilden, von Calciumphosphatkristalliten um¬ hüllt.