WO2014207056A1 - Knochenersatz-material und verfahren zur herstellung von knochenersatz-material - Google Patents

Knochenersatz-material und verfahren zur herstellung von knochenersatz-material Download PDF

Info

Publication number
WO2014207056A1
WO2014207056A1 PCT/EP2014/063428 EP2014063428W WO2014207056A1 WO 2014207056 A1 WO2014207056 A1 WO 2014207056A1 EP 2014063428 W EP2014063428 W EP 2014063428W WO 2014207056 A1 WO2014207056 A1 WO 2014207056A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ceramic
bone
porous
monolithic
load
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/063428
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kathrin LORENZ
Tobias Fey
Peter Greil
Heinrich Wecker
Alfons Kelnberger
Original Assignee
Ceramtec Gmbh
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ceramtec Gmbh, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg filed Critical Ceramtec Gmbh
Priority to EP14738750.0A priority Critical patent/EP3013542A1/de
Priority to CA2916586A priority patent/CA2916586A1/en
Priority to US14/900,430 priority patent/US20160151161A1/en
Publication of WO2014207056A1 publication Critical patent/WO2014207056A1/de

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2/30771—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth applied in original prostheses, e.g. holes or grooves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/44—Joints for the spine, e.g. vertebrae, spinal discs
    • A61F2/442—Intervertebral or spinal discs, e.g. resilient
    • A61F2/4425—Intervertebral or spinal discs, e.g. resilient made of articulated components
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/44—Joints for the spine, e.g. vertebrae, spinal discs
    • A61F2/4455—Joints for the spine, e.g. vertebrae, spinal discs for the fusion of spinal bodies, e.g. intervertebral fusion of adjacent spinal bodies, e.g. fusion cages
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/10—Ceramics or glasses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/24—Producing shaped prefabricated articles from the material by injection moulding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/26—Producing shaped prefabricated articles from the material by slip-casting, i.e. by casting a suspension or dispersion of the material in a liquid-absorbent or porous mould, the liquid being allowed to soak into or pass through the walls of the mould; Moulds therefor ; specially for manufacturing articles starting from a ceramic slip; Moulds therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B7/00—Moulds; Cores; Mandrels
    • B28B7/34—Moulds, cores, or mandrels of special material, e.g. destructible materials
    • B28B7/346—Manufacture of moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2002/3092—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth having an open-celled or open-pored structure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2002/3093—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth for promoting ingrowth of bone tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/38—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of the spine, vertebrae or intervertebral discs

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein keramisches Knochenersatz-Material sowie Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung generative Verfahren zur Herstellung von Knochenersatz-Materialien.

Description

Knochenersatz-Material und Verfahren zur Herstellung von
Knochenersatz-Material
Die Erfindung betrifft ein keramisches Knochenersatz-Material und generative Verfahren zur Herstellung dieses Knochenersatz-Materials. Insbesondere betrifft die Erfindung keramische Knochenersatz-Materialien, die in Implantaten und bevorzugt in Wirbelsäulen-Implantaten Verwendung finden. Mittels generativer
Fertigungsverfahren lassen sich die Strukturen des Knochenersatz-Materials gestalten.
Endoprothetische Bauteile, beispielsweise zur Fusionierung von Wirbelkörpern (Cages) sind bekannt. Sie sind in ihrer Geometrie der Anatomie des menschlichen Wirbelkörpers angepasst, befinden sich zwischen zwei Wirbelkörpern und ersetzen die Bandscheibe ganz oder teilweise. Neben dem Bandscheibenersatz ist auch der Ersatz von ganzen Wirbelsäulen-Segmenten, z.B. Wirbelkörper und angrenzende Bandscheiben mit Cages möglich.
Typischerweise halten die Wirbelsäulen-Implantate in einer ersten Phase des Verbleibs im menschlichen Körper allein durch ihre mechanischen Eigenschaften angrenzende Wirbelkörper auf Distanz, in einer anatomisch korrekten und
neurologisch optimalen Position. In einer zweiten Phase fördern sie die Fusionierung und somit das Verwachsen der beiden sie umgebenden Wirbelkörper.
Bekannte keramische Cages sind in der Regel ringförmig ausgeführt bzw. der Form und Anatomie der menschlichen Wirbelkörper angepasst, wobei der Ring aus einer monolithischen, also dichten, hoch belastbaren und steifen Keramik besteht.
Im Zentrum weisen diese Cages einen Hohlraum auf, der mit bekannten
Knochenersatzmaterialien (autolog oder allogen) aufgefüllt werden kann. Eine weitere Möglichkeit stellt die Füllung dieses Hohlraums mit einer künstlichen, porösen, osseoinduktiven oder osseokonduktiven Kernstruktur dar. Die künstliche oder synthetische Kernstruktur kann bei keramischen Cages auf artgleichen keramischen Materialien, anderen keramischen Materialien oder nichtkeramischen Materialien beruhen und ist in der Regel wesentlich weniger steif als der äußere Ring. In diesem Bereich sollen Knochenzellen neues Knochenmaterial aufbauen, wobei die daran beteiligten Zellen einen entsprechenden mechanischen Stimulus benötigen.
Die Bezeichnung Knochenersatz-Material wird für diese Strukturen synonym zu der Bezeichnung poröser Kern oder poröse Kernstruktur verwendet, die insbesondere hinsichtlich der hier beschriebenen Wirbelsäulen-Implantate sinnvoll ist. Gleiches gilt für den Begriff Mantel oder Mantelstruktur, die als Bezeichnung für einzelne
Ausführungsformen des monolithischen, lasttragenden Materials verwendet werden. Allerdings soll die Erfindung durch die Verwendung dieser Begriffe nicht auf
Wirbelsäulen-Implantate begrenzt sein. Die Wirbelsäulen-Implantate sind nur als bevorzugte Ausführungsform oder bevorzugtes Anwendungsfeld für das
erfindungsgemäße Knochenersatz-Material zu sehen. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Knochenersatz-Material überall dort einsetzbar, wo Knochen mit einem Implantat verwachsen oder einwachsen soll.
Ein poröses keramisches Knochenersatz-Material weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine offene, durchgängige Porosität von mindestens 25 Vol.-% auf.
Zur Herstellung dieser porösen Kernstrukturen sind verschiedene Methoden bekannt.
Die künstliche Kernstruktur kann mittels eines Aufschäumverfahrens hergestellt werden, bei dem ein Gas in einen keramischen Schlicker eingebracht wird, um Blasen zu erzeugen. Diese Strukturen sind mechanisch relativ stabil und belastbar; die Druckfestigkeiten liegen im zweistelligen Megapascal-Bereich.
Nachteilig ist aber, dass die durch Gasschäumung erzeugten Poren meist
geschlossen sind. Die porösen Strukturen sind nicht oder kaum interkonnektierend, so dass wesentliche Voraussetzungen, nämlich die Durchlässigkeit für Fluide und Einwachspfade für Knochenzellen, für die Knochenneubildung fehlen. Eine weitere Variante zur gezielten Porenausbildung in keramischen Strukturen basiert auf der Verwendung von Porenbildnern, beispielsweise organischen
Kügelchen, die im Laufe des Prozesses gezielt in die keramische Masse ein- oder aufgebracht werden. Die Porenbildner werden anschließend ausgebrannt und hinterlassen Poren.
Diese Technologie ist geeignet zur Gestaltung von rauen Oberflächen, die zwar gute Voraussetzungen für das An- und Aufwachsen von Knochen bieten. Die mit diesem Verfahren erzeugte Porosität ist jedoch im Wesentlichen nicht interkonnektierend, d.h., sie ist nicht für die Durchbauung eines gewissen Volumens mit
Knochensubstanz geeignet. Diese Technologie kann deshalb bei der
erfindungsgemäßen Verwendung in Implantaten zur Fusionierung von Wirbelkörpern nicht eingesetzt werden.
Weiterhin ist das sogenannte Retikulatverfahren (bzw.„Schwarzwalder-Verfahren") zur Herstellung von porösen Keramiken bekannt, bei dem es sich um ein spezielles Abformverfahren handelt. Hierbei werden organische Templatkörper mit geeigneter offenporiger Struktur, beispielsweise organische Schaum-Strukturen, mit
keramischen Schlickern beschichtet und anschließend den bekannten keramischen thermischen Prozessen unterzogen, um letztlich eine offenzellige, trabekuläre Keramikstruktur herzustellen.
Dieses Verfahren erzeugt jedoch immer Hohlstege im fertigen keramischen Produkt, da der organische Templatkörper ausgebrannt wird, und Hohlstege an seiner Stelle zurückbleiben. Mit diesem Verfahren erhält man zwar eine poröse Struktur, die allerdings nur geringe Festigkeiten im einstelligen Megapascal-Bereich aufweist.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Struktur der porösen Keramik durch die Struktur des Templatkörpers vorgegeben wird, die nicht notwendigerweise den idealen biologischen Bedingungen im menschlichen Körper entspricht. Die zu erzielende Struktur kann nur begrenzt über die Auswahl eines entsprechenden Templatkörpers gestaltet werden. Aufgabe der Erfindung ist daher, die Nachteile der genannten Verfahren zu vermeiden und ein stabiles poröses Knochenersatz-Material bereitzustellen, das insbesondere in Wirbelsäulen-Implantaten Verwendung finden kann. Weiterhin sollen Verfahren zur Herstellung dieses Knochenersatz-Materials zur Verfügung gestellt werden.
Insbesondere sollen hochfeste und schadenstolerante keramischen Werkstoffe zum Einsatz kommen. Die Knochenersatz-Materialien sollen möglichst gute Bedingungen für das Durchwachsen des Implantats mit Knochenzellen bieten.
Besonders geeignet sind oxidkeramische Werkstoffe auf Basis AI2O3, ZrO2 bzw. Mischkeramiken daraus, wie ZTA (zirconia thoughened alumina), ATZ (alumina thoughened zirconia) oder keramische Verbundwerkstoffe mit dispersoiden Phasen. Denkbar sind auch Si3N oder SiC basierte Werkstoffe.
Für die Fertigung der Wirbelsäulen-Implantate kommen generative
Fertigungsverfahren zum Einsatz. Dabei können prinzipiell folgende Ansätze verfolgt werden:
• direkte Fertigung des porösen, keramischen Knochenersatz-Materials oder eines kompletten Implantats, umfassend ein poröses, keramisches
Knochenersatz-Material und ein monolithisches, lasttragendes Material, mit einem generativen Verfahren
• Fertigung von Negativformen zur Herstellung der porösen, keramischen
Kernstrukturen (Knochenersatz-Material) oder der gesamten Integralstruktur der Implantate, d.h. Negativformen des äußeren Rings und der porösen Kernstruktur und anschließend Fertigung der keramischen Implantate mit geeigneten keramischen Formgebungsverfahren
Unabhängig von dem prinzipiellen Ansatz lassen sich mit generativen
Fertigungsverfahren offenzellulare, trabekuläre Strukturen mit hoher Flexibilität hinsichtlich der Gestaltungsmöglichkeiten herstellen, die den biologischen
Anforderungen an das Knochenzellenwachstum optimal gerecht werden. Die biologischen Anforderung betreffen beispielsweise die Einsprossung von Knochen- (Osteoblasten) und Gefäßen-(Endothel) bildenden Zellen.
Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Kernstrukturen sind die sehr flexiblen und komplexen Gestaltungsmöglichkeiten. Die Fusionsstruktur kann z.B. eine gradierte Porosität hinsichtlich der Porenhäufigkeit und/oder der Porengröße aufweisen. Die gezielte Gestaltung von Porenformen wie z.B. gerichtete Kanalstrukturen, die die Vaskularisierung des neu gebildeten Knochenmate als begünstigen, ist möglich.
Dies gewährleistet nicht nur den Aufbau und das Wachstum von Knochenmaterial, sondern auch die Versorgung und Aufrechterhaltung der Vitalität des neu gebildeten Knochens.
Im Vergleich zu gängigen Techniken besteht eine deutlich höhere Designfreiheit, so dass für die Knochenzellen optimale Strukturen geschaffen werden können.
Beispielsweise kann die natürliche und individuelle Knochenstruktur eines Patienten auf Basis von Computertomographiedaten als Vorlage genutzt werden, um einen patientengerechten Knochenaufbau zu unterstützen.
Im Vergleich zu den Direktabformmethoden können Hohlstege nicht nur minimiert, sondern gänzlich vermieden werden. Es können dichte Stege erzeugt werden, so dass bei gleichem Querschnitt der Stege eine deutlich erhöhte mechanische
Festigkeit besteht.
Ein weiterer Vorteil ist eine mögliche Querschnittsreduktion der Stege bei gleicher Festigkeit der porösen Strukturen. Damit kann ein höherer Anteil an körpereigenen Knochenzellen in der Kernstruktur des Cages erreicht werden.
Es können aber auch gezielt Hohlstege hergestellt werden, die einen runden Querschnitt aufweisen und damit wesentlich keramikgerechter sind als
triangelförmige Hohlstege, die beim Ausbrennen von Templaten entstehen. Ecken mit spitzen Winkeln können vermieden werden. Die gezielte Herstellung von Hohlstegen kann vorteilhaft sein, z.B. um die Hohlstege mit wachstumsfördernden oder antimikrobiellen Substanzen zu füllen.
Es ist möglich horizontal oder vertikal verlaufende Versorgungskanäle aufzubauen, deren Größe und Durchmesser an die menschlichen Kapillarsysteme angepasst sind.
Bei der Verwendung von CAD-basierten stereolithographischen Methoden zum Aufbau der porösen Strukturen, unabhängig davon ob kunststoffbasierte
Negativformen oder keramische Positivstrukturen hergestellt werden, können sehr hohe Auflösungen erzielt werden. Realistisch sind derzeit Auflösungen in z-Richtung bis 30 μιτι und in lateraler x-y Richtung bis 20 μιτι.
Ein weiterer Vorteil ist die hohe Reproduzierbarkeit beim Aufbau der porösen
Strukturen.
Außerdem können die Strukturen so hergestellt werden, dass sie nach Fertigstellung optimal gereinigt und sterilisiert werden können, was bei einem Medizinprodukt extrem wichtig ist.
Werden Negativformen, beispielsweise aus lichtaushärtenden Kunststoffen
(Photopolymere) hergestellt, können diese mit einer keramischen Masse,
beispielsweise mit Schlicker oder einer Spritzgussmasse infiltriert werden, und dann entweder modular oder integriert zu keramischen Cages weiterverarbeitet werden. Geeignete Verfahren sind u.a. Schlickergießen sowie Spritzgießen, insbesondere Niederdruckspritzgießen (Heißgießen oder Low Pressure Injection Moulding, LIM).
Ein Implantat, umfassend ein poröses, keramisches Knochenersatz-Material und ein monolithisches, lasttragendes Material kann mithilfe eines solchen generativen Verfahrens problemlos hergestellt werden. Bevorzugt besteht auch das
monolithische, lasttragende Material aus Keramik, insbesondere bevorzugt aus einer artgleichen Keramik wie das poröse Knochenersatz-Material. Bevorzugt können das Knochenersatz-Material und das monolithische, lasttragende Material mittels eines keramischen Spritzgussverfahrens gemeinsam geformt werden.
Wird ein LIM-Verfahren verwendet, kann der Prozessablauf beispielsweise wie folgt aussehen:
Ein generativ erzeugter Polymerkern wird in ein die Form des Wirbelsäulen- Implantats vorgebendes Werkzeug eingelegt und bei Temperaturen über 100°C mit der keramischen Niederdruck-Spritzgussmasse umspritzt.
Diese Masse kann nach bekanntem Stand der Technik aus dem keramischen Pulver und mit wachsartiger Organik hergestellt und verarbeitet werden.
Ein beispielsweise durch Photolithographie oder Fused Deposition Modeling (FDM) aus Stützpolymer hergestellter Templatkern (Negativform) gibt die Porenstruktur vor. Die Entfernung des Templatkerns nach der Imprägnierung mit der Keramik erfolgt beispielsweise durch Ausschmelzen, Lösen oder thermisches Zersetzen.
Beim anschließenden Entbindern und Sintern an Luft kann der gegebenenfalls zurückbleibende kohlenstoffhaltige Kern durch Oxidation über 600°C entfernt werden. So kann eine spezielle keramische trabekuläre Struktur zusammen oder getrennt mit einem monolithische Mantelbereich für ein Wirbelsäulen-Implantat hergestellt werden.
Der große Vorteil neben der flexiblen Geometriegestaltung der Kernstruktur in diesen Cages ist hierbei die Formgebung der Cages in einem Arbeitsgang.
Bei generativen Verfahren werden die a) direkten Verfahren (3D-Pulverbettdruck, Keramischer Inkjet-Direktdruck) und die b) indirekten Verfahren (FDM,
Stereolithographie, insbesondere CAD-basierte Stereolithographie) bevorzugt eingesetzt. Die Auflösungsgrenzen der jeweiligen Verfahren sind in Porengrößen und Stegbreiten nach aktuellem Kenntnisstand umgerechnet worden und in der Tabelle dargestellt:
Figure imgf000009_0001
Als maximale wirtschaftliche Obergrenze für die Porengrößen und Stegbreiten können 10 mm angenommen werden. Große Porengrößen sind beispielsweise dann vorteilhaft, wenn Kanalstrukturen angelegt werden sollen.
Ein Beispiel für ein geeignetes generatives oder Rapid Prototyping Verfahren mit hoher flexibler Geometriegestaltung ist das sog. F DM-Verfahren, Fused Deposition Modeling, bei dem Modelle von Negativformen aus thermoplastischem Polymerdraht erstellt werden, der einer Düse zugeführt und dort bis knapp unter
Schmelztemperatur erhitzt wird. Das halbflüssige thermoplastische Material wird dann als weitere Schicht auf eine schon bestehende Schicht aufgebracht und erkaltet dort sofort wieder. Die Schichten haften aneinander, weil der flüssige Kunststoff die schon bestehende Schicht anschmilzt. Mögliche Materialien sind ABS (Acrylnitril- Butadien-Styrol), PLA (Polylactide) oder PVA. Das Entfernen der Polymerstruktur erfolgt thermisch durch Zersetzung bei Verwendung von ABS und PLA. Das wasserlösliche PVA kann durch eine Behandlung im Wasserbad bei Temperaturen kleiner 60°C aufgelöst werden.
Die hergestellten Kernstrukturen lassen sich unabhängig vom gewählten
Herstellungsverfahren entweder stoffschlüssig durch Kombination mit der
Mantelstruktur im Grünzustand und anschließendes Sintern oder formschlüssig durch Kombination mit der unabhängig gefertigten Mantelstruktur im gesinterten Zustand verbinden. Als geeignete Materialien für verlorene Kerne oder Negativformen haben sich insbesondere Epoxy-Materialien mit einem Erweichungspunkt herausgestellt, der über dem Erweichungspunkt der LIM Spritzgussmasse liegt, vorteilhaft über 120°C.
Die Negativformen können auch mit keramischen Massen infiltriert werden, die Porenbildner enthalten. Nach der Entfernung des verlorenen Kerns und der
Porenbildner führen diese zu einer zusätzlichen Mikroporosität. Mit dieser Art der Einstellung einer bimodalen Porengrößenverteilung kann den beiden Aspekten
• optimale Struktur für Knochenzellen,
• Vaskularisierung
optimal Rechnung getragen werden.
Eine zweite Variante sind die schon erwähnten stereolithographischen Methoden, bei dem lichtaushärtende Polymere eingesetzt werden, die Schicht für Schicht durch Belichtung mit UV-Licht verfestigt und stabilisiert werden.
Als dritte Variante kann die direkte Herstellung über einen kommerziellen 3D-Druck von keramischen Pulvern (Hersteller z.B. Z-Corp) zur Herstellung der trabekulären Strukturen eingesetzt werden. Dabei wird das 3D-Bauteil aus für den Druckvorgang optimierten keramischen Pulvern (Korngröße und -Verteilung, Binderanteil) über einen schichtweisen Aufbau im Inkjet-Printverfahren unter Verwendung einer
Binderflüssigkeit hergestellt. Pulverbereiche, die nicht mit der Flüssigkeit bedruckt werden, können nach Verfestigung des Bauteils in der Baukammer durch Ausblasen oder manuelle Bearbeitung entfernt werden. Die Dimensionierung des Bauteils muss so geartet sein, dass eine Entfernung des restlichen Pulvers möglich ist.
Insbesondere muss eine offene Porosität vorliegen. Die druckbare Schichtdicke in z- Richtung ist abhängig von der Korngrößenverteilung des Pulvers und der Auflösung des Geräts. Üblicherweise liegt die Schichtdicke zwischen 125 und 150 μιτι. Die xy- Auflösung entspricht der Auflösung der Schichtdicke, da sie ebenfalls von der Korngrößenverteilung abhängig ist. Als vierte Variante kann der Keramikdirektdruck mittels einer Standard-Inkjet- Technologie eingesetzt werden. Hierbei wird ein optimierter keramischer Schlicker (mittlere Korngröße < 100 nm) schichtweise direkt auf ein Substrat gedruckt.
Vorteil hierbei ist, dass der direkte Aufbau von keramischen Strukturen möglich ist. In diesem Fall werden die keramischen Ausgangspulver mit lichtaushärtenden
Polymeren versetzt, was den Aufbau bzw. eine stereolithographische Formgebung ermöglicht. Die lichtausgehärteten Polymere werden anschließend ausgebrannt.
Ein großer Vorteil des ersten Ansatzes (beispielsweise FDM) ist, dass damit ein Cage mit trabekulärer Struktur in einem Arbeitsgang herstellbar ist und kein zusätzlicher Aufwand zur stoff- oder formschlüssigen Verbindung mit der dichten Mantelstruktur des Cages betrieben werden muss.
Alle diese Verfahren eignen sich nicht nur für Cages, sondern auch zur Herstellung von Teilgelenksendoprothesen (z.B. partial resurfacing) oder generell zur Herstellung von Knochenersatzmaterial.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines porösen keramischen Knochenersatz- Materials, dadurch gekennzeichnet, dass ein generatives Fertigungsverfahren zum Einsatz kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das generative Verfahren ausgewählt ist aus der Gruppe 3D-Pulverbett-Druck, Keramischer Inkjet-Druck, Fused Deposition Modeling und CAD-basierte
Stereolithographie.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Negativform des porösen Knochenersatz-Materials mit dem generativen Verfahren hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform mit einer keramischen Masse infiltriert wird, insbesondere mittels
Schlickergießens oder keramischem Spritzgießens, die Negativform entfernt und die keramische Masse gesintert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform durch Ausschmelzen, Lösen oder thermisches Zersetzen entfernt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Masse Porenbildner enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Knochenersatz-Material mit dem generativen Verfahren direkt hergestellt wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Implantats, umfassend ein poröses,
keramisches Knochenersatz-Material, hergestellt nach einem der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Knochenersatz-Material mit einem monolithischen, lasttragenden Material zu einem Implantat kombiniert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
monolithische, lasttragende Material aus Keramik besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Knochenersatz- Material und das monolithische, lasttragende Material mit einem keramischen Spritzgussverfahren in einem Arbeitsablauf gemeinsam geformt werden.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Knochenersatz-Material und das monolithische, lasttragende Material stoffschlüssig durch gemeinsames Sintern miteinander verbunden werden.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Knochenersatz-Material und das monolithische lasttragende Material unabhängig voneinander gefertigt werden und anschließend formschlüssig miteinander verbunden werden.
13. Verwendung eines Implantats, hergestellt nach einem Verfahren gemäß
Anspruch 8 bis 12, als Wirbelsäulen-Implantat, Cage oder
Teilgelen ksendoprothese.
PCT/EP2014/063428 2013-06-27 2014-06-25 Knochenersatz-material und verfahren zur herstellung von knochenersatz-material WO2014207056A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14738750.0A EP3013542A1 (de) 2013-06-27 2014-06-25 Knochenersatz-material und verfahren zur herstellung von knochenersatz-material
CA2916586A CA2916586A1 (en) 2013-06-27 2014-06-25 Bone replacement material and method for producing bone replacement material
US14/900,430 US20160151161A1 (en) 2013-06-27 2014-06-25 Bone replacement material and method for producing bone replacement material

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013212455.4 2013-06-27
DE102013212455 2013-06-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014207056A1 true WO2014207056A1 (de) 2014-12-31

Family

ID=51177030

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/063428 WO2014207056A1 (de) 2013-06-27 2014-06-25 Knochenersatz-material und verfahren zur herstellung von knochenersatz-material

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20160151161A1 (de)
EP (1) EP3013542A1 (de)
CA (1) CA2916586A1 (de)
DE (1) DE102014212234A1 (de)
WO (1) WO2014207056A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10675158B2 (en) 2015-12-16 2020-06-09 Nuvasive, Inc. Porous spinal fusion implant

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2017125255A (ru) * 2014-12-16 2019-01-18 Керамтек Гмбх Межпозвонковые кейджи и инструменты для их установки
JP6573510B2 (ja) * 2015-09-11 2019-09-11 日本碍子株式会社 多孔質体の製造方法及び製造装置
CN114807788B (zh) * 2022-04-13 2023-07-07 苏州诚亮粉末冶金有限公司 一种zta陶瓷网膜改性纳米粉末冶金材料及其制备方法
CN115385721B (zh) * 2022-08-29 2023-08-08 广东工业大学 基于光固化成型的可控孔结构多孔仿生人骨及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010008317A1 (en) * 1997-03-20 2001-07-19 Gaylo Christopher M. Fabrication of tissue products with additives by casting or molding using a mold formed by solid free-form methods
US20020169066A1 (en) * 2001-04-16 2002-11-14 Cerabio, L.L.C. Dense porous structures for use as bone substitutes
EP2481554A1 (de) * 2011-01-27 2012-08-01 Ghimas S.P.A. Verfahren zur Massanfertigung eines Knochensubstituts oder eines Knochenfüllers aus biologisch wirksamen und biomimetischen Materialen

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE359836T1 (de) * 2001-09-24 2007-05-15 Millenium Biologix Inc Poröse keramische komposit-knochenimplantate
US20040254668A1 (en) * 2003-06-16 2004-12-16 Jang Bor Z. Macro-porous hydroxyapatite scaffold compositions and freeform fabrication method thereof
CA2689675A1 (en) * 2007-02-07 2008-08-14 Mcgill University Bioceramic implants having bioactive substance
WO2014187969A1 (de) * 2013-05-23 2014-11-27 Ceramtec Gmbh Bauteil aus keramik mit porenkanälen

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010008317A1 (en) * 1997-03-20 2001-07-19 Gaylo Christopher M. Fabrication of tissue products with additives by casting or molding using a mold formed by solid free-form methods
US20020169066A1 (en) * 2001-04-16 2002-11-14 Cerabio, L.L.C. Dense porous structures for use as bone substitutes
EP2481554A1 (de) * 2011-01-27 2012-08-01 Ghimas S.P.A. Verfahren zur Massanfertigung eines Knochensubstituts oder eines Knochenfüllers aus biologisch wirksamen und biomimetischen Materialen

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10675158B2 (en) 2015-12-16 2020-06-09 Nuvasive, Inc. Porous spinal fusion implant
US11660203B2 (en) 2015-12-16 2023-05-30 Nuvasive, Inc. Porous spinal fusion implant

Also Published As

Publication number Publication date
US20160151161A1 (en) 2016-06-02
EP3013542A1 (de) 2016-05-04
CA2916586A1 (en) 2014-12-31
DE102014212234A1 (de) 2014-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69823955T2 (de) Als knochenimplantat geeignetes erzeugnis
Shirazi et al. A review on powder-based additive manufacturing for tissue engineering: selective laser sintering and inkjet 3D printing
Chia et al. Recent advances in 3D printing of biomaterials
EP0627983B1 (de) Verfahren zur herstellung von formkörpern mit vorbestimmter porenstruktur
Bose et al. Processing and characterization of porous alumina scaffolds
DE60033025T2 (de) Knochenersatz aus kalziumphosphat
Do et al. 3D printing technologies for 3D scaffold engineering
US8172907B2 (en) Method for the production of a biologically active prosthetic device for the reconstruction of bone tissue and the prosthetic device itself
EP3013542A1 (de) Knochenersatz-material und verfahren zur herstellung von knochenersatz-material
KR101908287B1 (ko) 다공성 골 이식재 및 이의 제조 방법
DE4403509A1 (de) Werkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
KR102195992B1 (ko) 마이크로 기공 구조형 3차원 다공성 지지체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 지지체
EP2991695B1 (de) Keramisches knochenersatz-material und verfahren zu seiner herstellung
WO2007128192A1 (fr) Biocéramique médicale poreuse du type renforcé
CN109650872A (zh) 一种基于自由挤出式3d打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法
Monfared et al. A deep insight into the preparation of ceramic bone scaffolds utilizing robocasting technique
EP2931326A1 (de) Knochenersatz und verfahren zu dessen herstellung
CN107007888B (zh) 一种基于光固化3d打印技术个体化定制型的二氧化锆多孔生物骨修复支架及其制备方法
DE102012211390B4 (de) Synthetisches knochenersatzmaterial und verfahren zu seiner herstellung
EP3626210B1 (de) Verfahren zur herstellung einer brustprothese
US20200147261A1 (en) Porous material and process
De Maria et al. Indirect rapid prototyping for tissue engineering
DE102015208632A1 (de) Formkörper, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung
EP1296809B1 (de) Verfahren zur naturgetreuen herstellung medizinischer implantate und epithesen und danach hergestellte implantate und epithesen
JP2023517843A (ja) 生物活性の埋め込み可能な装置、並びに複合生体材料及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14738750

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14900430

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2916586

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014738750

Country of ref document: EP