DE3717818A1 - Knochenprothesematerial und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Knochenprothesematerial (Füllstoff) für Oralchirurgie, orthopädische Chirurgie und andere Gebiete, bei denen man einen Teil eines Knochens, der aufgrund einer Knochentumoroperation, einer Alveolarpyorrhoe oder wegen einer anderen Krankheit entfernt wurde, füllt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Knochenprothesematerials.

Knochenprothesematerial der hier beschriebenen Art hat man bereits in Form von Blöcken, Körnchen oder anderen geformten Produkten aus Metallen (z.B. Kobalt-Chrom-Legierungen, Titan, rostfreiem Stahl), Keramikmaterial (z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Calciumtriphosphat, Hydroxyapatit und einem auf Calciumphosphat aufgebautem Glas), hochmolekulargewichtigen Materialien (z.B. Silikonharze) und Kohlenstoff ausgebildet.

Von diesen Materialien wurden solche, die auf der Calciumphosphatgruppe basieren, wie Calciumtriphosphat, Hydroxyapatit und Gläser auf Basis von Calciumphosphat, in den vergangenen Jahren besonders intensiv untersucht, weil sie in ihrer Zusammensetzung dem Knochen ähnlich sind und eine außerordentlich hohe Bioverträglichkeit aufweisen. Aber auch ein Knochenprothesematerial, das aus einem solchen Material der Calciumphosphatgruppe hergestellt wurde, stellt ein Fremdmaterial gegenüber dem lebenden Gewebe dar und die Fähigkeit, bei einem neuen Wachstum des Knochens mit diesem zu koaleszieren, ist auf die Fläche begrenzt, die unmittelbar an dem hier interessierenden lebenden Gewebe anliegt. Bei Flächen, die von diesem lebenden Gewebe entfernt sind, findet bei dem Prothesematerial eine sogenannte Einkapselungsreaktion statt, bei welcher es mit einem faserförmigen Gewebe umgeben wird und dadurch außerordentlich weich wird. Deshalb zeigen Knochenprothesematerialien aus Calciumphosphatmaterialien bei den Flächen, bei denen der Heilprozeß inaktiv ist, keine gute Bioverträglichkeit mit dem Körpergewebe, was auf die Einkapselung in das faserförmige Gewebe zurückzuführen ist.

Aus der JA-OS 21 763/1985 ist ein künstliches Knochenmaterial bekannt, das sich aus gesintertem Hydroxyapatit mit offenen Zellen mit einer Größe von 10 bis 100 µm und einer Biegefestigkeit von wenigstens 100 kg/cm² zusammensetzt. Bei diesem künstlichen Knochenmaterial muß man aber auf die Porosität verzichten, um eine Biegefestigkeit von wenigstens 100 kg/cm² zu erhalten, und die Zahl der offenen Zellen ist zu klein, um wirksam eine Einkapselung in eine faserförmige Kapsel zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Knochenprothesematerial zur Verfügung zu stellen, das mit einem neuen Knochenwachstum koaleszieren kann, ohne daß eine Einkapselung in eine faserförmige Kapsel erfolgt, und zwar auch an solchen Stellen, die von dem lebenden Gewebe räumlich entfernt sind und bei dem der Heilprozeß inaktiv ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen verbesserten Knochenprothesematerials zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung kann allgemein dahingehend zusanmengefaßt werden, daß als ein Knochenprothesematerial ein poröses Calciumphosphat in körniger Form vorliegt. Die Körnchen haben offene Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm.

Fig. 1 ist eine Elektronenmikrophotographie (100-fache Vergrößerung) und zeigt den Aufbau eines Körnchens in dem gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung hergestellten Knochenprothesematerial und

Fig. 2 und 3 sind Elektronenmikrophotographien und zeigen den gleichen körnigen Aufbau bei unterschiedlichen Vergrößerungen von 1000 und 10 000.

Das gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellte Knochenprothesematerial setzt sich aus porösem Calciumphosphat, aufgebaut aus Körnchen mit offenen Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm, zusammen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Knochenprothesematerial mittels eines Verfahren hergestellt, das die Stufen umfaßt:
Vermischen eines Calciumphosphatpulvers mit organischen, leicht brennbaren Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe von 0,01 bis 10 µm,
Granulieren der erhaltenen Mischung und
Brennen des erhaltenen Granulats.

Die Einkapselung des in einen lebenden Körper eingebrachten Knochenprothesematerials wird durch Makrophage induziert, welche an dem Prothesematerial anhaften und dies als einen Fremdstoff identifizieren. Die vorliegenden Erfinder haben eine intensive Untersuchung dieses Phänomens durchgeführt und stellten fest, daß dann, wenn Körperflüssigkeit an den Stellen des Knochenprothesematerials, an denen Makrophage anhaften, durchfließen kann, der Prothesefüllstoff nicht als Fremdstoff von den Makrophagen angesehen wird und infolgedessen auch keiner Einkapselung in ein faserförmiges Gewebe unterliegt.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, daß durch die Ausbildung von offenen Zellen in einem Knochenprothesematerial der Durchgang von Körperflüssigkeit in das Innere des Prothesematerials ermöglicht wird und daß die Einkapselung in ein faserförmiges Gewebe verhindert wird und dadurch die Koaleszenz mit neuem Knochenwachstum beschleunigt wird. Damit das Knochenprothesematerial nicht als ein Fremdstoff von den Makrophagen identifiziert wird, ist die Porengröße der offenen Zellen in dem Prothesematerial wichtig, wobei diese insbesondere nicht wesentlich größer sein sollen als die Makrophagen.

Damit dieses Erfordernis erfüllt wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Prothesematerial vorgesehen, daß die offenen Zellen eine durchschnittliche Porengröße von nicht mehr als 0,01 µm, aber weniger als 10 µm haben. Der durchschnittliche Porengrößenbereich liegt bei 0,01 bis 10 µm. Es ist schwierig, ein Knochenprothesematerial herzustellen, bei dem die offenen Zellen eine durchschnittliche Porengröße von weniger als 0,01 µm haben. Darüber hinaus haben Körperflüssigkeiten einen begrenzten Zugang zu solchen außerordentlich kleinen Zellen, so daß eine befriedigende Verhinderung der Einkapselung nicht möglich ist. Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße, die 10 µm übersteigt, sind so viel größer als die Makrophage, um den Durchgang von Körperflüssigkeiten an den Stellen, an denen Makrophagen anhaften, zu ermöglichen, so daß es außerordentlich schwierig ist, eine Einkapselung des Knochenprothesematerials befriedigend zu verhindern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Körnchen, aus denen sich das Knochenprothesematerial zusammensetzt, so beschaffen, daß wenigstens eine offene Zelle mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm in einer Oberfläche von 10 µm² vorliegt. Wird diese Bedingung erfüllt, so sind die offenen Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße, die innerhalb des angegebenen Bereiches liegt, mit einer solchen Dichte verteilt, daß die Wahrscheinlichkeit, daß offene Zellen an den Stellen vorliegen, an denen Makrophagen anhaften, erhöht wird und das Einkapseln in besonders guter Weise verhindert werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die offenen Zellen in den Knochenprothesematerialkörnchen eine durchschnittliche Porengröße von 0,01 bis 1 µm. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann bilden die an den offenen Zellen anhaftenden Makrophagen Brücken, wodurch noch bessere Ergebnisse hinsichtlich der Verhinderung der Einkapselung erzielt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Knochenprothesematerialkörnchen eine Porosität von 60 bis 90% haben. Beträgt die Porosität weniger als 60%, dann werden die erwünschten offenen Zellen nicht ausreichend gebildet und ein befriedigender Durchgang von Körperflüssigkeit ist nicht möglich. Übersteigt die Porosität 90%, dann besteht die hohe Wahrscheinlichkeit, daß die Körnchen eine verminderte Festigkeit aufweisen und brüchig sind.

Erfindungsgemäß sind die Körnchen, aus denen sich das Knochenprothesematerial aufbaut, nicht begrenzt hinsichtlich ihrer Form, und das bedeutet, daß sie kugelförmig oder eine unregelmäßige Oberfläche haben können. Um das Einfüllen zu erleichtern, haben die Körnchen vorzugsweise eine durchschnittliche Größe von 0,1 bis 1 mm. Haben die Körnchen eine Durchschnittsgröße von weniger als 0,1 mm, dann werden sie leicht von den fließenden Körperflüssigkeiten weggeschwemmt. Beträgt die durchschnittliche Teilchengröße der Körnchen mehr als 1 mm, dann werden viele und zu große Zwischenräume zwischen den Körnchen ausgebildet, so daß ein wirksames Koaleszieren unter neuem Knochenwachstum verhindert wird.

Alle bekannten Materialien aus der Calciumphosphatgruppe, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um ein Pulver herzustellen, das man mit organischen, leicht brennbaren Teilchen bei der Herstellung des beanspruchten Knochenprothesematerials vermischt, können verwendet werden. Besonders bevorzugte Materialien aus der Calciumphosphatgruppe sind Hydroxyapatit und Calciumtriphosphat. Ein aus diesen Materialien hergestelltes Calciumphosphatpulver besteht aus Teilchen, die typischerweise eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 1 bis etwa 10 µm haben. Solche Teilchen können in einer Kugelmühle oder in irgendeiner anderen geeigneten Vorrichtung zu feinen Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 0,05 bis etwa 1 µm vermahlen werden.

Die organischen, leicht brennbaren Materialien liegen in Form von Perlen aus synthetischen Harzen, wie Polystyrol, Polyvinylalkohol und Polypropylen vor. Alternativ kann man sie auch dadurch herstellen, daß man Cellulose, tierische Fasern oder andere faserförmige Materialien feinzerkleinert. Um Zellen auszubilden mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm, sollen die Teilchen aus dem organischen, leicht brennbaren Material eine durchschnittliche Größe im gleichen Bereich aufweisen.

Beim Granulieren einer Mischung aus einem Pulver auf Basis von Calciumphosphat mit den organischen, leicht brennbaren Teilchen kann man gewünschtenfalls Wasser, Polyvinylalkohol oder ein anderes geeignetes Material als Bindemittel verwenden. Die als Ausgangsmaterial verwendete Mischung enthält vorzugsweise 30 bis 70 Gewichtsteile der organischen, leicht brennbaren Teilchen pro 100 Gewichtsteile des Pulvers aus Calciumphosphat. Ist der Gehalt an organischen, leicht brennbaren Teilchen geringer als 30 Gew.-%, dann wird keine ausreichende Porosität in den Prothesematerialkörnchen ausgebildet. Übersteigt der Gehalt an organischen, leicht brennbaren Teilchen 70 Gew.-%, dann weisen die gebildeten Prothesematerialkörnchen eine derart hohe Porosität auf, daß die Festigkeit darunter leidet.

Für die Kornbildung (Granulierung) kann man verschiedene Methoden anwenden. Eine Methode besteht darin, daß man ein Calciumphosphatpulver mit den organischen, leicht brennbaren Teilchen zu einer Aufschlämmung vermischt, die dann zu einem Block getrocknet wird, den man anschließend zu feinen Teilchen vermahlt. Eine andere Methode besteht darin, daß man eine Granuliervorrichtung vom Pfannentyp verwendet.

Das so hergestellte Granulat wird dann gebrannt. Obwohl für das Brennen des Granulats keine besonderen begrenzenden Bedingungen vorliegen, wird das nachfolgende Verfahren empfohlen: Das Granulat wird von Raumtemperatur auf etwa 600°C in einer Rate von etwa 50°C/h erhöht, wobei das organische, leicht brennbare Material herausgebrannt wird. Anschließend wird das Granulat auf etwa 1200°C in einer Rate von etwa 100°C/h erhitzt und bei dieser Temperatur für etwa 8 h unter Ausbildung eines Sinterproduktes gehalten.

Das gemäß der vorher angegebenen Methode hergestellte Knochenprothesematerial kann dann in der nachfolgenden Weise eingesetzt werden. Nach dem Sterilisieren wird der Füllstoff mit einer sterilen, physiologischen Kochsalzlösung vermischt und die erhaltene Mischung gibt man dort hin, wo ein fehlender Knochenteil ersetzt werden soll. Das zugegebene Prothesematerial koalesziert dann mit dem umgebenden Knochengewebe durch neues Knochenwachstum und füllt den fehlenden Knochenteil aus.

In eine Kugelmühle wurden 600 g synthetisches Hydroxyapatitpulver (Teilchengröße 1-10 µm), 400 g Polystyrolperlen "Feinperlen" (Handelsname von Sumitomo Chemical Co., Ltd.), durchschnittliche Teilchengröße 6 µm) und 2.000 ml destilliertes Wasser gegeben und die Kugelmühle wurde 24 h betrieben, wobei man eine Aufschlämmung des Hydroxyapatits mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,6 µm erhielt. Die Aufschlämmung wurde in eine Petrischale gegeben und diese wurde in einen Ofen mit einer inneren Luftzirkulation von 100°C 24 h gestellt, wobei die Aufschlämmung zu einem Block trocknete. Der Block wurde dann in einem Mörser zu einem Granulat (Körnchen von 100 bis 1000 µm) pulverisiert und in einem Elektroofen unter den nachfolgenden Bedingungen gebrannt: Erwärmen von Raumtemperatur auf 600°C in einer Rate von 50°C/h; anschließendes Erhitzen von 600°C auf 1200°C in einer Rate von 100°C/h; Halten der Temperatur von 1200°C während 8 h und Abkühlen mit einer Rate von 200°C/h.

Die gebrannten Hydroxyapatitkörnchen wurden auf einen Kornbereich von 300 bis 500 µm mittels eines rostfreien Stahlsiebes gesiebt.

Ein aus solchen Körnchen hergestelltes Knochenprothesematerial hat offene Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von etwa 4 µm. Elektronenmikrophotographien eines einzelnen Körnchens aus diesem Prothesematerial werden in Fig. 1 (Vergrößerung 100) und Fig. 3 (Vergrößerung 10 000) gezeigt.

Wie vorher dargelegt, setzt sich das erfindungsgemäße Knochenprothesematerial aus porösem Calciumphosphat in Form von Körnchen mit offenen Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm zusammen. Körnchen, aus denen ein prothetischer Füllstoff hergestellt wird, lassen die Passage von Körperflüssigkeiten an den Stellen, an denen Makrophage anhaften, zu und werden von den anhaftenden Makrophagen nicht als Fremdstoff erkannt. Dadurch kann eine Einkapselung der Körnchen in faserförmiges Gewebe verhindert werden und das Koaleszieren der Körnchen an neues Knochenwachstum beschleunigt werden, so daß dadurch auch der Heilprozeß in dem behandelten Gewebe beschleunigt wird.

Claims (12)

1. Knochenprothesematerial, dadurch gekennzeichnet, daß es sich aus porösem Calciumphosphat, aufgebaut aus Körnchen mit offenen Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm zusammensetzt.

2. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen im Durchschnitt wenigstens eine der offenen Zellen innerhalb einer Oberfläche von 10 µm² haben.

3. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Zellen eine durchschnittliche Porengröße von 0,01 bis 1 µm haben.

4. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen eine Durchschnittsgröße von 0,01 bis 1 mm haben.

5. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen eine Porosität von 60 bis 90% haben.

6. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen Calciumphosphathydroxyapatit einschließen.

7. Knochenprothesematerial gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen Calciumtriphosphat einschließen.

8. Verfahren zur Herstellung eines Knochenprothesematerials gemäß Anspruch 1, umfassend die Stufen:
Mischen eines Pulvers, aufgebaut aus Calciumphosphat, mit organischen, leicht brennbaren Teilchen,
Granulieren der erhaltenen Mischung und Brennen des Granulats.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen, leicht brennbaren Teilchen eine Durchschnittsgröße von 0,01 bis 10 µm haben.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an organischem, leicht brennbaren Material 30 bis 70 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile des Pulvers aus Calciumphosphat beträgt.

11. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Stufe vorgesehen ist die Zugabe von Wasser oder von Polyvinylalkohol als Bindemittel zu der erhaltenen Mischung.

12. Verwendung von porösem Calciumphosphat, das aus Körnchen mit offenen Zellen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,01 bis 10 µm aufgebaut ist, als Knochenprothesematerial.