DE69322765T2

DE69322765T2 - Carbonierte hydroxyapatit-zusammensetzungen und ihre verwendungen

Info

Publication number: DE69322765T2
Application number: DE69322765T
Authority: DE
Inventors: Brent R. Los Gatos Ca 95066 Constantz
Original assignee: Norian Corp
Current assignee: Norian Corp
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1993-09-24
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2013-09-25
Also published as: DK0622990T3; ATE174872T1; EP0622990A4; DE69334185T2; EP0835668A1; US6334891B1; DE69322765D1; US5952010A; US5900254A; EP0835668B1; WO1994008458A1; ES2297845T3; ATE378075T1; US5962028A; DE69334185D1; EP0622990A1; EP0622990B1; ES2128442T3

Description

Das Gebiet der Erfindung betrifft die Herstellung im wesentlichen reiner Zusammensetzungen carbonatsubstituierter Formen von Hydroxyapatit und die biomedizinische Verwendung solcher Zusammensetzungen.
Einige Calciumphosphat-Mineralien, z. B. Hydroxyapatit, Fluorapatit, Octacalciumphosphat, Whitlockit, Brushit und Monetit, können als bioverträgliche Materialien eingesetzt werden. Die verschiedenen Kristallformen der Calciumphosphat-Mineralien können unterschiedliche physikalische Eigenschaften verleihen, die für eine spezifische biomedizinische Anwendung mehr oder weniger wünschenswert sein können. Beispielsweise sind Octacalciumphosphat und Whitlockit weniger resorbierbar als Brushit oder Monetit (Brown und Chow, Ann. Rev. of Materials Science 6, 213-236 (1976)).
Von besonderem Interesse sind Apatite. Apatit ist ein allgemeiner Ausdruck für eine Vielzahl an Verbindungen, die durch die allgemeine Formel M²&spplus;&sub1;&sub0;(ZO&sub4;³&supmin;)&sub6;Y&supmin;&sub2; dargestellt sind, worin M ein Metallatom ist, insbesondere ein Alkali- oder Erdalkaliatom, ZO&sub4; ein Säurerest ist, worin Z Phosphor, Arsen, Vanadium, Schwefel oder Silizium sein kann, oder zur Gänze oder teilweise durch Carbonat (CO&sub3;²&supmin;) ersetzt sein kann, und Y ein Anion ist, üblicherweise Halogenid, Hydroxy oder Carbonat. Wenn ZO&sub4;³&supmin; teilweise oder zur Gänze durch dreiwertige Anionen (z. B. CO&sub3;²&supmin;) ersetzt ist und/oder Y teilweise oder zur Gänze durch zweiwertige Anionen ersetzt ist, kann das Ladungsgleichgewicht in der Gesamtstruktur durch zusätzliche einwertige Kationen (z. B. Na&spplus;) und/oder protonierte Säurereste (z. B. HPO&sub4;²&supmin;) aufrechterhalten werden.
Auf Hydroxyapatit (HAp) sowie seine verschiedenen Formen konzentriert sich das Interesse, da er eine wesentliche Strukturkomponente biologischer Gewebe ist, wie z. B. Knochen, Zähne und Skelette einiger Wirbelloser. Es gibt viele Situationen, in denen Knochen gebrochen, operativ entfernt, zerstört, abgebaut oder brüchig oder anderen schädigenden Auswirkungen ausgesetzt werden. In vielen dieser Situationen wäre es wünschenswert, in der Lage zu sein, Knochensubstanz zu ersetzen oder diese zu stärken. Bei der Bereitstellung von Ersatzmaterialien für natürliche Knochen- und Zahnsub stanz oder andere kalzifizierte Gewebe bestehen einige Einschränkungen hinsichtlich der natürlichen Zusammensetzung des Materials.
Bei Zahnanwendungen kann fluorsubstituierter Hydroxyapatit, d. h. Francolit, bevorzugt sein, der die Löslichkeit senkt und Kariesresistenz erhöht.
Das Material sollte idealerweise bestimmte Eigenschaften aufweisen, welche die Herstellung, Lagerbeständigkeit und biomedizinische Anwendung des Materials erleichtern. Konkret ist ein Verfahren sehr wünschenswert, das in einem offenen operativen Eingriff mit den Fingern eingepackt oder perkutan als fließfähige Zusammensetzung injiziert werden kann, um Lücken zu füllen oder Bereiche vollständig auszufüllen, die einen Mangel an hartem Knochen aufweisen. Wenn das Material in den Körper eingebracht und in situ geformt und ausgehärtet werden soll, müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Beispielsweise sind die Rate, mit der sich Hydroxyapatit bildet, sowie das Ausmaß, in dem die Bildung von Hydroxyapatit exotherm ist oder Gas erzeugen kann, wichtige Faktoren. Wenn die Reaktion stark exotherm ist, kann sie zur thermischen Nekrose des umgebenden Gewebes führen.
Da die endgültige Form des Materials unter physiologischen Bedingungen stabil sein muß, muß die Form, in der das Material eingebracht wird, ebenfalls stabil sein, während das Material in seiner neuen Umgebung aushärtet; das gleiche gilt für jedes Zwischenprodukt der Bildungsreaktion.
Das Material sollte in allen Phasen der Aushärtung bis zum Endprodukt physiologisch annehmbar sein, um ein Einsetzen von Gerinnung, entzündlichen Reaktionen und dergleichen zu vermeiden. Zwei unterschiedliche Formen von Apatit sind besonders wünschenswert: die eine ist ein Hydroxyapatit oder ein fluoriertes Derivat davon, das in vivo nicht resorbierbar ist; die andere umfaßt Formen von Apatit, die in vivo im wesentlichen resorbierbar sind. Außerdem müssen beide Formen von Apatit üblicherweise fest und nicht brüchig sein. Ferner sollte die Haftung zwischen dem Material und dem ver bleibenden Knochen oder kalzifierten Gewebe stark bleiben. Das Material sollte darüber hinaus günstigerweise einige der anderen Funktionen von natürlichem Knochen übernehmen können; dazu zählen: Aufnahme von Stammzellen; Ermöglichen der Infiltration durch Zellen, die normalerweise in natürlichem Knochen zu finden sind, z. B. Osteoklaste, Osteoblaste und dergleichen; Ermöglichen der Umgestaltung des Materials durch die infiltrierenden Zellen, gefolgt vom Einwachsen neuer Knochensubstanz; und ähnliche Wirkungsweise im metabolischen Calciumaustausch wie nativer Knochen.
Es wurde gezeigt, daß Carbonat das Kristallwachstum von HAp hemmt (Blumenthal et al., Calcif. Tissue Int. 36, 439-441 (1984); LeGeros et al., "Phosphate Minerals in Human Tissues", in Phosphate Minerals (Berlin), J. Nriagu (Hrsg.): Springer, 1984, S. 351- 385; LeGeros et al., J. Dent. Res. 68, 1003 (1989); Nauman und Neuman, "The Chemical Dynamics of Bone Mineral", University of Chicago Press, Chicago (1958); Newesley, Arch. Oral Biol. 6, 174-180 (1961); Posner, Clin. Orthop. 200, 87-99 (1985)). Carbonate sind in den Apatiten von harten Geweben vorhanden, und ihre Gegenwart ändert die Eigenschaften von stöchiometrischem Apatit. Carbonat hat der Literatur zufolge nachstehende Wirkungen: 1) Verringerung der Kristallitgröße, 2) Änderung der Morphologien der Mineralphase von Nadeln zu Stäben und äquiaxialen Kristallen (Sphäroiden), 3) Kontraktion der a-Achse und Verlängerung der c-Achse, 4) innere Spannungen und 5) chemische Instabilität (LeGeros et al., s. o., 1984; LeGeros et al., s. o., 1989). Alle diese Faktoren führen zu höheren Löslichkeiten von carbonatsubstituiertem HAp. Die Röntgenbeugungsmuster sowie die radiale Verteilungsfunktion ändern sich insofern grundlegend, als die Konzentration an Carbonat zunimmt und die Muster einen immer amorpheren Charakter aufweisen (LeGeros et al., s. o., 1989; Glimcher, M. J., "Recent studies of the mineral phase in bone and its possible linkage to the organic matrix by protein-bound phosphate bonds", Phil. Trans. R. Soc. London Ser. B., 304, 479-508). Die Linienverbreiterung, die man im Beugungsmuster beobachtet, wird durch geringere Kristallitgröße und Kristallinität hervorgerufen. Neben dem Hemmen des HAp-Kristallwachstums konnte Carbonatsubstitution die Löslichkeit von HAp deutlich erhöhen (Nelson et al., Ultramicroscopy 19, 253-266 (1986)). Ein weiteres interessantes experimen telles Ergebnis bestand darin, daß Unterschiede im Löseverhalten beobachtet wurden, je nachdem, ob die Carbonate strukturell innerhalb von HAp gebunden oder an HAp absorbiert sind. Dies legt nahe, daß sich die Löslichkeit in HAp mit strukturell gebundenen Carbonaten erhöhte, während sie in HAp mit absorbiertem CO&sub3;²&supmin; abnahm. Die Abnahme der Löslichkeit wurde durch den Umstand erklärt, daß Hydroniumionen um die Oberfläche von HAp konkurrieren mußten, weshalb die Ablagerung der CO&sub3;²&supmin;-Schicht erforderlich war.
Das Ausmaß der Carbonat-Aufnahme während HAp-Fällung unter normalen physiologischen Bedingungen beträgt etwa 1 Gew.-% CO&sub3;²&supmin; (Posner, s. o., 1985). Knochen besteht aus etwa 4 Gew.-% CO&sub3;²&supmin;. Somit enthalten HAp-Fällungsreaktionen an der Luft im allgemeinen relativ niedrige Konzentrationen an Carbonat. Knochenmineralisches Apatit mit einer Carbonatmenge zwischen 2 und 10 Gew.-% wurde üblicherweise als Dahllit bezeichnet (McConnell, J. Dent. Res. 31, 53-63 (1952); und McConnell, Clin. Orthopaed. 23, 253-268 (1962)).
Carbonate können sowohl an den Z- als auch den Y-Stellen der Apatitstruktur substituieren, wobei es als erwiesen gilt, daß Carbonate anstelle von PO&sub4;³&supmin;-Gruppen während Fällungsreaktionen, die zur HAp-Bildung führen, substituiert werden. Genauer gesagt zeigen bei tiefen Temperaturen gebildete HAp-Produkte Carbonatsubstitution an den Phosphatstellen, und aufgrund der geringeren Größe erfolgt eine Verkürzung der a-Achse des Apatits (LeGeros et al., s. o., 1984 und LeGeros et al., s. o., 1989). In den meisten Hochtemperatur-Apatiten hingegen befinden sich die Carbonate in der Nähe der Sechsfach-Achse, wo sie Hydroxylionen ersetzen. Da das Carbonat- größer als das Hydroxylion ist, erfolgt eine Verlängerung der a-Achse (Brown und Chow (1986), s. o.).
Das Skelett ist das Reservoir für fast die gesamte Menge des Körpercalciums und den Großteil seines Phosphors und Magnesiums (Avioli und Krane, "Metabolic Bone Disease and Clinically Related Disorders", 2. Ausgabe, 1990, W. B. Saunders Co., Philadelphia, S. 2). Es wurde gezeigt, daß die Konzentration der Carbonatmengen in menschli chem Zahnschmelz von der Oberfläche zum Zahnbein hin zunimmt. Ebenso wurde gezeigt, daß die Carbonatkonzentration im Oberflächenschmelz mit dem Alter abnimmt (Brudevold und Soremark, "Chemistry of the mineral phase of enamel", Miles (Hrsg.), in: "Structural and Chemical Organizations of Teeth", Academic Press, New York, 1967, Bd. II, S. 247). Die Leichtigkeit von Ionensubstitution im Apatitgitter ermöglicht die Ionensubstitution von Ionen aus den den Knochen umgebenden Flüssigkeiten und umgekehrt. Dies impliziert, daß harte Gewebe als regulierendes Reservoir für bestimmte Ionen wirken, indem Ionen in die Struktur eingearbeitet werden, wenn die Ionenkonzentration im Serum auf einen zu hohen Wert ansteigt, und Ionen gelöst werden, wenn der Körper einen diesbezüglichen Mangel aufweist. Mögliche Kandidaten für diese Form der Regulierung sind z. B. die anorganischen Bestandteile von Serum, wie etwa ionisiertes und komplexiertes Calcium, anorganische Phosphate, Magnesium, Bicarbonat, Natrium, Chlorid, Kalium und dergleichen (Eidelman et al., Calcif. Tissue Int. 41, 18-26 (1987a); Eidelman et al., Calcif. Tissue Int. 40, 71-78 (1987b); Meyer und Fleisch, Miner. Electolyte Metab. 10, 249-158.(1984)).
Carbonat ist in hartem Gewebe besonders wichtig, da es offenbar für die zelluläre Infiltration von Knochen durch Osteoklase, Osteoblaste und andere Knochenzellen erforderlich ist. Da Osteoklaste, Osteoblaste und dergleichen an der Mineralersetzung und Knochenumgestaltung beteiligt sind, verwendet jedes synthetische, mit Apatit assoziierte Bioimplantat vorzugsweise eine carbonierte Form von Apatit oder Dahllit. Da Dahllit durch natürliche Körperprozesse umgestaltet werden kann, sollte die Dahllitkomponente eines Implantats durch die Wirkung von Osteoklasten und Osteoblasten schließlich durch natürlichen Knochen ersetzt werden. Somit können Dahllitimplantate schließlich viele oder alle der wünschenswerten Merkmale von natürlichem Knochen annehmen, z. B. höhere Festigkeit, Elastizität und Haltbarkeit.
Frühere Verfahren zur chemischen Bildung monolithischer Körper aus Hydroxyapatit stellten kein Dahllit oder Hydroxyapatit mit physiologisch signifikanten Werten von strukturell eingearbeitetem Carbonat her. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, daß die in den Reaktionen anderer Verfahren vorhandene Säure zumeist mit dem Carbonat reagiert, um gasförmiges CO&sub2; zu erzeugen. Das Entweichen von Gas entfernt Carbonat aus der Reaktion, die Apatit bildet, und kann zu einem Produkt führen, das wesentlich brüchiger ist, als dies im allgemeinen erwünscht ist, da eingeschlossene Gasbläschen die Strukturintegrität des Produkts beeinträchtigen. Ein Haupthindernis zur Herstellung von Dahllit war somit die Entwicklung eines Verfahrens, das Carbonat im Produkt hält, obwohl die zur Bildung der Apatitstruktur erforderliche Säure vorhanden ist.
Relevante Patente nach dem Stand der Technik sind die US-A-3.787.900; 3.913.229; 3.679.360; 4.097.935; 4.481.175; 4.503.157; 4.612.053; 4.659.617; und 4.693.986. Siehe auch Arends und Jongebloed, Rec. Trav. Chim. Pays-Bas 100, 3-9 (1981). Die Verwendung von Calciumphosphat als dichtendes und füllendes Material wird von Chohayeb et al., J. Endodontics 13, 384-387 (1987), und Lowenstam und Weiner, "On Biomineralization", (1989), Oxford University Press, New. York, beschrieben. Siehe auch Ohwaki et al., 13th Ann. Mtg. of the Soc. for Biomaterials, 2-6. Juni 1987, New York, NY, S. 209.
Die Erfindung stellt Zusammensetzungen aus Dahllit, dessen Analogen oder anderen carbonatsubstituierten Formen von Hydroxyapatit (Dahllit-ähnliche Zusammensetzungen) bereit, die sich für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen eignen. Die Zusammensetzungen können solcherart hergestellt werden, daß sie fließfähig, formbar und in situ härtbar sind. Die Zusammensetzungen härten zu monolithischen polykristallinen Strukturen, die nach dem Härten geformt werden können.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1, 11 und 12. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2-10 bzw. der abhängigen Ansprüche 13-17.
In der WO 92/02453 offenbarten die Anmelder Zusammensetzungen, die aus im wesentlichen reinen (mehr als 80 Gew.-%) Dahllit-ähnlichen Zusammensetzungen beste hen, die als carboniertes Hydroxyapatit bezeichnet werden und im wesentlichen frei von Blut- oder organischen Komponenten von natürlichem Knochen produziert werden können. Die Zusammensetzungen können viele der Funktionen übernehmen, die in natürlich vorkommenden kalzifizierten Geweben oder bei der Reparatur solcher Gewebe, insbesondere der Zähne und Knochen, auftreten. Die Dahllit- oder Francolit-ähnlichen Produkte können durch Kombinieren der Naß- und Trockenbestandteile, um ein im wesentlichen einheitliches Gemisch zu liefern, zweckmäßiges Formen des Gemisches und Härtenlassen des Gemisches problemlos gebildet werden. Während des Härtens kristallisiert das Gemisch zu einer festen und im wesentlichen monolithischen Apatitstruktur. Die Dahllit- und Froncolit-ähnlichen Apatitzusammensetzungen können nach dem Aushärten auch geformt werden. Alternativ dazu können die Dallit- oder Francolit- ähnlichen Apatit-Zusammensetzungen Vorläufer-Reaktionsgemische sein, die in einen geeigneten Abschnitt des Körpers eingebracht und in situ gehärtet und/oder geformt werden.
In der Erfindung sind die Trockenbestandteile eine von ungebundenem Wasser freie Phosphorsäurequelle, eine Calciumquelle und Calciumcarbonat; die Naßbestandteile sind ein normalerweise wäßriges Schmiermittel, umfassend 0,01 bis 2,0 M eines Phosphats oder Carbonats, mit einem pH-Wert von 6 bis 11.
Die Zusammensetzung des carbonierten Hydroxyapatits kann variieren, wobei sie häufig nicht-stöchiometrisch ist und zusätzliche eingearbeitete Wasserstoffatome besitzt. Das Calcium/Phosphat-Verhältnis kann ebenfalls variieren, wobei das Verhältnis auch nur 1,33 betragen kann (1,67 ist das natürliche Verhältnis), sodaß eine fehlerhafte Gitterstruktur mit Calciumleerstellen vorliegt, oder auch einen hohen Wert wie 2,0 aufweisen kann. Bei einem Verhältnis von 1,33 fehlen zwei Calciumionen. Die zusätzlichen Wasserstoffe können bis zu etwa 2 Wasserstoffione pro Phosphat sein, üblicherweise nicht mehr als etwa ein Wasserstoffion pro Phosphat. Die Ionen sind im gesamten Produkt einheitlich verteilt, wobei die Zusammensetzung zumeist einphasig mit einer einzigen Kristallstruktur ist. Im Vergleich zu gesintertem und hydrothermisch hergestell tem Hydroxyapatit sind die Röntgenbeugungs- und Fouriertransform-Infrarot-Spektren der vorliegenden Zusammensetzungen stark unterschiedlich.
Die Reaktanden bestehen im allgemeinen aus einer im wesentlichen von ungebundenem Wasser freien Phosphorsäurequelle, einer Erdalkalimetallquelle, insbesondere Calcium, gegebenenfalls Kristallkeimen, insbesondere Hydroxyapatit- oder Calciumphosphat-Kristallen, Calciumcarbonat und einem physiologisch annehmbaren Schmiermittel wie z. B. Wasser, das verschiedene gelöste Stoffe enthalten kann. Die Trockenbestandteile können als Gemisch vorgefertigt und dann mit den flüssigen Bestandteilen unter Bedingungen kombiniert werden, in denen im wesentlichen einheitliches Vermischen erfolgt. Wenn Gase entstehen, wird das Gemisch gerührt, um große Gasblasen freizusetzen.
Die Phosphorsäurequelle kann jede teilweise neutralisierte Phosphorsäure sein, insbesondere bis zur und einschließlich der vollständigen Neutralisierung des ersten Protons, z. B. in einbasigem Calciumphosphat. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sie aus Orthophosphorsäure, gegebenenfalls in kristalliner Form, bestehen, die im wesentlichen frei von gebundenem Wasser ist. Die Säurequelle macht im allgemeinen etwa 15 bis 35 Gew.-% der Trockenbestandteile des Gemisches aus, noch häufiger 15 bis 25 Gew.-%.
Bei der Auswahl der Calciumquelle, insbesondere wenn diese die doppelte Funktion der Bereitstellung von Calcium und des Neutralisierens übernimmt, muß man berücksichtigen, daß das gewünschte Endprodukt von den relativen Verhältnissen von Calcium und Phosphat abhängt. Calciumquellen enthalten im allgemeinen Gegenionen wie z. B. Carbonat, Phosphat oder dergleichen. Von besonderem Interesse sind doppelte Quellen von Calciumphosphat und Phosphat, z. B. Tetracalciumphosphat (C&sub4;P) oder Tricalciumphosphat (C&sub3;P). Tetracalciumphosphat oder Tricalciumphosphat können typischerweise im Gemisch in einer Menge von etwa 0 bis 70 Gew.-%, noch häufiger etwa 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise etwa 2 bis 18 Gew.-%, des Trockengewichts der Trockenbestandteile des Gemisches vorhanden sein. Wenn Calciumcarbonat vorhanden ist, um die Säure zu neutralisieren und als Calcium- und Carbonatquelle zu dienen, führt die Reaktion zu einem relativ geringen Temperaturanstieg; es entsteht jedoch eine große Gasmenge, die während des Mischens freizusetzen ist. Calciumcarbonat ist im Gemisch in einer Menge von etwa 2 bis 70 Gew.-%, noch häufiger etwa 2 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise etwa 2 bis 18 Gew.-%, des Trockengewichts der Trockenbestandteile des Gemisches vorhanden. Calciumhydroxid kann im Gemisch in einer Menge von etwa 0 bis 40 Gew.-%, noch häufiger etwa 2 bis 25 Gew.-%, optimalerweise etwa 2 bis 20 Gew.-%, vorhanden sein.
Halogenide wie z. B. Fluorid und Chlorid können zur Bildung von Fluorapatit (Francolit) bzw. Chlorapatit zugegeben werden. Verschiedene Fluorid- oder Chloridquellen können verwendet werden. Im allgemeinen enthalten die Quellen entweder lösliche Salze, wie z. B. Calciumchlorid, Calciumhexafluorsilicat oder Natriumfluorid, oder die Quelle kann als verdünnte Säure im wäßrigen Schmiermittel, im allgemeinen in Konzentrationen von weniger als etwa 1 M zugegeben werden, was weniger wünschenswert ist. Falls Halogenide überhaupt vorhanden sind, machen sie zwischen etwa 0 und 4 Gew.- %, noch häufiger von etwa 2 bis 4 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 3 bis 4 Gew.-%, des Trockengewichts aus. Üblicherweise werden zumindest etwa 5%, noch häufiger zumindest etwa 10%, der Hydroxylgruppen ersetzt (bis zu 100% ist möglich). Francolit ist aufgrund der potentiellen dentalen Anwendungen dieser teilweise fluorsubstituierten Form von Dahllit von besonderem Interesse.
Die verschiedenen Trockenbestandteile können vor der Zugabe der Naßbestandteile kombiniert werden. Vermischen dient dazu, die Ingredientien miteinander zu kombinieren, und kann das Ausmaß der Reaktionen zwischen den Ingredientien regulieren. Beliebige oder alle Trockenbestandteile können vor dem Beginn des Mischens oder vor Abschluß des mechanischen Mischens zugegeben werden. Mischverfahren sind z. B. Kugelmahlen, Brabendermischen, Walzen zwischen einer oder mehreren Walzen und einem flexiblen Behälter oder dergleichen. Vorzugsweise ist das Vermischen gründlich und dauert relativ kurz oder bis zur Bildung einer einheitlichen Dispersion der Bestandteile.
Durch Variieren der Menge des flüssigen Schmiermittels, insbesondere Wasser, das den vorliegenden Gemischen zugegeben wird, kann die Fluidität der Zusammensetzung hinsichtlich Fließvermögen und Viskosität variiert werden. Neben oder in Kombination mit Wasser können andere mit Wasser mischbare und pharmakologisch annehmbare Flüssigkeiten verwendet werden, insbesondere Alkanole, vor allem Polyole wie Ethylenglykol, Propylenglykol oder Glycerin, die üblicherweise in einer Menge von weniger als etwa 10 Vol.-% in einem geeigneten Medium vorhanden sind. Die Flüssigkeit macht im allgemeinen etwa 15 bis 20, noch häufiger etwa 20 bis 35, Gew.-% der gesamten Zusammensetzung aus. Verschiedene gelöste Stoffe können im wäßrigen Medium vorhanden sein. Von besonderem Interesse ist die Verwendung eines Gels oder Kolloids, das das ein gelöstes Alkalimetallhydroxid, Acetat, Phosphat oder Carbonat, insbesondere Natrium, vor allem Phosphat oder Carbonat, in einer Konzentration im Bereich von etwa 0,01 bis 2 M, insbesondere 0,05 bis 0,5 M, und bei einem pH-Wert von etwa 6- 11, üblicherweise etwa 7-9, vor allem 7-7,5, aufweist.
Die Implantierung kann mittels einer Spritze oder Katheterinjektion erfolgen; insbesondere kann die Zusammensetzung als Paste verwendet werden, die durch eine Nadel der Stärke 10-18, insbesondere eine 14-16, gelangt. Wenn weniger Schmiermittel zugegeben wird, ist die Zusammensetzung knetbar oder formbar und als lehmartiger Kitt ausgebildet, der vor dem Härten geformt werden kann. Durch Variieren der Menge des eingesetzten Schmiermittels kann auch die Härtungszeit der Zusammensetzungen variiert werden.
Nach dem Vermischen wird das Gemisch altern gelassen, während es sich im Ruhezustand befindet, gefolgt von einer langen Härtungszeit des Gemisches. Während des Härtens erfolgt Kristallwachstum, und das Produkt wird zu einer einstückigen Masse. Die Härtung dauert zumindest etwa 5-min lang, üblicherweise zumindest etwa 15 min. und höchstens etwa 20 min. Auf diese Weise hergestellte Verbindungen weisen eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften für physiologische Anwendungen auf.
Die vorliegenden Zusammensetzungen enthalten - strukturell in die Apatitstruktur eingearbeitet - zwischen etwa 2 und etwa 10 Gew.-% Carbonat, üblicherweise zwischen 2,5 bis 7 Gew.-%, optimalerweise zwischen etwa 4 und etwa 6 Gew.-%.
Die vorliegenden Zusammensetzungen sind bioverträglich und besitzen einen pH-Wert im Bereich von etwa 5,5 bis 8,5, üblicherweise im Bereich von etwa 6-7,5. Sie können so hergestellt werden, daß sie in an eine Umgebung mit einer Temperatur im Bereich von etwa 0-45ºC, üblicherweise 20-40ºC, optimalerweise bei etwa normaler physiologischer Temperatur, d. h. 37ºC, verabreicht werden. Die Zusammensetzungen besitzen - wenn sie gemäß den beschriebenen Verfahren hergestellt werden - geringe oder keine Toxizität und sind hinsichtlich schädlicher Wechselwirkungen mit verschiedenen in vivo-Wirtskomponenten im wesentlichen inaktiv sowie problemlos implantierbar. Außerdem sind sie leicht in vivo-resorbierbar, sodaß sie durch natürlichen Knochen ersetzt werden können.
Verschiedene zusätzliche Komponenten können während der Bildung des carbonierten Hydroxyapatits, Dahllit, enthalten sein. Von besonderem Interesse sind pharmakologisch aktive Mittel, Proteine, Polysaccharide oder andere bioverträgliche Polymere oder dergleichen. Von besonderem Interesse sind Proteine, die Teil der Skelettstruktur sind, z. B. unterschiedliche Formen von Collagen, insbesondere Typ I, Fibrin, Fibrinogen, Keratin, Tubulin, Elastin und dergleichen, oder strukturelle Polysaccharide wie z. B. Chitin. Pharmakologisch aktive Mittel sind z. B. Arzneimittel, die das Knochenwachstum fördern, als eine Vielzahl an Zellwachstumsfaktoren dienen oder als entzündungshemmende oder antimikrobielle Mittel fungieren. Beispiele für solche Proteine sind u. a.: knochenmorphogenetisches Protein, knorpelerzeugender Faktor, aus Plättchen stammender Wachstumsfaktor und Skelettwachstumsfaktor. Pharmakologisch aktive oder strukturelle Proteine können als wäßrige Dispersion oder Lösung zugegeben werden.
Üblicherweise ist das Protein in etwa 1-10 Gew.-% der Dispersion vorhanden. Das Protein ist in der Endzusammensetzung nach dem Härten in einer Menge von etwa 0,01 bis 10 Gew.-%, üblicherweise etwa 0,05 bis 5 Gew.-%, vorhanden. Die Wassermenge, die den Zusammensetzungen zugegeben wird, denen auch Protein in wäßriger Dispersion zugegeben wurde, wird entsprechend eingestellt. Durch Variieren der Anteile der Reaktanden, können Zusammensetzungen mit variierenden und vorhersagbaren in vivo- Resorptionsraten hergestellt werden. Somit ermögliche es die vorliegenden Zusammensetzungen Fachleuten auf dem Gebiet, Arzneimittel und anorganische Komponenten sowohl nach und während als auch möglicherweise vor der Bildung der Zusammensetzungen zuzugeben, um eine implantierbare oder injizierbare Depotzufuhr-Plattform für Arzneimittel, anorganische Mineralzusatzstoffe oder dergleichen zu schaffen.
Bei Verwendung als Zemente oder Füller binden sich die vorliegenden Zusammensetzungen an andere Apatite, wenn sie an eine Apatitoberfläche wie z. B. Knochen oder Zähne aufgebracht werden, die vor allem aus Dahllit und Collagen bestehen. Die aufbringbaren Zusammensetzungen können fest an Oberflächen anhaften, die naß oder mit Speichel, Blut oder Lymphflüssigkeit überzogen sind, sie füllen Lücken und passen sich an Oberflächenunregelmäßigkeiten wie z. B. konkave und konvexe Stellen an. Die Zusammensetzungen können als kontinuierliche Masse ohne die Bildung von Fragmenten oder losen Teilchen in einem ausreichenden Ausmaß aufgebracht werden. Außerdem sind die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen strukturell verträglich, da sie die strukturellen Funktionen von ersetztem Bindegewebe ausüben.
Die Zusammensetzungen der Erfindung können zur Bildung carbonierter Hydroxyapatit- Beschichtungen auf Bioimplantaten oder anderen Formkörpern verwendet werden.
Die Zusammensetzung kann als fließfähiges oder formbares Produkt als Knochenzement oder als Infiltratzement zur Behandlung von osteoporotischem Knochen verwendet werden.
Pasten- oder tonartige Gemische des Produkts werden bereitgestellt und können zu einem monolithischen carbonierten Hydroxyapatitprodukt geformt und ausgehärtet werden (entweder extern oder in situ).
Von besonderem Interesse ist die Herstellung des vorliegenden carbonierten Hydroxyapatits nach einem Verfahren, bei dem eine Calciumquelle, von der zumindest eine Komponente Calciumcarbonat ist, und eine Hydrogenphosphatquelle, gegebenenfalls bestehend aus Orthophosphorsäure-Kristallen im wesentlichen frei von ungebundenem Wasser, über einen Zeitraum, der ausreicht, damit eine Teilreaktion der Calciumquelle und der Hydrogenphosphatquelle erfolgen kann, mechanisch vermischt werden. Die teilweise umgesetzte Zusammensetzung kann anschließend mit einem physiologisch geeigneten Schmiermittel vermischt werden, das die Fluidität des Produkts variiert, die im wesentlichen vollständige Reaktion der Reaktanden ermöglicht und schließlich zu einem monolithischen, festen, carbonierten Hydroxyapatitprodukt führt. Das Endgemisch kann anschließend geformt und ausgehärtet, ausgehärtet und dann geformt oder in den Körper eingesetzt und in situ ausgehärtet werden. Der carbonierte Hydroxyapatit des Verfahrens der Erfindung weist eine wesentlich reduzierte oder nicht-exotherme Härtung auf, was die Stabilität der eingebrachten pharmakologischen Mittel erhöht, und ist - wenn es in situ aushärtet - im Hinblick auf das Wohlbefinden des Patienten vorteilhaft. Die Zusammensetzungen dieses Verfahrens eignen sich auch als Knochenzemente und -füller, dentale oder endodontale Füller oder Beschichtungen für bioimplantierbare Substrate oder können vor oder nach dem Aushärten zu einer monolithischen Struktur in geeigneter Weise geformt werden.
Die im obigen Verfahren verwendete Calciumquelle enthält typischerweise ein Gemisch aus Tetracalciumphosphat (C&sub4;P) und Calciumcarbonat (CC), wobei C&sub4;P typischerweise in einer Menge von etwa 55 bis 75 Gew.-%, noch häufiger 60 bis 79 Gew.-%, vorhanden ist und CC typischerweise in einer Menge von etwa 1 bis 40 Gew.-%, noch häufiger 2 bis 18 Gew.-%, des Trockengewichts des gesamten Reaktionsgemisches vorhanden ist.
Die Hydrogenphosphatquelle macht etwa 15 bis 35 Gew.-%, noch häufiger 15 bis 25 Gew.-%, des Trockengewichts der Reaktionsgemisches aus.
Eine alternative Formulierung umfaßt typischerweise ein Gemisch aus Tricalciumphosphat (C&sub3;P), Calciumcarbonat (CC) und Calciumhydroxid (CH), wobei C&sub3;P typischerweise in einer Menge von etwa 50 bis 90 Gew.-%, noch häufiger 75 bis 90 Gew.-%, vorhanden ist, CC typischerweise in einer Menge von etwa 1 bis 40 Gew.-% oder mehr, noch häufiger 2 bis 18 Gew.-%, vorhanden ist und CH typischerweise in einer Menge von etwa 0 bis 40 Gew.-%, noch häufiger 2 bis 20 Gew.-%, des Trockengewichts des gesamten Reaktionsgemisches vorhanden ist.
Die Hydrogenphosphatquelle für dieses alternative Gemisch macht etwa 5 bis 35 Gew.- % oder mehr, noch häufiger 5 bis 25 Gew.-%, des Trockengewichts des Reaktionsgemischs aus.
Eine Fluoridquelle kann im allgemeinen dem Gemisch zugegeben werden und macht - falls sie vorhanden ist - von etwa 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 4 Gew.-%, des Trockengewichts aus.
Nach dem Kombinieren der Trockenbestandteile werden die Reaktanden durch Vermischen oder Mahlen in engen Kontakt gebracht. Vor dem Abschluß des Mischens/Mahlens können Proteine und/oder kleine organische Moleküle, insbesondere jene, die pharmakologische Signifikanz aufweisen (siehe oben), dem Gemisch zugegeben werden, um die physikalischen oder physiologischen Eigenschaften des Endprodukts zu ändern. Die Menge an Additiv variiert im allgemeinen von etwa 1 bis 40 Gew.-%, noch häufiger von etwa 1 bis 25 Gew.-%, der anorganischen Materialien. Es kann bevorzugt werden, das Additiv vor dem Mischen/Mahlen mit den anorganischen Materialien zu kombinieren.
Mechanisches Vermischen kann in jeder Form erfolgen, die zu einem innigen Gemisch der Reaktanden führt. Eine Vielzahl an Geräten kommt dafür in Frage, z. B. Kugelmühlen, Planetenmühlen, Zentrifugenmühlen, Mechanofusionssysteme, Luftzerstäuber, Strahlmühlen, Schwingmühlen, Kolloidmühlen, Atiritoren, Scheibenmühlen und dergleichen.
Der Mischvorgang kann durch regelmäßiges Probenziehen und Untersuchen, ob die Proben zur Bildung eines Produkts mit den gewünschten Eigenschaften nach dem Vermischen mit wäßrigem Medium und anschließender Härtung führen, überwacht werden.
Während des Vermischens oder Mahlens können die Wände des Mischbehälters regelmäßig abgekratzt werden, um ein einheitlicheres Produkt zu erhalten. Die Mahlmedien sollten während des Verfahrens stabil und inert bleiben, wie dies bei Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Wolframcarbid, Borcarbid usw. der Fall ist.
Das Produkt des obigen Verfahrens erfährt eine relativ stabile Teilreaktion und erfordert weniger Schmiermittel, um ein praktikables Gemisch bereitzustellen, sowie eine verkürzte Härtungszeit.
Alle oben erwähnten Produkte oder ihre Vorläufer können durch Gammabestrahlung oder andere geeignete Verfahren vor der Bioimplantierung sterilisiert werden.
Das folgende Beispiel dient als Veranschaulichung der Erfindung und schränkt diese nicht ein.

EXPERIMENTELLER TEIL

Beispiel 1

In einem gekühlten Mörser wurden 11,54 g Tetracalciumphosphat (TCP), 1,40 g Calciumcarbonat, 2,06 g Orthophosphorsäure und 7,5 g 0,1 M Natriumphsophat mit einem gekühlten Stößel vermischt (Vermischen der Basen: 15 Sekunden, gefolgt von 30 Sekunden des Vermischens von Säure und Basen, anschließendes dreiminütiges Naßvermischen der kombinierten Lösung, Säuren und Basen). Die fertigen Gemische waren injizierbar und frei fließend und wurden sofort in Rinderserum mit 0,1% Natriumazid eingebracht und etwa 2 Wochen lang bei 37ºC gehärtet. Am Ende des zweiwöchigen Härtens wurden die Proben mit entionisiertem Wasser abgespült, in flüssigem Stickstoff gefroren und dann über Nacht lyophilisiert. Probenaliquote wurden unter Verwendung KBr-Preßlingen und durch Kohlenstoff-Coulometrie mittels Ansäuern für die Analyse von anorganischem Gesamtkohlenstoff und durch Verbrennung für die Analyse auf Gesamtkohlenstoff durch Fouriertransformations-Infrarot-Spektroskopieanalyse (FTIR) analysiert. Die Proben wurden hinsichtlich des Carbonatgehalts in Doppelbestimmungen weiter analysiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle 1 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß die Zusammensetzungen der Erfindung reagierten, um carboniertes Hydroxyapatit mit Dahllit-Kristallstruktur zu bilden, wie dies durch den Gewichtsprozentsatz an in den resultierenden Apatiten enthaltenem Carbonat bestätigt wird. Tabelle 1
Abkürzungen:
C&sub4;P = Tetracalciumphosphat, fein (f) 3 um, grob (c) 10 um.
CC = Calciumcarbonat
oPA = Orthophosphorsäure
SP = zweibasiges Natriumphosphat, 7-Hydrat
Es ist aus obigen Ergebnissen ersichtlich, daß die vorliegende Zusammensetzung und die daraus hergestellten Produkte eine einzigartige Alternative zu herkömmlichen Hydroxyapatit-Materialien bieten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hydroxyapatit-Zusammensetzungen können die vorliegenden Dahllit-Zusammensetzungen so konstruiert werden, daß sie Carbonat in Mengen enthalten, die an jene, die man normalerweise in natürlichem Knochen vorfindet, heranreichen oder sie übersteigen. Da Carbonat direkt an den Verfahren beteiligt ist, durch die normale Knochenzellen natürliche Knochensubstanz infiltrieren, resorbieren und substituieren können, liefern die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen Produkte, die natürliche kalzifizierte Gewebe in Form und Funktion besser imitieren.
Alle in dieser Beschreibung angeführten Veröffentlichungen und Patentanmeldungen belegen die Kompetenz der Fachleute auf dem Gebiet. Alle Veröffentlichungen und Patentanmeldungen sind hierin in gleichem Ausmaß durch Verweis aufgenommen, als ob jede einzelne Veröffentlichung oder Patentanmeldung spezifisch und individuell als durch Verweis aufgenommen angeführt wäre.
Obwohl die obige Erfindung durch Veranschaulichung und ein Beispiel ausführlich beschrieben wurde, sei zum besseren Verständnis angemerkt, daß natürlich bestimmte Veränderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können.

Claims

1. Fließfähige Calciumphosphatzement-Zusammensetzung, die dazu fähig ist, zu einer polykristallinen Monolith-Struktur aus im wesentlichen reinem, carbonatsubstituiertem Hydroxyapatit (Dahllite) auszuhärten, die im wesentlichen frei von Blut und Knochenmark ist, die 2 bis 10 Gew.-% Carbonat und ein Calcium/Phosphat-Verhältnis im Bereich von 1, 33 bis 2,0 aufweist, wobei die Zusammensetzung umfaßt:

eine Phosphorsäurequelle, die frei von ungebundenem Wasser ist,

eine Calciumquelle und

Calciumcarbonat, alle als Trockenbestandteile; und, als Naßbestandteil, ein Schmiermittel, das 0,01 bis 2,0 M Phosphat oder Carbonat umfaßt und einen pH-Wert von 6 bis 11 aufweist.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin Carbonat im carbonatsubstituierten Hydroxyapatit in einer Menge zwischen etwa 2,5 und etwa 7 Gew.-% enthalten ist und die Struktur ein Calcium/Phosphat-Verhältnis von mehr als 1,5 aufweist.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin zumindest ein Teil der Hydroxylgruppen des carbonatsubstituierten Hydroxyapaptits durch Fluor ersetzt ist.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, hergestellt nach einem Verfahren, umfassend:

mechanisches Vermischen der Phosphorsäurequelle, der Calciumquelle, des Calciumcarbonats und des Schmiermittels unter reaktionseinleitenden Bedingungen, wobei das Schmiermittel in einer Menge von etwa 15 bis 50 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung vorhanden ist.

5. Zusammensetzung nach Anspruch 4, worin in der Phosphorsäurequelle, der Calciumquelle, im Calciumcarbonat oder im Schmiermittel zumindest eines aus einem biologisch verträglichen Protein, Polysaccharid oder anderem biologisch verträglichem Polymer, pharmakologisch aktivem Mittel oder kristallinen Kernen enthalten ist.

6. Zusammensetzung nach Anspruch 5, worin die Zusammensetzung ein biologisch verträgliches Polymer umfaßt, das Collagen oder Chitin ist.

7. Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Calciumquelle umfaßt:

etwa 50 bis 90 Gew.-% Tricalciumphosphat; und

etwa 0 bis 40 Gew.-% Calciumhydroxid, bezogen auf das Trocken-Gesamtgewicht von Phosphorsäurequelle, Calciumquelle und Calciumcarbonat.

8. Zusammensetzung nach Anspruch 7, worin das Calciumcarbonat, bezogen auf das Trocken-Gesamtgewicht von Phosphorsäurequelle, Calciumquelle und Calciumcarbonat, in einer Menge von etwa 1 bis 40 Gew.-% enthalten ist.

9. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, worin das Tricalciumphosphat in einer Menge von etwa 75 bis 90 Gew.-%, das Calciumcarbonat in einer Menge von etwa 2 bis 18 Gew.-% und das Calciumhydroxid in einer Menge von etwa 2 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Trocken-Gesamtgewicht von Phosphorsäurequelle, Calciumquelle und Calciumcarbonat, enthalten ist.

10. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, worin die von ungebundenem Wasser freie Phosphorsäurequelle, bezogen auf das Trocken-Gesamtgewicht von Phosphorsäurequelle, Calciumquelle und Calciumcarbonat, in einer Menge von etwa 5 bis 25 Gew.-% enthalten ist.

11. Formkörper, der aus der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer fließfähigen Calciumphosphatzement-Zusammensetzung, die dazu fähig ist, zu einer polykristallinen Monolith-Struktur aus im wesentlichen reinem, carbonatsubstituiertem Hydroxyapatit (Dahllite) auszuhärten, die im wesentlichen frei von Blut und Knochenmark ist, die 2 bis 10 Gew.-% Carbonat und ein Calcium/Phosphat-Verhältnis im Bereich von 1, 33 bis 2,0 aufweist, wobei das Verfahren das Vermischen der folgenden Komponenten umfaßt:

eine Phosphorsäurequelle, die frei von ungebundenem Wasser ist,

eine Calciumquelle und

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das flüssige Schmiermittel einen pH im Bereich von 6 bis 11 aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin das Schmiermittel Phosphat oder Carbonat umfaßt und einen pH im Bereich von 7 bis 9 aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin die Trockenbestandteile nach dem Kombinieren gemahlen werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, worin die Calciumquelle zumindest eines von Tetracalciumcarbonat und Calciumcarbonat umfaßt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 1 S. worin die Calciumquelle zumindest eines von Tricalciumphosphat und Calciumcarbonat umfaßt.