DE69812709T2

DE69812709T2 - Verfahren zur herstellung von apatitkeramik, insbesondere zur biologischen verwendung

Info

Publication number: DE69812709T2
Application number: DE69812709T
Authority: DE
Inventors: Joelle Le Turquet CARPENA; Benoît DONAZZON; Jean-Louis Lacout; Michèle FRECHE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: KR100573293B1; EP1042252B1; KR20010033495A; ES2194382T3; DE69812709D1; WO1999033766A1; US6338810B1; FR2772746B1; JP2001527020A; EP1042252A1; FR2772746A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Apatit-Keramik, die insbesondere zur Herstellung von biologisch verwendbaren Apatiten geeignet ist.
Bei den Apatiten handelt es sich um Materialien, die auf verschiedenen Gebieten von großem Interesse sind, beispielsweise in der Landwirtschaft als Düngemittel, in der Orthopädie als Biomaterialien und in der analytischen Chemie als Chromatographieträger.
Bei den Apatiten handelt es sich um Verbindungen der allgemeinen Formel: Me₁₀(XO₄)₆Y₂ (I) worin:
Me steht für ein oder mehrere Kationen,
XO₄ steht für PO₄ und/oder andere anionische Gruppen und
Y steht für ein oder mehrere Anionen, wie z. B. OH, Cl und F.
Unter diesen Apatiten ist der Phosphorcalcium-hydroxyapatit Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (II) die bekannteste Verbindung.
Die Apatite der Formel (I) können verschiedene Substitutionen aufweisen sowohl in den kationischen Stellen (Me) als auch in den anionischen Stellen (XO₄ und/oder Y₂).
Bei verschiedenen in Betracht kommenden Verwendungen kann man diese Substitutionsmöglichkeiten ausnutzen, um die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften dieser Apatite zu verbessern.
Darüber hinaus bieten die Apatite, insbesondere diejenigen der Formel (II), die Möglichkeit, nicht-stöchiometrisch zu sein, d. h. ein Calcium/Phosphor-Atomverhältnis aufzuweisen, das von demjenigen des stöchiometrischen Apatits der Formel (II) verschieden ist, das 1,677 beträgt.
In den nicht-stöchiometrischen Apatiten liegt dieses Verhältnis nämlich im allgemeinen unter 1,677. Diese Nicht-Stöchiometrie kann insbesondere erklärt werden durch das Vorhandensein von Fehlstellen (Lücken) in den kationischen/Calciumstellen und/oder durch die Anwesenheit von HPO₄ ^2–-Ionen als Ersatz für Phosphationen.
Eine allgemeinen Formel der Apatite kann die folgende sein: Ca_10–xV_x(PO₄)_6–y(HPO₄)_y(OH)_2+y–2x (III) worin
V steht für eine Fehlstelle (Lücke), und x und y für solche Zahlen stehen, dass x < 1, y < 1 und y ≤ x. Wenn x = y = 0 ist der Apatit stöchiometrisch.
Unter den Apatiten sind nicht-stöchiometrische biologische Apatite bekannt, die den mineralischen Teil von harten Geweben, Zähnen und Knochen bilden.
Die Verwendung von Apatiten auf dem biologischen, orthopädischen oder Dental-Gebiet beruht auf ihrer vollkommenen Bikompatibilität (biologischen Verträglichkeit). Diese Bikompatibilität ist der Struktur und der Zusammensetzung von Hydroxyapatit zuzuschreiben, die sehr ähnlich denjenigen des mineralischen Teils der calciumhaltigen Gewebe ist. Die meisten der Calciumorthophophosphate, darunter das Tricalciumphosphat, das Dicalciumphosphat und das Octocalciumphosphat, weisen ebenfalls ausgezeichnete Bikompatibilitätseigenschaften auf. Darüber hinaus sind Hydroxyapatite und allgemeiner Calciumorthophosphate mit Osteokonduktions-Eigenschaften bekannt.
Was ihre Löslichkeit angeht, so werden die Hydroxyapatite als schwach löslich in einem biologischen Medium angesehen, während die anderen Calciumorthophosphate besser löslich sind, wie aus der beigefügten Tabelle ersichtlich, in der die Löslichkeiten dieser verschiedenen Phosphate angegeben sind.
Die biologischen Verwendungsmöglichkeiten von Apatiten sind zahlreich. Man kann sie nämlich verwenden sowohl als Füllung (in Form eines Pulvers oder in Form von Granulaten), als auch als Abdeckung (in Form eines durch ein Projektionsplasma zerstäubten Pulvers), als auch in Form von massiven Stücken (Formkörpern), die als beständige Füllungen oder Fixierungen geeignet sind: Osteotomie-Keile, Schrauben, Käfige, Interstomatika und dgl. Für diese zuletzt genannten Verwendungen ist es erforderlich, den Apatit in Form eines massiven Stücks (Formkörpers) herzustellen.
Stand der Technik
Bisher wurde die Herstellung von massiven Stücken (Formkörpern) aus Apatit durchgeführt unter Verwendung von pulverförmigen Apatiten als Ausgangsmaterial, die bei hoher Temperatur (über 1000°C) unter Druck oder ohne Druck gesintert werden. In dem Dokument "Bioceramics", Band 10, 1997, Seiten 75 bis 78, wird das Verdichten (Pressen) von polykristallinem Hydroxyapatit durch Warmpressen bei 1165 °C unter einem Druck von 10 MPa erläutert.
Die derzeit für die Herstellung von Biomaterialien aus Hydroxyapatiten angewendeten Verfahren erfordern somit die vorherige Herstellung von Apatit-Pulver, dessen Überführung in eine bestimmte Teilchengröße und dessen Sintern bei einer hohen Temperatur unter Anwendung verschiedener Verfahren, wie z. B. durch natürliches Sintern, Sintern unter Druck und Sintern nach der Verwendung von Barbotin (Schlicker).
Diese Verfahren erlauben die Herstellung von massiven Stücken (Formkörpern), die gute mechanische Eigenschaften aufweisen, sie haben jedoch den Nachteil, dass die Durchführung von thermischen Behandlungen bei hoher Temperatur erforderlich sind, die führen zu:

– hohen Energiekosten für die Herstellung des Apatits,
– einer partiellen Umwandlung des Hydroxyapatits in Oxyapatit und
– Schwierigkeiten bei der Einführung von bei der Temperatur der thermischen

Behandlung flüchtigen oder abbaubaren Species in das Stück (den Formkörper) aus Apatit.
In dem Artikel von Yamasaki et al. "Porous Hydroxyapatite Ceramics prepared by Hydrothermal hot-Pressing" im "Journal of Materials Science Letters", Band 9, Nr. 10, Seiten 1-10 (1990), ist die Herstellung von Stücken (Formkörpern) auf hydrothermischem Wege beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Apatit-Keramiken, das den Vorteil bietet, dass es zu Stücken (Formkörpern) führt, die gute mechanische Eigenschaften aufweisen, ohne dass es erforderlich ist, eine thermische Behandlung bei hoher Temperatur durchzuführen.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zur Herstellung eines massiven Stücks (Formkörpers) aus Apatit-Keramik die folgenden Stufen:

a) die Herstellung einer homogenen Mischung von Pulvern, die mindestens zwei Calciumphosphate, ausgewählt aus Ca(H₂PO₄)₂, Ca(H₂PO₄)₂·H₂O, Ca(HPO₄), Ca(HPO₄)·2H₂O, Cag(PO₄)₂ in der α- oder β-Form und Ca₄(PO₄)₂O, in solchen Mengen umfasst, dass die Mischung der Herstellung eines Hydroxyapatits der Formel Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (II) der ein Ca/P-Atomverhältnis von 1,667 hat, oder eines nicht-stöchiometrischen Hydroxyapatits der Formel entspricht: Ca_10–xV_x(PO₄)_6–y(HPO₄)_y(OH)_2+y–2x (III) worin: V steht für eine Fehlstelle (Lücke) und x und y für solche Zahlen stehen, dass x < 1, y < 1 und y ≤ x, wobei das Ca/P-Atomverhältnis unter 1,667 liegt,
b) das Pressen (Verdichten) der in der Stufe (a) erhaltenen Pulvermischung bei Umgebungstemperatur unter einem Druck von 100 bis 500 MPa zur Herstellung eines gepressten Stückes (Formkörpers) und
c) die Durchführung einer hydrothermischen Behandlung mit dem gepressten Stück (Formkörper) in einem dichten Behälter, der ein wässriges Medium enthält, bei einer Temperatur von 100 bis 500 °C während einer Dauer von mindestens 8 Stunden.

Das vorstehend beschriebene Verfahren erlaubt somit die Herstellung eines stöchiometrischen oder nicht-stöchiometrischen Hydroxyapatits bei niedriger Temperatur, da die in der letzten Stufe angewendete Temperatur 500°C nicht übersteigt, was zahlreiche Vorteile bietet im Hinblick auf die Energiekosten und die Möglichkeit der Einführung von bei Temperaturen oberhalb 500°C flüchtigen oder instabilen Species in Hydroxyapatit. Darüber hinaus haben die erhaltenen massiven Stücke (Formkörper) gute mechanische Eigenschaften und können leicht bearbeitet werden.
Man kann außerdem das erfindungsgemäße Verfahren anwenden zur Herstellung von stöchiometrischen Apatit-Keramiken der Formel: Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂ (II) oder von nicht-stöchiometrischen Apatit-Keramiken der Formel: Ca_10–xV_x(PO₄)_6–y(HPO₄)_y(OH)_2+y–2x (III) worin
V steht für eine Fehlstelle (Lücke) und x und y für solche Zahlen stehen, dass x < 1, y < 1 und y ≤ x, in denen Ca, PO4 und/oder OH teilweise durch andere Metalle, im Falle von Ca, und/oder durch andere Anionen, im Falle von PO4 und OH, ersetzt sind.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung stellt man in der Stufe (a) eine Pulvermischung her, die außerdem mindestens eine Verbindung enthält, die ausgewählt ist unter den Salzen, Oxiden und Hydroxiden von Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Silber oder anderen Metallen und Siliciumoxid, wobei diese Mischung in der Lage ist, einen stöchiometrischen Apatit der Formel: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (II) oder einen nicht-stöchiometrischen Apatit der Formel zu bilden: Ca_10–xV_x(PO₄)_6–y(HPO₄)_y(OH)_2+y–2x (III) worin:
V steht für eine Fehlstelle (Lücke) und x und y für solche Zahlen stehen, dass x < 1, y < 1 und y ≤ x, in denen Ca, PO₄ und/oder OH jeweils teilweise durch andere Metalle und/oder andere Anionen ersetzt sind.
Zur Herstellung dieser Mischung können die verwendeten Salze ausgewählt werden unter den Phosphaten, den Silicaten, den Citraten, den Nitraten, den Carbonaten und den Halogeniden.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt es, in die Apatitstruktur Kationen oder Anionen einzuführen, die von besonderem Interesse sind für die in Betracht gezogene Anwendung.
So kann es für den Fall, dass das Verfahren angewendet wird zur Herstellung einer Apatit-Keramik für die biologische Verwendung, vorteilhaft sein, in diese Struktur Strontium einzuführen durch Herstellung einer Pulvermischung, die Strontium-Calcium-Phosphat der Formel umfasst: Ca₂Sr(PO₄)₂ oder durch Ersatz einer oder mehrerer der verwendeten Calciumphosphat-Verbindungen durch analoge Strontiumphosphatverbindungen oder durch gemischte Calcium-Strontium-Verbindungen. Man kann die folgenden Verbindungen verwenden: Sr(H₂PO₄)₂, Sr(H₂PO₄)₂·H₂O, Sr(HPO₄), Sr(HPO₄)·2H₂O, Sr₃(PO₄)₂ und Sr₄(PO₄)₂O.
Die Anwesenheit von Strontium in einer Apatit-Keramik für die biomedizinische Verwendung ist nämlich interessant (vorteilhaft), weil sie das Knochenwachstum fördert.
Für biologische Anwendungen kann man außerdem der Pulvermischung Calciumcarbonat zusetzen, um einen Carbonat-Apatit zu erhalten, der Knochen ähnelt.
Man kann der Mischung noch eine Silicium-Verbindung zusetzen, ausgewählt aus der Gruppe Siliciumoxid SiO₂, Calciummetasilicat CaSiO₃ und der Metasilicate anderer Metalle, zur Herstellung einer Silicatapatit-Keramik, d. h. eines Hydroxyapatits, in dem die PO₄-Anionen durch SiO₄-Anionen ersetzt sind. Solche Silicatapatite erlauben die Fixierung von Proteinen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Herstellung verschiedener Materialien, die für die vorgesehene Verwendung geeignet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer hydrothermischen Reaktion zwischen den verschiedenen Bestandteilen der Pulvermischung, die vorher gepresst (verdichtet) worden ist.
In der Stufe (a) dieses Verfahrens stellt man eine Pulvermischung her, die zu einem Hydroxyapatit der Formel führen kann Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ in der die Anionen und/oder Kationen gegebenenfalls durch andere Kationen und Anionen ersetzt sein können.
Die Mischung kann hergestellt werden durch Mahlen (Zerkleinern) dieser Bestandteile bis auf eine Teilchengröße von < 100 μm.
Die Bestandteile der Mischung werden ausgewählt als Funktion der Zusammensetzung, die man erhalten will.
Wenn man eine Apatit-Keramik vom Phosphorcalcium-Hydroxyapatit-Typ herstellen will, verwendet man somit eine Mischung von verschiedenen Calciumphosphat-Verbindungen, wie z. B. Monocalciumphosphat Ca(H₂PO₄)₂, hydratisiertem Monocalciumphosphat Ca(H₂PO₄)2·H₂O, wasserfreiem Bicalciumphosphat Ca(HPO₄) oder Bicalciumphopshatdihydrat Ca(HPO₄)·2H₂O, Tricalciumphosphat vom α- oder β-Typ Ca₃(PO₄)₂ und Tetracalciumphosphat Ca₄P₂O₉ in solchen Mengenverhältnissen, dass die Endzusammensetzung diejenige eines Hydroxyapatits der Formel ist: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (II)
Zweckmäßig verwendet man Mischungen, die mindestens zwei Phosphat-Verbindungen enthalten, von denen eine Verbindung basisch ist (Tetracalciumphosphat) und eine oder mehrere Verbindungen sauer sind (Dicalcium- oder Monocalciumphosphate).
In jeder Mischung kann man zwei oder mehr Bestandteile verwenden, wodurch es leicht möglich ist, die Formulierung der fertigen Apatit-Keramik zu modifizieren.
Man kann der Pulvermischung auch andere Zusätzen zugeben, um dem erhaltenen Hydroxyapatit vorteilhafte Eigenschaften für die vorgesehene Verwendung zu verleihen.
So kann es im Falle von Apatit-Keramiken für die biologische Verwendung vorteilhaft sein, der Pulvermischung mindestens ein Additiv zuzusetzen, ausgewählt unter vorher calcinierten Hydroxyapatit-Körnchen, Verstärkungsmittelteilchen, die vom biologischen Standpunkt aus betrachtet akzeptabel sind, radioaktiven Markierungsstoffen und bioaktiven Zusätzen für die orthopädische Verwendung oder im Dentalbereich, wie z. B. pharmazeutische Verbindungen, bakterizide Mittel, Antibiotika, antibakterielle Mittel und Antimitotika sowie Wachstumsfaktoren, vorausgesetzt, dass sie gegenüber einer Temperatur von mindestens 100°C beständig sind.
Für nicht-biologische Verwendungen können andere Additive verwendet werden, z. B. Additive wie Neodym in Spurenmengen und Europium II oder III in Spurenmengen, wegen ihrer Lumineszenz-Eigenschaften.
Die Hydroxyapatit-Granulate und die Verstärkungsmittel-Teilchen erlauben die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Materials. Als beispielhafte Verstärkungsmittel-Teilchen kann man Aluminiumoxid- oder Nylon-Teilchen erwähnen.
Die Zugabe von radioaktiven Markierungsstoffen kann vorteilhaft sein, um das Einsetzen eines Implantats durch Szintigraphie zu verfolgen. Beispielsweise kann dieser radioaktive Markierungsstoff ein Markierungsmittel mit Tc sein, z. B. ein Phosphat von Technetium-99m.
Man kann außerdem den Biomaterialien pharmazeutische Verbindungen zusetzen, wie z. B. Antibiotika, die gegenüber mindestens 100°C beständig sind, und bakterizide Mittel, z. B. Silber.
Für andere Anwendungen kann man Additive zugeben, wie z. B. Nylons oder Kevlar, um die mechanische Beständigkeit (Festigkeit) zu verbessern.
Nach der Herstellung der Pulvermischung, die gegebenenfalls diese Additive enthält, wird die Pulvermischung in der Stufe (b) verdichtet (gepresst). Das Pressen (Verdichten) wird durchgeführt bei Umgebungstemperatur, beispielsweise bei einer Temperatur von 15 bis 30°C, unter einem Druck von 100 bis 500 MPa, vorzugsweise von 200 MPa, beispielsweise mittels einer hydraulischen Presse, nachdem die Mischung in eine Form eingeführt worden ist.
In der darauffolgenden Stufe (c) unterwirft man das gepresste Stück (den gepressten Formkörper) einer hydrothermischen Behandlung in einem dichten Behälter in Gegenwart eines wässrigen Mediums, das auf eine Temperatur von 100 bis 500 °C gebracht worden ist, unter einem Druck, der dem Wasserdampfdruck bei der gewählten Temperatur entspricht.
Vorzugsweise beträgt der Wasserdampfdruck in dem für diese Behandlung verwendeten dichten Behälter 0,5 bis 17 MPa.
Diese Behandlung erlaubt die Herstellung einer keramisierten Form durch hydrothermische Reaktion zwischen den Bestandteilen der verdichteten (gepressten) Mischung. Man kann so Stücke (Formkörper) mit einer außergewöhnlichen Härte herstellen, die dadurch gewährleistet wird, dass sich im Innern des massiven Materials nadelförmige Apatit-Kristalle bilden, welche die Kohäsion dieses Materials verbessern.
Die hydrothermische Behandlung kann auf zweierlei Weise durchgeführt werden.
Bei einer ersten Ausführungsform der Behandlung taucht man das gepresste Stück (Formkörper) vollständig in das wässrige Medium so ein, dass es mit Wasser im flüssigen Zustand in Kontakt steht.
Bei einer zweiten Ausführungsform dieser hydrothermischen Behandlung, die vorzugsweise für gepresste Stücke (Formkörper) angewendet wird, die in einem wässrigen Medium lösliche Verbindungen enthält, wird das gepresste Stück (Formkörper) oberhalb des flüssigen Mediums so angeordnet, dass es nur mit dem in dem dichten Behälter unter dem Einfluss der Behandlungstemperatur gebildeten Wasserdampf in Kontakt kommt.
Die Temperatur der hydrothermischen Behandlung liegt in dem Bereich von 100 bis 500°C und die Dauer dieser hydrothermischen Behandlung hängt insbesondere von der angewendeten Temperatur ab, d. h. sie ist länger, wenn die Temperatur niedriger ist. Im allgemeinen beträgt die Dauer mindestens 8 h und sie kann bie zu 60 h betragen.
Vorzugsweise beträgt die Temperatur der hydrothermischen Behandlung 150 bis 250°C und ihre Dauer beträgt etwa 48 h.
Das verwendete wässrige Medium ist im allgemeinen entmineralisiertes Wasser, man kann aber auch eine wässrige Lösung verwenden, die geeignete Zusätze enthält. Man kann so als wässriges Medium eine wässrige Lösung von Natriumfluorid verwenden, um Fluorionen in die Hydroxyapatit-Struktur einzuführen, um die Löslichkeit des Hydroxyapatits zu verringern. Die Zugabe von Natriumfluorid zu dem wässrigen Medium ist besonders zweckmäßig zur Herstellung einer Apatit-Keramik für die biologische Verwendung.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst es darüber hinaus eine zusätzliche Stufe (d) zum Sintern des gepressten Stücks (Formkörpers), welcher der hydrothermischen Behandlung unterworfen worden ist.
Dieses Sintern wird bei einer Temperatur von mindestens 1000°C, beispielsweise von 1000 bis 1300°C, durchgeführt.
Man kann auf diese Weise sehr stark verdichtete Materialien erhalten, die ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit sehr vorteilhaft, weil es die Herstellung verschiedener Apatitkeramik-Zusammensetzungen als Funktion der in der Ausgangsmischung verwendeten Verbindungen erlaubt. Darüber hinaus kann man nach diesem Verfahren nicht-stöchiometrische Apatite herstellen, die insbesondere ein Ca/P-Verhältnis von < 1,667 aufweisen, indem man in der Mischung solche Mengen der Bestandteile verwendet, dass das Gesamtatomverhältnis Ca/P unter 1,667 liegt.
Die Herstellung von nicht-stöchiometrischen Apatiten ist sehr vorteilhaft, weil man eine bikompatible Verbindung mit einer höheren Löslichkeit als stöchiometrischer Hydroxyapatit erhält. Diese Eigenschaft kann sehr vorteilhaft sein für die Herstellung von Stücken (Formkörpern), die resorbiert und anschließend durch ein von dem Organismus neu gebildetes Knochengewebe ersetzt werden können.
Man kann auch einen nicht-stöchiometrischen Apatit erhalten, indem man die Dauer der Stufe der hydrothermischen Behandlung so einstellt, dass man einen Apatit erhält, der mit einem der Ausgangs-Calciumphosphate, wie Tricalciumphosphat, gemischt ist. Wenn nämlich die Dauer der Reaktion so ist, dass die Reaktion nicht vollständig abläuft, kann in dem Stück (Formkörper) Tricalciumphosphat verbleiben, das durch die hydrothermische Reaktion nicht in Hydroxyapatit umgewandelt worden ist.
Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Le sen der nachfolgenden Beispiele, die selbstverständlich die Erfindung nur erläutern, sie aber keineswegs beschränken, unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 stellt ein Röntgenbeugungsdiagramm dar, das die Struktur der in Beispiel 1 erhaltenen Apatit-Keramik erläutert.
Detaillierte Darstellung der Ausführungsformen
Beispiel 1: Herstellung von Phosphorcalcium-Hydroxyapatit
In diesem Beispiel stellt man zunächst eine Mischung von Pulvern her, die aus drei Calciumphosphaten besteht, bei denen es sich handelt um:

– hydratisiertes Monocalciumphosphat Ca(H₂PO₄)₂H₂O,
– Tricalciumphosphat Ca₃(PO₄)₂ und
– Tetracalciumphosphat Ca₄(PO₄)₂O.

Der Mengenanteil jedes Bestandteils wird aus der folgenden Reaktion errechnet:
worin die Koeffizienten a, b und c durch die folgende Beziehung miteinander verbunden sind: b = 2 – 3a, c = 1 + 2a worin 0 ≤ a ≤ 0,67; 0 ≤ b ≤ 2 und 1 ≤ c ≤ 2,33.
In diesem Beispiel verwendet man die folgenden Werte:
a = 0,225,
b = 1,325 und
c = 1,45.
Nach der Bildung einer homogenen Mischung durch Zerkleinern bis zu einer Korngröße von < 100 μm, überführt man die Pulvermischung in eine Form, dann wird diese in der Form unter Anwendung eines Druckes von 200 MPa mittels einer hydraulischen Presse gepresst (verdichtet).
Nach dem Entformen des gepressten Stückes (Formkörpers) führt man diesen in einen Autoklauen ein, der entmineralisiertes Wasser enthält, wobei er in das entmineralisierte Wasser vollständig eingetaucht wird. Nach dem Schließen des Autoklaven führt man diesen in einen beheizten Behälter ein, in dem man ihn 48 h lang auf eine Temperatur von 200°C bringt.
Man erhält so ein Stück (einen Formkörper) aus Calciumhydroxyapatit, das sehr gut kristallisiert ist.
Die 1 zeigt das Röntgenbeugungsdiagramm des erhaltenen Materials. Auf dieser Figur ist zu erkennen, dass ein wenig Tricalciumphosphat zurückbleibt. Wenn man die Aufenthaltsdauer der Mischung in dem Autoklauen erhöht, lässt man in dem wässrigen Medium dieses restliche Tricalciumphosphat in Hydroxyapatit sich umwandeln.
Eine Untersuchung mit einem Abtast-Elektronenmikroskop hat die Anwesenheit von großen nadelförmigen Calciumhydroxyapatit-Kristallen gezeigt, wodurch diese gute Kristallinität des Produkts bestätigt wird.
Die mechanische Festigkeit (Beständigkeit) dieses Materials gegen Pressen beträgt etwa 100 MPa.
Da dieses Material leicht bearbeitbar ist, ist es besonders gut geeignet für Knochenprothesen.
Beispiel 2: Herstellung von Phosphorcalcium-Hydroxyapatiten
In diesem Beispiel stellt man eine Phosphatmischung wie in Beispiel 1 her, dann unterwirft man diese einem Pressen (Verdichten) unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1.
Nach dem Entformen führt man dann das gepresste Stück (Formkörper) in einen Autoklauen ein, der entmineralisiertes Wasser enthält, man ordnet das Stück (den Formkörper) jedoch oberhalb des Wasserspiegels an, um die Reaktion in einem feuchten Wasserdampfmedium durchzuführen.
Nach dem Verschließen des Autoklauen führt man diesen in einen beheizten Behälter ein, in dem man ihn 48 h lang auf eine Temperatur von 200°C bringt.
Am Ende des Arbeitsgangs erhält man ein Material, das Eigenschaften aufweist, die analog zu denjenigen sind, die in Beispiel 1 erhalten wurden.
Beispiel 3: Herstellung einer Apatit-Keramik, die Strontium enthält
In diesem Beispiel geht man von einer Pulvermischung aus hydratisiertem Monocalciumphosphat, Tetracalciumphosphat und Strontium-Calcium-Phosphat Ca₂Sr(PO₄)₂ aus. Der Mengenanteil jedes Bestandteils wird aus der folgenden Reaktion errechnet:
mit:
a = 0,34
b = 1
c = 1,66.
Man mischt diese Bestandteile durch Mahlen, dann führt man die Pulvermischung in eine Form ein und presst sie mittels einer hydraulischen Presse unter einem Druck von 190 MPa. Anschließend führt man das erhaltene gepresste Stück (Formkörper) in einen Autoklauen ein und bedeckt ihn mit entmineralisiertem Wasser, dann verschließt man den Autoklauen und bringt ihn für eine Zeitspanne von 72 h auf eine Temperatur von 200°C, was einem Wasserdampfdruck von 1,7 MPa entspricht.
Man erhält so einen Calcium-Strontium-Hydroxyapatit, der als Biomaterial, insbesondere zur Förderung des Knochenwachstums, verwendbar ist.
Das erhaltene Material weist eine Beständigkeit gegen Kompression von mehr als 100 MPa auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da es die Herstellung von Apatit-Keramiken erlaubt, die gute mechanische Eigenschaften, insbesondere für eine biologische Verwendung, aufweisen, und da es darüber hinaus die Einführung verschiedener Additive in diese Apatit-Keramiken erlaubt, um ihnen verbesserte mechanische oder sonstige Eigenschaften zu verleihen.
Zitierte Literaturstelle
"Bioceramics", Band 10, 1997, Seiten 75 bis 78. Tabelle Löslichkeit der verschiedenen Calciumphosphate

Claims

Verfahren zur Herstellung eines massiven Stücks aus Apatitkeramik, die folgenden Schritte umfassend: a) Herstellen einer homogenen Pulvermischung, wenigstens zwei unter: Ca(H₂PO₄)₂, Ca(H₂PO₄)₂·H₂O, Ca(HPO₄), Ca(HPO₄)·2H₂O, Ca₃(PO₄)₂ von α- oder β-Varietät und Ca₄(PO₄)₂O gewählte Calciumphosphate in solchen Mengen umfassend, dass die Mischung der Gewinnung eines stöchiometrischen Nydroxyapatits der Formel Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂(II) oder eines ein Atomverhältnis Ca/P unter 1,667 besitzenden nichtstöchiometrischen Nydroxyapatits der Formel: Ca_10–xV_x(PO₄)_6–y(HPO₄)_y(OH)_2+y–2x (III) entspricht, wo V eine Lücke darstellt und x und y derart sind, dass x < 1, y < 1 und y ≤ x; b) Verdichten der im Schritt a) erhaltenen Pulvermischung bei Umgebungstemperatur unter einem Druck von 100 bis 500 MPa, um ein verdichtetes Stück zu erhalten; und c) Unterziehen des verdichteten Stücks einer hydrothermalen Behandlung in einem dichten Behälter, der ein wässriges Medium enthält, bei einer Temperatur von 100 bis 500°C während einer Dauer von wenigstens 8 Stunden.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem man im Schritt a) eine Pulvermischung herstellt, die darüber hinaus wenigstens eine unter den Salzen, Oxiden und Hydroxiden von Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Silber oder anderen Metallen gewählte Verbindung und Siliciumoxid umfasst, wobei die genannte Mischung fähig ist, einen stöchiometrischen Apatit der Formel: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ oder einen nichtstöchiometrischen Apatit der Formel: Ca_10–xV_x(PO₄)_6–y(HPO₄)_y(OH)_2+y–2x (III) wo V eine Lücke darstellt und x und y derart sind, dass x < 1, y < 1 und y ≤ x, zu bilden, in welchen Ca, PO₄ und/oder 0H jeweils zum Teil durch andere Metalle und/oder andere Anionen ersetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 2, in welchem die Salze unter den Phosphaten, den Silicaten, den Citraten, den Nitraten, den Carbonaten und den Halogeniden gewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 3 für die Herstellung eines massiven Stücks aus Apatitkeramik zum biologischen Gebrauch, in welchem die Pulvermischung Strontium-Calcium-Phosphat der Formel: Ca₂Sr(PO₄)₂ oder eine Strontiumverbindung der Formel: Sr(H₂PO₄)₂, Sr(H₂PO₄)₂·H₂O, Sr(HPO₄), Sr(HPO₄)·2H₂O, Sr₃(PO₄)₂ und Sr₄(PO₄)₂O umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 für die Herstellung eines massiven Stücks aus Apatitkeramik zum biologischen Gebrauch, in welchem die Pulvermischung Calciumcarbonat umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5 für die Herstellung eines massiven Stücks aus Apatitkeramik zum biologischen Gebrauch, in welchem die Pulvermischung eine Siliciumverbindung umfasst, die unter Siliciumoxid SiO₂, Calciummetasilicat CaSiO₃ und den Metasilicaten anderer Metalle gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner einen ergänzenden Schritt: d) der Sinterung des in Schritt c) erhaltenen verdichteten, der hydrothermalen Behandlung unterworfenen Stücks bei einer Temperatur von wenigstens 1000°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem man im Schritt a) die Pulvermischung durch Vermahlen ihrer Bestandteile herstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem man im Schritt c) das verdichtete Stücke vollständig in das wässrige Medium eintaucht.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem man in Schritt c) das verdichtete Stück über dem wässrigen Medium anordnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, in welchem der Druck von Wasserdampf in dem im Schritt c) verwendeten dichten Behälter 0,5 bis 17 MPa beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 9 bis 11, in welchem die Dauer der hydrothermalen Behandlung 8 bis 60 Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 9 bis 12, in welchem das wässrige Medium demineralisiertes Wasser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die Herstellung eines massiven Stücks aus Apatitkeramik zum biologischen Gebrauch, in welchem man der Pulvermischung wenigstens einen unter vorher calcinierten Hydroxyapatitkörnern, vom biologischen Gesichtspunkt annehmbaren Verstärkungspartikeln, radioaktiven Markern, Mitteln, die unter den pharmazeutischen Verbindungen, den bakteriziden, antibiotischen, antimitotischen und antibakteriellen Mitteln und den Wachstumsfaktoren gewählt sind, gewählten Zusatzstoff hinzufügt.
Verfahren nach Anspruch 14, in welchem der radioaktive Marken Technetium-99m-phosphat ist.
Verfahren nach Anspruch 14, in welchem das bakterizide Mittel Silber ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 für die Herstellung eines massiven Stücks aus Apatitkeramik zum biologischen Gebrauch, in welchem das in Schritt c) verwendete wässrige Medium Natriumfluorid umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die Pulvermischung darüber hinaus einen lumineszierenden Zusatzstoff und/oder einen Zusatzstoff, um die mechanische Beständigkeit zu verbessern, umfasst.