SE521938C2 - Keramiskt material, förfarande för framställning av keramiskt material och benimplantat, tandfyllnadsimplantat och biocement innefattande det keramiska materialet - Google Patents

Description

521 938 . . . n 1 .- Biocement Särskilt inom ortopedi finns det ett behov av biomaterial som kan färdiggöras för slutlig användning i en klinisk miljö, dvs. föreningar vilka kan få sin slutliga I form vid tidpunkten för ett kirurgiskt ingrepp. Efter formning bör materialet härda (harden/cure) antingen utan att vara täckt i operationssalen eller place- rat i kroppen. Det finns inget allmänt accepterat namn för denna typ av materi- al. Konceptet med bencement gäller generellt för etablerade polymerbaserade cement som ofta används för fixering av höftimplantat i höftbenet. Biocement är ett mer generellt ord. för bearbetbara bíokompatibla material, vilka härdar in- situ genom kemiska reaktioner, inklusive de keramiska material som beskrivs vidare nedan.

PMMA-bencement Det finns ett stort antal kommersiellt tillgängliga Ortopediska cement. De flesta etablerade är baserade på polymeren polymetylmetakrylat (PMMA). Denna grupp av bencement används huvudsakligen för att förankra höftledsproteser i höft- och bäckenbenen, eller för den motsvarande förankringen av knäleder. Ett stort varunamn bland PMMA-bencement är Palacos® från Merck.

PMMA-baserade material har trängt in i ortopedin, huvudsakligen beroende på lämpliga mekaniska egenskaper, en hög grad av bearbetbarhet före härdning och en praktisk härdningstid.

De mekaniska egenskaperna hos PMMA-bencement kännetecknas av en relativt hög brottseghet, en tryckhållfasthet (80-120 MPa) som är lika med eller något lägre än höftbenets (130-200 MPa), och en avsevärt lägre elasticitetsmodul än den senare; l-3 GPa för cementet jämfört med 10-15 GPa för höftbenet (se Ta- bell 1).

Emellertid har PMMA-baserade cement dålig biokompatibilitet. Man kan inte få vävnaden att växa in i dessa. Eftersom polymeriseringen inte är fullständig, tenderar materialet att läcka monomerer. En komponent med erkänt toxisk ka- raktär. Dessutom är värmeutvecklingen under härdning sådan att temperatu- ren stiger till nivåer (över 50°C) som orsakar celldöd i intilliggande vävnader. 521 938 - - » Q nu < . . ~ - .o Ytterligare en nackdel med PMMA-baserade cement är krympningen som äger rum under härdning (cirka 2-5%). Detta försämrar den mekaniska förankringen i det intilliggande benet och följaktligen möjligheten att tidigt belasta frakturen.

Ortopediska cement bör företrädesvis expandera lätt under härdning, såsom kommer att diskuteras vidare nedan.

Bencement av PMMA beskrivs i Biomaterials - An Introduction, 2:a utgåvan, av J.B. Park och R. S. Lakes, Plenum Press, 1992, kapitel 7.

Keramiska biocement Förutom de polymerbaserade bencementen finns det ett antal kemiska härdan- de cement baserade på keramiska komponenter. Keramiska biocement för orto- pediska applikationer är ofta baserade på kalciumfosfat, kalciumkarbonat eller kalciumsulfat. Exempel på keramiska biocernentprodukter är: Norian SRSÉ, Os- teosetï, Proosteon® och Biobon®.

Generellt är keramiska cement mycket mer biokompatibla än de av PMMA.

Emellertid lider de av otillräcklig mekanisk hållfasthet. Tillverkarna av Norianfi and Biobon® tillhandahåller tryckhållfasthetsvärden kring 30 respektive 40 I MPa, se t.ex. Tabell l, vilket är mycket lägre värden än för naturligt ben.

Norian SRS beskrivs i “Norian SRS versus external fixation in redisplaced distal radial fractures - A randomized study in 40 patients”, av P. Kopylov, K. Runn- qvist, K. Jonsson och P. Aspenberg, Acta Orthop Scand, 1999; 70 (1) 1-5.

Information om Biobon ges i “Resorbable calcium phosphate bone substitute", av Knaack D, Goad M E P, Aiolova M, Rey Ch, Tofighi A, Chakravarthy P, Lee D D, J Biomed Mater Res (Applied Biomater) 1998; 43: 399-409.

Andra biomaterial Det finns även många andra biomaterial. Inom gruppen av biokompatibla metal- ler är titan mycket etablerad. Den rena metallen, legeringar såväl som keramis- 521 938 - a - . .u n. va... u u u 4 ka material innehållande titan används frekvent för Ortopediska, dentala och kardiovaskulära implantat. Titan är ett biomaterial som beskrivs i Biomaterials - An Introduction, 2:a utgåvan, av JB. Park and R. S. Lakes, Plenum Press, 1992, kapitel 5.

Vad beträffar keramiska material, har speciell uppmärksamhet riktats mot olika typer av hydroxiapatiter (eller kalciumfosfater), mot vilka benvävnad regenererar utmärkt. Hydroxiapatiter förekommer också naturligt i benvävnad. Mineraldelen (ben innehåller cirka 68-70% mineraler) består huvudsakligen av kalciumfosfat- substanser, t.ex. hydroxiapatit, Ca10(PO4)6(OH)2. Fästning av ben till hydroxia- patit beskrivs i B. Sandén, C. Olerud, S. Larsson, “Hydroxyapatite coating en- hances fixation of loaded pedicle screws: a mechanical in vivo study in sheep", Eur Spine J (2001) 10: 334-339).

Hydroxiapatit och andra kalciumfosfater har alltför dåliga mekaniska egenska- per för dentala och Ortopediska applikationer när de används ensamma (se WO90/1 1979).

Ett annat mindre spritt biomaterial är kalciumaluminat, en central komponent i föreliggande uppfinning. Kalciumaluminat för medicinska applikationer beskrivs t.ex. i S.F. Hulbert, F. A. Young, R. S. Mathews, J. J. Klawitter, C. D. Talbert och F. H. Stelling, “Potential of Ceramic Materials as Permanently Implantable Skeleton Prostheses”, J. Biomed. Mater.res, vol. 4, sidorna 433-456 (1970).

Kalciumaluminat har utforskats såsom tandfyllnadsmaterial, t.ex. produkten Doxadent® framställt av Doxa Certex AB, se t.ex. PCT/ SE99 / 01729, “Sätt att framställa en kemiskt bunden keramisk produkt, samt produkt", 29-09-1999; och PCT/SE99/0l803, “Dimension stable binding agent systems", 08- 10-1999.

SE-463 493 visar ett kemiskt bundet keramiskt material innefattande ett första bindningsmedel valt från gruppen innefattande aluminater, silikater och fosfa- ter. Materialet ästadkoms genom en specificerad framställningsteknik innefat- tande förkomprimering av den keramiska kroppen. Det keramiska materialet kan dessutom innefatta en inert fas av hydroxiapatit eller oxider av titan, zirko- 521 938 nium, zink och aluminium. Skälen till att använda dessa additiv är hållfasthet och biokompatibilitet.

Alltigenom denna ansökan används benämningen biokompatibilitet ett antal gånger och inbegriper vissa egenskaper hos materialet eller ytan i fråga. Det bör noteras att biokompatibilitet används såsom en generisk benämning för olika egenskaper som erfordras eller är önskvärda för material som skall vara i kon- takt med biologisk vävnad.

Kortfattad beskrivning av uppfinningen I ljuset av de nackdelar som är förenade med den kända teknikens material, finns det ett behov av ett biokompatibelt biocement vilket utvecklar lämpliga hällfasthetsegenskaper inom en kort tidsperiod, har god bearbetbarhet, är form- stabil, har låg värmegenerering under härdning, är vänlig mot intilliggande vävnader och som inte läcker toxiska substanser.

Användningen av uppfinningsmaterialet är huvudsakligen för att tillverka im- plantat, i synnerhet för de Ortopediska och dentala områdena.

Föreliggande uppfinning åstadkommer detta med materialet som definieras i krav 1 och tillverkningsförfarandet definierat i krav 10. Föredragna utförings- former definieras i de beroende kraven.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Föreliggande uppfinning kommer nu att förstås bättre utifrån den detaljerade beskrivningen som ges häri, i vilken det refereras till de bifogade ritningarna, i vilka, Fig. 1 visar en graf av temperaturutvecklingen såsom en funktion av härdnings- tiden för kalciumaluminat (CA) med 0,30 eller 50 vikt-% kalciumtitanat (CT).

Materialet utan CT är för referensändamål, de andra representerar material en- ligt uppfinningen. Härdningen utförs i luft eller i vatten. Förhållandet mellan vatten och cement (v/ c) är 0,5 för alla material. lO 521 938 6 Fig. 2 visar ett röntgendiffraktogram som beskriver utvecklingen av olika faser av materialet enligt föreliggande uppfinning. Den övre kurvan är från ett kalci- umaluminatprov och den nedre kurvan är från ett prov tillverkat av ett kalciu- maluminat med 50 vikt-% kalciumtitanat efter 4 veckors härdning vid rums- temperatur. Förhållandet mellan vatten och cement (v/ c) är 0,5 för båda mate- rialen.

Detaljerad beskrivning av utfóringsformerna Föreliggande uppfinning avser ett kemiskt bundet keramiskt material, vilket i synnerhet är utformat för ortopediska implantatapplikationer. Det lämpar sig även för dentala applikationer. Materialet enligt uppfinningen har de egenskaper som erfordras av ett biocement, och är lämpligt för användning såsom fraktur- stödmaterial, som benförstärkning hos patienter som lider av benskörhet, och för att fästa (förankra) implantat i skelettet. För att passa dessa typer av appli- kationer, uppfyller materialet den kravprofil som ges nedan.

Kravprofil för ett ortopediskt biocement Mekanisk hállfasthet Den mekaniska hållfastheten hos ett biocement bör tillåta normal belastning av området påverkat av implanteringen. För Ortopediska applikationer bör håll- fastheten inte avvika kraftigt från den hos naturligt ben. Överdriven styvhet hos implantat kan koncentrera påkänningar till implantatets intilliggande områden.

Hållfastheten hos naturligt ben varierar avsevärt med typen av ben, dess sam- mansättning och ålder. Tryckhållfastheten hos det yttre (kortikala) benet hos ett lårben (femur) är typiskt kring 150 MPa, medan det svampigare innerbenet kan uppvisa en tryckhållfasthet under 10 MPa. I Tabell 1 ges typiska värden för me- kaniska egenskaper hos ett helt lårben från människa. Data inkluderas också för PMMA-baserade bencement, det keramiska bencernentet Norian SRS och hydratiserat kalciumaluminat, CAH, basmaterialet enligt föreliggande uppfin- ning.

Tabell 1: Mekaniska egenskaper hos höftbenfrán människa och vissa ortopedis- 521 938 . . . - - .- 7 ka material: PMMA-baserat bencement, produkten Norian SRS och hydratiserat kalcíumaluminat (CAH).

Egenskap Lårben PMMA Norian CAH (femur) (bencement) SRS Densitet, g/cmß 1.6-1.7 1.1-1.2 2.0-2.5 2.2-2.5 Youngs modul, GPa 10-15 1-3 20-30 10-20 Draghållfasthet, MPa 90-130 30-70 5-7 10-20 Tryckhållfasthet, MPa 130-200 80-120 20-30 100-250 Brottöjning, % 1-3 0.1-0.3 0.1-1 0.5-1 Seghet, MPa-m1/2 1-2 1-3 0.06-0.14 0.5-2 Hårdhet (Vickers) 50-100 50-100 10-20 50-100 För ett ortopediskt implantatmaterial bör den mekaniska hållfastheten utveck- las relativt snabbt, inom ett par timmar, för att möjliggöra tidig belastning av implantatet. Snabb utveckling av hållfastheten och tidig fixering av implantatet är av mycket stor vikt för att möjliggöra tidig belastning av det behandlade om- rådet. Detta påskyndar låkningsprocessen och förkortar konvalescenstiden.

Bearbetbarhet Speciella krav ställs på bearbetbarheten hos ett biocement. Före hårdning bör det vara möjligt att forma materialet för att anpassa det till en hålighet av god- tycklíg geometri. Det bör vara möjligt att positionera materialet genom injice- ring, med minimalt kirurgiskt ingrepp. Den höga graden av bearbetbarhet bör vara cirka 10 till 30 minuter, varefter materialet bör hårda.

Dimensionsstabilitet Dimensionsstabilitet, dvs. graden av expansion eller krympning som förekom- mer under hårdning, år avgörande för ett biocement. Formföråndringar uppstår från kemisk omvandling under härdningsprocessen. För Ortopediska applikatio- ner år en lätt expansion under hårdning mest fördelaktigt. 521 938 ~ . . - | .- 8 En expansion förbättrar förankringen av cementet i den trabekulära (cell) struk- turen hos det intilliggande benet, och möjliggör därigenom högre och tidigare belastning av implantatet. En expansion driver även ackumulerade kropps- vätskor ut från zonen mellan implantatet och det naturliga benet, vilket sålunda befrämjar etableringen av en direkt mekanisk kontakt mellan implantatet och benvävnaden. Det är mycket ofördelaktigt om cementmaterialet krymper under eller efter härdníng.

Emellertid, för att undvika risken att sprickor bildas såsom ett resultat av inre spänningar, finns det även en övre gräns för graden av expansion som är god- tagbar. För en keram, bör expansionen inte överskrida 1%, vilket motsvarar brottspänningen hos materialet. Därför är en expansion av 0,5 till 8% optimal för ett keramiskt biocement. När det används som tandfyllnadsmaterial är emel- lertid en expansion under O,3% erfordrad för att undvika att tanden spricker.

Dessa expansionsegenskaper hos ett tandfyllnadsmaterial beskrivs i PCT/ SE99/01803, “Dimension stable binding agent systems", 08-11 -1999.

Detta patent beskriver även hur expansionen av ett kalciumaluminatbaserat bindningssystem kontrolleras med en liten mängd additiv. Dessa additiv kan även användas för att kontrollera expansionen hos materialet enligt föreliggande uppfinning.

T emperatu rökning För att undvika negativa effekter av den värme som produceras under härd- ningen av ett biocement på intilliggande vävnader, bör temperaturen hållas un- der cirka 40°C. Vävnadsdöd, nekros, kan äga rum vid temperaturer från cirka 50°C. Sålunda bör ett biocement som härdar genom en exoterm reaktion gene- rera lite värme, sprida värmen över tiden, och avleda värmen från implantatet till de omgivande vävnaderna så effektivt som möjligt.

Biokompatibilitet Biokompatibiliteten är av fundamental betydelse för alla implantatmaterial. För Ortopediska applikationer bör den naturliga regenereringen av ben kunna fort- 521 938 . . . ~ > n 9 sätta intill implantatytan. Ett biocement bör vara kemiskt stabilt i våvnadsom- givningar och innehålla biologiskt godtagbara substanser. Läckage av toxiska substanser och aktivering av allergiska reaktioner bör undvikas. Vissa material, t.ex. titan och hydroxíapatiter, anses som särskilt biokompatibla och är väleta- blerade inom områdena ortopedi och odontologi. Hydroxiapatiter uppvisar sär- skilt goda egenskaper i kontakt med ben.

De biokompatibla egenskaperna hos hydroxiapatiter och kalciumaluminater beskrivs i A. Ravaglioli, A. Krajeski, Bioceramics, Chapman är. Hall 1992, kapitel 6.

Kalciumaluminater Bassubstansen hos uppñnningens material är en keram och består huvudsakli- gen av faser av det binåra oxidsystemet CaO-AlgOg, så kallade kalciumalumina- ter. Ett antal stökiometrier existerar för detta system. Kommersiellt tillgängliga pulver består huvudsakligen av CA eller CAQ, där C står för CaO och A för AlgOg, enligt beteckningar godtagbara inom cementkemin. C12A7 och CAÖ och C3A är faser som även har beskrivits tidigare i litteraturen. Alla faser år applicerbara på föreliggande uppfinning.

Kalciumaluminater är kommersiellt tillgängliga såsom pulver med relativt god renhet, t.ex. såsom Secar eller Ternal White från LaFarge Aluminates. Dessa produkter består huvudsakligen av faserna CA eller CAg.

Om ett pulver av kalciumaluminat blandas med en vattenbaserad lösning, star- tar en härdningsprocess. Den sker på grund av en kemisk reaktion mellan kal- ciumaluminatkornen och vattnet, en så kallad hydratisering. Under härdningen bildas nya bindningsfaser, bestående av kalciumaluminathydrater. Dessa hyd- rater utvecklas genom utfällning av hydratkristaller från vätskefasen.

De initialt bildade hydraterna omvandlas, i flera steg, till stabilare hydratfaser, efter de kemiska reaktioner som tillhandahålls nedan. Hastigheten med vilken omvandlingen av hydraterna äger rum, beror på temperaturen och additiven.

Vid rumstemperatur är den initiala hydratfasen CaO-AlgOg- lOHgO, typiskt för- 521 938 u ø - - .v kortad såsom CAHm (C = CaO, A1 = A120; H = H20). I denna fas binder en enhet CaO och en enhet AlgOg 10 enheter vatten. Såsom kommer att ses nedan, är den mest stabila fasen CgAHß, vilken innehåller mindre vatten än CAl-Iio.

De följande reaktionerna för hydratiseringen har identifierats: CA + lOH -> CAHm 2CA + 11H -> CQAHS + AH: SCA + 12 H e) C3AH6 + 2 AH3 2CAH10 -> CgAHg + AH3 + 9H SCQAHB -> 2C3AH6 + AHg + 9H Alla reaktionsstegen är exoterma och värme utvecklas. Fritt vatten, H20, bildas i vissa av reaktionerna. Vattnet kan delta i hydratiseringen av andra, icke ännu hydratiserade, kalciumaluminatkristaller. Dessutom bildas fasen AH3 (Al(OH)3), ett aluminiumhydrat, under omvandlingen av hydraterna. Denna är den ke- miskt minst stabila vattenbindande fasen.

Bindningsfassystemen baserade på hydratiserat kalciumaluminat har unika egenskaper. I jämförelse med andra vattenbindande system, t.ex. silikater, kar- bonater och sulfater av kalcium, kännetecknas aluminaterna av hög kemisk beständighet, hög hållfasthet och relativt snabb härdning. Tack vare dessa egenskaper används CA-cement såsom konstruktionsmaterial i särskilt hårda omgivningar som innefattar förhöjda temperaturer och korrosion.

Den höga hållfastheten hos kalciumaluminatcement beror på den höga absorp- tionskapaciteten hos hydratiserat vatten, vilken i sig resulterar i ett lågt residu- alvatteninnehåll och låg porositet. Den höga komprimeringsgraden ökar även beständígheten mot korrosion.

Kalciurnaluminatcement beskrivs i “LEA's Chemistry of Cement and Concrete”, 4:e utgåvan, Ed. av P.C. Hewlett (1998), kapitel 13. k) 'Ju 521 938 ~ v u | u» . . » - s 1. ll Bland hydratiserande bindningssystem har kalciumaluminat sålunda väsentliga fördelar såsom implantatmaterial. Materialet härdar genom reaktion med vat- ten, vilket innebär att härdningsprocessen inte störs av vattenbaserade kropps- vätskor. Före hårdning har materialet god bearbetbarhet; det kan användas både som uppslamning eller pasta. I det härdade tillståndet har materialet en unik kombination av kemisk inerthet och mekanisk hållfasthet jämfört med andra hydratiserande föreningar. l uppfinningen används kalciumaluminat såsom en bindningsfas i en komposi- tion, vilken, genom tillsats av utvalda icke-hydratiserande inerta faser, har op- timerats med avseende på egenskaper som erfordras för ett ortopediskt bioce- ment, såsom beskrivs ovan.

Av särskilt intresse för biomaterial innehållande kalciumaluminat, är möjlighe- ten att minska aluminiuminnehållet och riskerna för aluminiumläckage. Även om man bara har funnit negativa effekter hos aluminium på vävnader för myck- et höga koncentrationer av aluminiumjoner, är det fortfarande önskvärt att er- sätta aluminium med väletablerade och biovänliga metaller, såsom titan. De biologiska effekterna hos aluminium beskrivs i A. Ravaglioli, A. Krajeski, Bioce- ramics, Chapman 8:, Hall 1992, sid. 154.

Risken med aluminiumläckage, vilken huvudsakligen ska relateras till stadierna före härdningsreaktionerna är fullständiga, är låg och kan minskas ytterligare på två sätt. Ett är att minska den totala mängden aluminium i materialet, och den andra är att undertrycka bildningen av AHg-fasen, vilken är den kemiskt minst stabila fasen under hydratiseringen av kalciumaluminat.

Materialkompositioner enligt uppfinninggn I föreliggande uppfinning eftersöks kompositioner som tillhandahåller egenska- per som är önskvärda för ett ortopediskt biocement. Av särskilt intresse är för- bättrade mekaniska egenskaper, kontrollerad temperaturgenerering under härdning, kontrollerad expansion, ökad biokompatibilitet och minskat alumini- uminnehàll. 521 938 u u v 1 ao v - . . 4 | .- 12 Experiment visar att föreningen kalciumtitanat (CT) fungerar förvånansvärt väl såsom ett additiv till CA i mängder upp till 50 vikt-°/o. Såsom illustreras i ex- emplen nedan, ger tillsats av CT till CA materialet bättre hàllfasthet och hård- het.

Experimenten visar även att med tillsats av CT, undertrycks både övergången av hydraterna till den stabila CgAHó-fasen, såväl som bildningen av AHg-fasen, jämfört med ett referensprov av ren CA. Detta minskar risken för aluminium- läckage och är fördelaktigt för de mekaniska egenskaperna.

På grund av de relativt höga mängderna av inert fas, dämpas temperaturgenere- ringen under härdning. Dessutom ersätts aluminium av titan i strukturen.

Dessutom påverkar kalciumtitanat inte expansionsegenskaperna hos basmate- rialet. Därför kan expansionen kontrolleras med användning av samma additiv som beskrivs i PCT/ SE99 / 01803, “Dimension stable binding agent systems", 08-1 1- 1999.

Kalciumtitanat (CT) är en naturligt förekommande mineraloxidförening med stökiometrin CaO-TiOz (CaTiOg), och en perovskitisk kristallstruktur. Kalciumti- tanat delar perovskitstrukturen med flera andra ternära metalloxider av typen ABO3. Här är O syre och A och B är positiva metalljoner. Strukturen är kubisk med A centralt placerad i enhetscellen, omgiven av 12 O-atomer och 12 B- atomer placerade i cellens hörn.

Atomen A kan vara någon av metallerna Mg, Ca, Sr eller Ba, alla från grupp 2 i det periodiska systemet. Atomen B, som är Ti, Zr eller Hf, finner man i grupp 4.

Alla av dessa perovskitiska ternära oxider har liknande fysikaliska egenskaper och är relevanta för uppfinningen såväl som kombinationer därav.

Ett av skälen till att ersätta kalciumtitanat med föreningar av tyngre element än Ca och Ti, är att öka materialets ogenomskinlighet för röntgenstrålning, vilket gör implantaten mer synliga under den typ av röntgenundersökning som fre- kvent används på sjukhusen. l0 521 938 13 Experiment visar även att inerta faser av upp till 50 vikt-% av det binära oxid- systemet hydroxiapatit Ca10(PO4)6-(OH)2, kan sättas till CA med bibehållna, eller till och med förbättrade mekaniska egenskaper. Detta är av särskild betydelse för uppfinningen eftersom hydroxiapatiter är erkända biokeramer, i synnerhet vid kontakt med ben.

Material innehållande hydroxiapatit är kända. Ett sintrat keramiskt material med hydroxiapatit beskrivs i patentet WO 90/ 11979, “Composite Cerarnic Mate- rial and Method to Manufacture the Material”. Möjligheten att tillsätta hydroxi- apatit till en hydratiserande bindningsfas (vilken skulle kunna vara t.ex. kalci- umaluminat) beskrivs i patentet SE-463 493, “Sätt vid framställning av en ke- miskt bunden keramisk produkt samt enligt sättet framställd produkt”.

Framställning Materialet enligt uppfinningen framställs med ett förfarande enligt de följande stegen som beskrivs nedan.

Startpunkten är ett bindníngsfassystem baserat på kalciumaluminater i pulver- form. Pulvret kan bestå av de mer frekventa faserna CA eller CAg, men även fa- serna C12Av, CA6 eller 03A kan användas. Pulvren mals till en önskad granulat- storlek, t.ex. med en kulkvarn. Granulatstorlekar under 10 pm har befunnits vara funktionella, men även större korn kan utforskas.

Föroreningar som kan påverka härdningen eller de mekaniska egenskaperna hos materialet måste avlägsnas. Organiska föroreningar kan avlägsnas genom upphettning av pulvret i luft eller i en ugn vid temperaturer kring 300 - 400°C.

Till kalciumaluminatpulvret sätts kemiska komponenter av inert fas, såsom finmalda pulver. Experímenten visar att mängder upp till 50 vikt-% keram kan användas. Lämpliga kornstorlekar är under 10 um även för pulvren av inert fas.

Binära oxidfaser enligt den ovan beskrivna perovskittypen är specifika för upp- finningen, i synnerhet de av kalciumtitanater, men även oxider av den generella typen ABO3, där O är syre, A är Mg, Ca, Sr eller Ba, och B är Ti, Zr eller Hf. 521 938 a o u u u: I. v u : u v .n 14 Ett biocement såsom ovan beskrivet kan även utgöra basen för en komposit in- nehållande hydroxiapatit. I en sådan komposit fungerar biocementet såsom en matris som håller hydroxiapatiten. För att tillverka en sådan komposit, kan pul- ver av hydroxiapatit (eller kalciumfosfater) i mängder upp till 50 vikt-% sättas till det keramiska materialet.

Dessutom kan, dimensionskontrollerande faser, primärt kalciumsilíkater och fumed silica (mycket finkornig kiseldioxid) tillsättas. Funktionen hos sådana additiv är att kontrollera expansionen som förekommer under härdning, lämpli- gen så att expansionen är 0,5 till 8% för Ortopediska applikationer eller 0,3% för dentala fyllningsapplikationer. Expansionskontrollerande additiv beskrivs i pa- tentansökningen PCT/ SE99/ O 1803, “Dimension stable binding agent systems”. l-lärdning åstadkoms genom att tillsätta en vattenlösning med lämpliga additiv (inte specifika för föreliggande uppfinning). Härdningshastigheten kontrolleras genom tillsats av olika salter, primärt litiumklorid, LiCl, såsom beskrivs i I. Od- ler, “Special lnorganic Cements", (2000) 173-204.

Andra additiv kan användas för att kontrollera viskositeten eller bearbetbarhe- ten. Mest föredragna är organiska polymerer som tillhandahåller dispersionsef- fekter. Dessa kan t.ex. vara olika polykarboxylsyror eller polyakrylsyror.

Vattenlösningen tillsätts och blandas väl med pulvret i sådana mängder att för- hållandet mellan mängden vatten och mängden hydratiserande fas (vatten till cement-förhållandet, v/ c-förhållandet) kontrolleras. Lämpliga v/c-förhållanden är 0,2 till 0,4. Efter formning lämnas blandningen av pulver och vätska att här- da.

Fördelar med materialet enligt uppfinningen Man har visat att tillsatser av kalciumtitanat (CT) till kalciumaluminat (CA) re- sulterar i material som har de följande egenskaperna såsom ett biocement för Ortopediska applikationer: 521 938 a . - ~ .n Genom tillsats av CT, ersätts en väsentlig del av aluminiumet i keramen av ti- tan. På detta sätt minskas risken för aluminiumläckage; delvis eftersom mäng- den aluminium som är närvarande minskas, och delvis därför att CT, under ett initialt stadium, minskar utsträckningen av bildning av AHg-fasen. Titan är även erkänt för sin biokompatibilitet.

Experimenten visade överraskande att CT kan sättas till CA i mängder upp till 50% utan att minska de mekaniska egenskaperna hos det härdade materialet.

Experimenten visade i själva verket att materialen med CT hade bättre hållfast- het än de utan CT.

Tillsatsen av CT kan även användas utan att påverka expansionsegenskaperna hos CA. Experimenten visar att blandningar av CA och CT med upp till 50 vikt- % CT i CA har väsentligen samma expansion som ren CA. Expansionen kan kontrolleras till önskade värden om 0,3 till 0,8 med additiv, såsom beskrivs OVan.

Materialet enligt uppñnningen kan även implementeras såsom skikt eller be- läggningar på substrat av andra material, t.ex. metaller, polymerer eller andra keramer. Beläggningar baserade på CA beskrivs i vår pågående svenska patentansökan SE-OlXXX XXX.

EXEMPEL Experimentella exempel kommer nu att illustrera förfarandet för att producera materialet enligt föreliggande uppfinning och egenskaperna hos detta material.

Exempel 1 Detta exempel beskriver förfarandet för att producera keramiska material bestå- ende av hydratiserat kalciumaluminat med olika mängder kalciumtitanat, och de mekaniska egenskaperna hos dessa material.

Som råmaterial valdes den kommersiella produkten Ternal Whiteï från Laíarge Aluminates, detta är ett kalciumaluminat med ett Al2O3/ CaO-förhållande om 521 958 o u . q u « - - . a .- 16 cirka 70/30. Emellertid skulle godtyckligt annat liknande kalciumaluminatpul- ver leda till liknande resultat.

Kornstorleken hos detta pulver minskades genom malning i kulkvarn. Malning- en minskade 90% av kornen till en storlek mindre än 10 pm.

Malningen utfördes med en roterande, cylindrisk plastbehållare vilken till en tredjedel av dess volym var fylld med pulver, och till cirka en tredjedel av dess volym med malningskulor av inert kiselnitrid med en diameter om cirka 10 mm.

Malningsvätskan var isopropanol. Den totala malningstiden var 3 dagar.

Efter malningen avlägsnades malningskropparna genom siktning och alkoholen avdunstades. Därefter brändes det malda pulvret vid 400°C under 4 timmar, för att avlägsna eventuellt residualvatten och kvarvarande organisk förorening. Ti- tanatpulver från Aldrich Chemical Company (renhet 99%), med en liknande eller mindre storlek på kornen än kalciumaluminatet, sattes till pulvret. Kalciumti- tanatpulver sattes i andelarna 30, 40 och 50 vikt-°/-.» till det malda Ternal Whiteï-pulvret.

Pulverblandningen och den vattenbaserade lösningen tillverkad av avjonat vat- ten blandades i sådan proportioner att förhållandet mellan mängden vatten och mängden malt Ternal White®-pulver (v/ c-förhållandet) hölls konstant vid 0.25, 0.30 eller 0.50, med avseende på pulvervikten.

Innan vattnet och pulvret blandades, sattes vissa medel till vattnet. För att ac- celerera härdningsprocessen tillsattes 0,1 vikt-% av acceleratorn LiCl. En ökad flytbarhet hos uppslamningen åstadkoms genom tillsats av 1 vikt-% av ett me- del som minskar mängden vatten som erfordras för att bevara en hög flytbarhet (hänvisas till nedan såsom ett vattenreducerande medel). Det vattenreduceran- de medlet valdes från en grupp av mycket effektiva vattenreducerande medel kallade supermjukgörare, t.ex. den kommersiella produkten Conpac 30® från Perstorp AB, men godtyckligt annat medel skulle även fungera. Effekten av des- sa additiv (acceleratorer och vattenminskande medel) är kända inom området. l5 » - | . u 521 938 - - . . | .. 17 Blandningarna av pulver och vätska lämnades för att härda i plastbehållare i en fuktig miljö, dvs. mättad med vatten, vid 37°C. Varje behållare innehöll cirka 10 g material.

Effekterna av härdningstid och sammansättning på hårdheten och hållfastheten presenteras i Tabell 2. Såsom kan ses, ästadkoms positiva effekter på hårdheten och hàllfastheten genom tillsats av CT. De mekaniska egenskaperna ökar under de första fyra veckorna. Denna initiala ökning av hårdheten/hållfastheten är ett känt fenomen.

Tabell 2. Mekaniska egenskaper hos några kalciumaluminat- och kalciurntitanat (CA och CT) kompositioner, härdade i mättad fuktighet vid 37 °C.

Materialkompositioner Hårdhet, HV Härdhet, HV Bindningshållfasthet, och härdningstider v/c = 0.50 v/c = 0.25 MPa v/c = 0.30 CA, 24 timmar 35-45 60-70 6-8 CA+30% CT, 24 tim. 40-50 65-75 6-10 CA + 50 % CT, 24 tim. 45-55 70-75 8-10 CA, 4 veckor 50-60 90-1 10 14-18 CA+30% CT, 4 veckor 55-65 100-110 16-20 CA+50 % CT, 4 veckor 60-70 105-115 16-20 Exempel 2 Detta exempel beskriver material av hydratiserat CA med olika mängder kalci- umfosfat, och deras mekaniska egenskaper.

CA-pulver av typen Ternal White från Lafarge Aluminates framställdes enligt samma procedur som i Exempel 1.

Till detta pulver sattes ett kalciumfosfatpulver (Ca5(PO4)3OI-l) från företaget Carl Roth GmbH+Co Karlsruhe, med en liknande kornstorlek som CA, i proportio- nerna 10, 20 och 50 vikt-%. Ett liknande framställt CA utan fosfatadditiv an- e | ~ ~ .- s21 938 n . . - » .- 18 vändes såsom referens. Samma medel som i Exempel 1 sattes till vattnet. V/ c- förhållandet justerades till 0,4, med avseende på pulvervikten.

Såsom i Exempel 1, härdade blandningarna av pulver och vatten i behållare in- nehållande cirka 10 g material, i en miljö mättad med vatten vid 37°C.

Hårdhetsresultaten visas i Tabell 3. Såsom kan ses, åstadkoms en positiv effekt på hårdheten hos kalciumfosfatadditivet efter två veckors härdning. Tillsatser av kalciumfosfat ökade hårdheten.

Tabell 3. Vickers-hárdhet för vissa kalciumaluminat- och kalciumfosfat (CA och CP) -kompositioner härdade i en mättad fuktighet vid 37°C.

Materialkompositioner och Hårdhet, HV härdningstider v/c = 0.40 CA, 24 timmar 30-40 cA+1o% CP, 24 timmar 35-40 CA + 20 % CP, 24 timmar 35-40 CA + 50 % CP, 24 timmar 35-40 CA, 2 veckor 55-65 CA+ 10% CP, 2 veckor 75-85 CA+20 % CP, 2 veckor 90- 100 CA+50 % CP, 2 veckor 90-100 Exempel 3 Detta exempel har som syfte att illustrera att en tillsats av kalciumtitanat, CT, kan användas för att minska temperaturgenereringen under härdning av CA. CA-pulver av typen Ternal White från Lafarge Aluminates framställdes enligt samma procedur som i Exempel l. Pulverblandningarna med 30 vikt-% och 50 vikt-°/o titanat fram- ställdes också.

Pulverblandningarna blandades med avjonat vatten, under det att förhållandet mel- lan vattnets och CA-pulvrets vikt hölls konstant vid 0,5. lO v ~ u - .- _s21 938 « - . . . .o 19 För alla pulverblandningar sattes en accelerator i form av litiumsaltet, LiCl, till det avjonade vattnet. Detta ökade härdningstiden till cirka 10 minuter. För att illustre- ra effekten av det omgivande mediet, utfördes härdningen i luft och i vatten.

Blandningarna av vatten och pulver härdades i plastbehållare, var och en inne- hållande cirka 10 g av blandningarna. Under härdning av keramerna, uppmättes temperaturen i centrum av de keramiska kropparna med ett termokors. Utveckling- en av temperaturen över tiden för CA med O, 30 eller 50 vikt-% CT presenteras i Fig. 1. Härdningstiden räknas från starten av den snabba temperaturökningen till den tidpunkt när temperaturen når sitt toppvärde.

Såsom kan ses i Fig. l, faller temperaturen under 40°C för föreningar med 50 vikt- % CT som är härdade i fuktig miljö, när härdningstiden är i storleksordningen lO minuter.

Exempel 4 Detta exempel syftar till att beskriva effekten av genereringen av faser orsakade av tillsatsen av kalciumtitanat, CT.

Kalciumaluminatpulver av typen Ternal White från Lafarge Aluminatcs framställ- des enligt samma procedur som i Exempel l. En pulverblandning med 50 vikt-% CT framställdes också som i Exempel 1. Förhållandet mellan vatten och cement, (v/ c)- förhållandet, var 0,5 för båda materialen.

Avjonat vatten sattes till pulverblandningarna, under det att v/ c-förhållandet hölls vid 0,5. Inget accelerator- eller dispersionsmedel användes. Fassammansättningen efter fyra veckors härdning presenteras i diffraktogrammet i Fig. 2. Den övre kurvan är från ett CA-prov och den undre kurvan är från ett CA med 50 vikt-% CT efter 4 veckors härdning i rumstemperatur.

Diffraktogrammet illustrerar att för CA+CT-materialet har övergången till den sva- gare CgAl-Iö-fasen inte ännu ägt rum, och att AI-lg-fasen är undertryckt, jämfört med det rena CA-materialet. _ 521 938 .... _.

Det bör inses att den detaljerade beskrivningen och de specifika exemplen, trots att de anger föredragna utföringsformer av uppfinningen, endast ges såsom ex- empel. Olika förändringar och modifieringar inom tanken och området för upp- finningen kommer att vara uppenbara för fackmannen utifrån den detaljerade beskrivningen.

Claims (9)

521 938 21 Nya patentkrav inlämnade med slutfóreläggande 9 juli 2003 Kemiskt bundet keramiskt material, kännetecknat av att det innefattar: 50-99 vikt-% av ett bindningsfassystem baserat helt eller delvis på hydratiserat kalciumaluminat,

1. -50 vikt-% av ett inert additiv, vilket är en ternär oxid med den perovskitiska struktur som beskrivs av formeln ABO3, där O är syre och A och B är metaller, och där mängden av det inerta additivet är lika med eller lägre än mängden av bindningsfasen. Keramiskt material enligt krav 1, kännetecknat av att A i den perovskitiska strukturen är vald från gruppen innefattande Mg, Ca, Sr eller Ba, och att B i den perovskitiska strukturen är vald från gruppen innefattande Ti, Zr, eller Hf. Keramiskt material enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att det inerta additivet innefattar blandningar av två eller flera av de ternära oxiderna. Keramiskt material enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknat av att det vidare innefattar hydroxiapatit i en mängd om 0 till 50 vikt-% av mängden bindningsfas. Keramiskt material enligt något av kraven 1 till 4, kännetecknat av att kornstorleken hos prekursorpulverpartiklarna är mindre än 10 pm. Keramiskt material enligt något av kraven l till 5, kännetecknat av att det vidare innefattar kalciumsilikater och fumed silica. 10. ll. 1

2. 1

3. 1

4. 521 938 22 Keramiskt material enligt krav 6, kännetecknat av att expansionen under materialets härdning är mindre än eller lika med O,8%. Keramiskt material enligt något av de föregående kraven, kännetecknat av att det har en tryckhållfasthet av åtminstone 100 MPa. Keramiskt material enligt något av de föregående kraven, kännetecknat av att det har en hårdhet av åtminstone 80 Vickers. Förfarande för framställning av det keramiska materialet enligt krav 1, vilket innefattar stegen: att framställa en uppslamning innefattande kalciumaluminathydrat, de inerta additiven och ett härdningsmedel, och att hårda uppslamningen. Förfarande enligt krav 10, kännetecknat av att uppslamningen härdas i en fuktig miljö. Förfarande enligt något av kraven 10 till 1 1, kännetecknat av att temperaturen hos materialet inte ökar till mer än 40°C när det härdas i en levande mänsklig kropp. Förfarande enligt något av kraven 10 till 12, kännetecknat av att härdningsmedlet är vatten, valfritt innefattande additiv för att accelerera härdningen. Förfarande enligt krav 13, kännetecknat av att additivet som accelererar hårdningen är litiumklorid, LiCl. 1

5. 1

6. 1

7. 1

8. 521 958 23 Förfarande enligt något av kraven 10 till 14, kännetecknat av att det vidare innefattar additiv såsom vattenreducerande medel baserade på föreningarna polykarboxylsyror eller polyakrylsyror, eller en supermjukgörare. Benimplantat innefattande det keramiska materialet definierat i kraven 1-

9. Tandfyllnadsimplantat innefattande det keramiska materialet definierat i kraven 1 - 9. Biocernent innefattande det keramiska materialet definierat i kraven 1 - 9.