SE535536C2 - Jonsubstituerade hydroxiapatitytbeläggningar - Google Patents

Abstract

Sammanfattning Uppfinningen avser en metod för att bilda en kristallin ytbeläggning av en jonsubstituerad kalciumfosfat på ett substrat innefattande stegen: a)b) tillhandahålla ett substrat, tillhandahålla en första vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner,magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner,karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 ochen temperatur av 20°C till 100°C, sänka ner åtminstone en del av substratet i den första vattenhaltigalösningen under en tidsperiod tillräcklig för att en första ytbeläggning skabildas, tillhandahålla en andra vattenhaltig lösning innefattande kalciumj oner,magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner,karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 ochen temperatur av 20°C till 100°C, varvid lösningen vidare innefattar en ellerflera av substitutionsjonerna Sr2t, Si4t, Zn2t, Ba2*, Fe3*, Fe, sänka ner åtminstone en del av substratet i den andra vattenhaltigalösningen under en tidsperiod tillräcklig för att ett andra kristallint lager av ytbeläggning ska bildas. Uppñnningen avser dessutom en kristallin jonsubstituerad hydroxiapatitytbeläggning framställd enligt metoden.

Description

25 30 535 535 inducerade förändringarna i materialets egenskaper och också till den direkta effekten av Si i fysiologiska processer hos ben- och bindevävnadssytemen. Si- substitution främjar biologisk aktivitet genom omvandlingen av ytan hos materialet till en biologiskt ekvivalent hydroxiapatit, genom att öka lösligheten hos materialet, genom att skapa en mer elektronegativ yta och genom att skapa en finare mikrostruktur. Frisättning av Si-komplex till det extracellulâra mediet och närvaron av Si vid ytan av materialet kan inducera ytterligare dosberoende stimulatoriska effekter på celler hos ben- och broskvâvnadssystem [6].

Eftersom strontium är kemiskt och fysiskt nära släkt med kalcium är den lätt att föra in som en naturlig substitution för kalcium i hydroxiapatit. Strontium har visats ha effektema att öka benbildning och att minska benresorption, vilket leder till en ökning i benmassa och förbättrade benmekaniska egenskaper i normala djur och människor. Sr-substituerade hydroxiapatitkeramer har uppvisat bättre mekaniska egenskaper än ren hydroxiapatit och ökade prolifieringen och differentieringen av osteoblastceller i in vitro-studie [7].

Magnesium har påvisats i höga koncentrationer i ben- och broskvävnad under de initiala faserna av osteogenesis och för att orsaka accelerationen av kärnbildningskinetiken av hydroxiapatit och för att hämma dess kristallisationsprocess. Landi et al. har observerat att Mg-substituerad hydroxiapatit förbättrade beteendet hos celler när det gäller adhesion, prolifiering och metabolisk aktivitet i jämförelse med stökiometrisk hydroxiapatit [8].

Zink är ett större spårämne och har visat sig spela en viktig roll i mänsklig vävnadsutveckling. In vitro-försök har visat att zink hämmar benresorption och har stimulatorisk effekt på benbildning. Zinksubstituerad hydroxiapatit är potentiellt ett material som kan ha samma effekter. När zink har varit substituerat in i HA och trikalciurrifosfat-kristallgittret (TCP) har det visat sig hämma osteoklaster in vitro och att främja bentillväxt in vivo.

Trots de fördelaktiga resultaten, är den kliniska tillämpningen av jonsubstituerade keramer och cement begränsad på grund av den låga mekaniska styrkan. Genom ytbelâggriing av implantat med jonsubstituerad HA kan den högre mekaniska 10 15 20 25 30 535 535 styrkan av en metall kombineras med de egenskapema hos den jonsubstituerade HA. Därför är jonsubstituerad hydroxiapatit som ytbeläggxiing på implantat av intresse. Sådana ytbelåggningar framställda hittills har framställts genom plasmasprayning [9], sol-gel [lO], magnetron-samsputtring ll l], pulserad laserdeponering [12] och mikro-arc-oxidationstekniker (eng. rnieroarc oxidation)

[13]. Dessa ytbeläggningstekniker har några nackdelar även om de är relativt vanligt använda. Till exempel år ytbeläggningarna relativt tjocka och spröda och har dessutom kemiska defekter. De fäster inte alltid bra till substraten. Dessutom kan sådana ytbelåggningar inte appliceras jämnt och uniformt till ytor med komplexa geometrier såsom porösa och urkarvade ytor. Dessutom är högtemperaturbehandling essentiell för att skapa dessa ytbelâggningar, vilket begränsningar vilka substratmaterial som kan användas. För att överkomma några av dessa nackdelar har lågtemperaturförfaranden använts för att skapa hydroxiapatitkeramytbelâggningar genom lösningsbaserade metoder. Bunker et al. har upptäckt en teknik för framställning av en oktakalciumfosfat-ytbelåggning genom att indränka (eng. soaking) substratet i en lösning innehållande kalciumklorid [l4]. De andra exemplen finns i US-patenten 6,905,723B2 [15] och 6,569,489Bl [16] i vilka hydroxiapatitytbelâggningar är framställda genom att använda lösningen innehållande Ca2*, PO43-, Sr, Nav, K*, HCOy, Cl~, Mg2* och möjligtvis också Si- och F-joner så som nånms i den detaljerade beskrivningen.

Biornineralisering år ett naturligt själv-assemblerande förfarande för biomineralbildning i vattenbaserad lösning. I människokroppen består alla normala och de flesta patologiska kalcificeringar av kalciumfosfatföreningar. Men hydroxiapatitinnehållet i ben är inte stökiometrisk kalciumfosfat, utan istället en kalciumbristande och multisubstituerad hydroxiapatit som år bildad genom biomineralisering. Wu et al. har rapporterat att ett biomineraliserat PIA-lager på vävnadsbârarytan kunde öka cellprolifieringshastigheten och differintieringsnivån (181.

US 6,569,48l och WO 9741273 beskriver förfaranden för att ytbelägga biomedicinska implantat med hydroxiapatitytbelåggningar via ett biomineraliseringsförfarande. De resulterande ytbeläggningaxna kan valfritt dessutom innehålla silikat och sulfat. Beskrivningen av prekursorrnaterialen som 10 15 20 25 30 535 535 används för att bilda HA-ytbelåggxiingarna med fastlösningsjonema är inte beskrivet i de citerade dokumenten.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning är baserad på förståelsen att ett biomineraliserat lager kommer att ha fördelaktiga effekter på benbindning och benregenerering.

Biomineralisering kombinerad med jonsubstitution kommer att ha fördelar på grund av att jonsubstituerade hydroxiapatitytbelåggningar har en stor likhet med det naturliga mineralet i ben, vilket år baserat på ett biomineraliseringsförfarande.

Dessutom, eftersom biominerliseringsförfarandet sker i en vattenhaltig lösning, är den tillåmpbar på vilken öppen yta som helst och är inte begränsad av den komplexa geometrín hos implantaten. Biomineraliseringsförfarandet är också en lågtemperamrtelniik som år energieffektiv och år tillâmpbar på temperaturkänsliga substratmaterial. Föreliggande uppfinning avser framför allt kombinationen av ytbelåggningskemin och morfologin erhållen genom att applicera förfarandet och materialen så som beskrivet i uppfinningen.

Denna uppfinning tillhandahåller en ny framställningsteknik av jonsubstituerad hydroxiapatit eller brushit eller monoetit eller amorfa kalciumfosfatytbeläggriíngar eller kombinationer därav, innehållande substitutionsjoner så som F-, Sr2*, Sr", Zn2+, Ba2*, Feß* på implantat. Framställningstekniken är baserad på ett biornineraliseringsförfarande.

Denna nya teknik är baserad på ett biomineraliseringsförfarande som använder en modifierad sirnulerad kroppsvätska och en fosfatbuffertlösning innehållande de katjoniska och anjoniska substituerade jonerna i kalciumfosfatytbeläggningen.

Katjoniska substitutioner är Sri", Sr", Zn2*, Ba2*, Fe3* etc., anjoniska substitutioner år F~ etc. Källan till jonsubstitutíonerna kan vara lösliga salter och delvis lösliga salter innehållande jonerna som ska substitueras så som SrC12, SrCOa, Sr(NO3)2, NaSiOa, kalciumsilikat (CaOSiOz, CaO(SiO2)2, CaO(SiO2)3), ZnClz, ZnSO4, BaClg, FeCla, Fe(NO3)3, NaCog, NaF, NaFPO4.

S 10 15 20 25 535 535 Därmed tillhandahåller föreliggande uppfinning ett förfarande för att bilda en ytbeläggriing av en jonsubstituerad kalciumfosfat på ett substrat innefattande stegen: a) b) d) g) h) Föreliggande uppfinning avser dessutom jonsubstituerad hydroxiapatitytbelåggriing a) tillhandahålla ett substrat, b) tillhandahålla en lösning innefattande en fosfatbuffertlösning där Ca/ P- kvoten âr l / 10 och som har ett initialt pH i intervallet 2,0 till 10,0 och där lösningen dessutom innefattar: i) strontiumjoner i en koncentration av 0,06-0,6 mM och där lösningen har en temperatur av eller värms till mellan 37°C och 60°C, eller ii) kiseljoner i en koncentration av ungefär 0,33 mM och där lösningen har en temperatur av eller värms till ungefär 60°C, eller iii) strontiumjoner och kiseljoner i en koncentration av 0,06 till 0,6 mM respektive 0,075 till 0,15 mM och där lösningen har en temperatur av eller värms till mellan 37°C och 60°C, och c) sänka ner åtminstone en del av substratet i en av lösningarna i-iii under en tidsperiod tillräcklig för att ytbeläggningen ska bildas, varigenom den erhållna ytbelåggningen är uppbyggd av ett första och ett andra lager där: lösningen i) ger ett tätt första lager och ett andra lager innefattande täta eller porösa sfärer, och lösningarna ii och iii) ger ett poröst första lager och ett andra lager innefattande porösa sfårer. framställd genom metoden enligt föreliggande uppfinning.

Föreliggande uppfinning avser dessutom biomedicinskt implantat innefattande ytbelåggrlirigen enligt föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 535 535 Koncentrationen av kalciumjoner kan varai intervallet 0,01 - 25 l0-3M.

Koncentrationen av magnesiumjoner kan vara i intervallet 0,01 - 15 l0~3M.

Koncentrationen av natriumjoner kan vara i intervallet 0,01 - 1420 l0-3M.

Koncentrationen av kaliumjoner kan vara i intervallet 0,0 1 - 1420 10'3M.

Koncentrationen av kloridjoner kan vara i intervallet 0,01 - 1030 10~3M.

Koncentrationen av fosfatjoner kan vara i intervallet 0,0 1 - 10 10-3M.

Koncentrationen av karbonatjoner kan vara i intervallet 0,01 - 270 l0~3M.

Koncentrationen av sulfatjoner kan vara i intervallet 0,01 - 5 lO-SM.

Företrådesvis kan koncentrationen av kalciumjoner vara i intervallet 0,5 - 2,5 10-3 M Företrâdesvis kan koncentrationen av magnesiumjoner vara i intervallet 0,2 - 1,5 1O'3M.

Företrådesvis kan koncentrationen av natriumj oner vara i intervallet 100- 150 10- SM.

Företrädesvis kan koncentrationen av kaliumjoner vara i intervallet 1,0 - 5,0 l0~3M.

Företrädesvis kan koncentrationen av kloridjoner vara i intervallet 100 - 150 l0~3M.

Företrådesvis kan koncentrationen av fosfatjoner vara i intervallet 1,0 - 10 lO-SM.

Företrädesvis kan koncentrationen av karbonatjoner vara i intervallet 1,0 - 50 10- SM.

Företrâdesvis kan koncentrationen av sulfatjøner vara i intervallet 0,1 - 1,0 10-3M.

Koncentrationen av katjoner som ska substitueras, det vill såga Zn2*, Ba2t, Fe3+, kan vara i intervallet 0,01 - 0,1 10-3 M och koncentrationen anjoner, det vill såga F; som ska substitueras kan vara i intervallet l - 100 l0~3M.

Katjonerna och anjonema som ska substitueras in iden biornineraliserade hydroxiapatitytbeläggriingen kan tillsåttas till lösningen med en kontrollerad katjon/ anjon- eller anjon/fosfat-kvot (inklusive hydroxid).

Förfarandet enligt uppfinningen kan användas till olika substrat innefattande titan, titanlegcringar, andra metaller och legeringar, biokeramer, bioaktiva glas och polymerer. 10 15 20 25 30 535 535 Förbehandling av substratet, framför allt substrat bildad av metall och legeringar, för att bilda en funktionaliserad bioaktív yta kan vara nödvändig. Förbehandling av ytor i vattenhaltig lösning så som -OH, -COOH, -NHQ-lösningar är det som eftersträvas så som beskrivet i känd teknik. Till exempel ren titan och titan år förbehandlad genom att använda alkalisk lösning, syralösning och UV-strålning

[17] för att kunna aktivera ytorna för att erhålla en bioaktiv yta med förmåga att främja hydroxiapatittillväxt.

Förfarandet enligt uppfinningen kan företrädesvis användas till benförankrat implantat där ett förhöjt och ett permanent benläkande är önskvärt för att erhålla en god klinisk funktion. Exempel på sådana applikationer är dentala implantat, kraniofaciala implantat eller Ortopediska implantat. l-lalten av substituerat kalcium genom katjonisk substitution är up till 80% och halten av substituerad fosfat och hydroxid genom anjoniska substitutioner är upp till 30%.

Tjockleken hos de joniskt substituerade hydroxiapatitytbelâggningarna framställda genom biomineralisering kan kontrolleras till intervallet 10 nm till 100 pm genom nedsänkningstiden och temperaturen och jonkoncentrationema hos lösningen i förfarandet.

Biomirieraliseringsförfarandetemperaturen är från företrädesvis 37 °C till 60°C.

Förfarandet enligt uppfinningen kan användas för att ytbelägga ytor med komplexa geometrier så som porösa material och utkarvade material.

Förfarandet enligt uppfinningen tillåter dessutom ytbeläggning av endast en del av ett implantat likväl som att ytbelägga olika delar av implantatet med ytbeläggningar med olika jonsubstitutioner och/ eller tjocklek. 10 15 20 535 535 Förfarandet enligt uppfinningen kan användas för att tillverka inte bara singeljonsubstituerade hydroxiapatitytbelâggningar utan också två-, tre- och fyr- joniskt substituerade hydroxiapatitytbeläggningar.

Bildandet av joniskt substituerade hydroxiapatitytbelåggningar genom biomineraliseringsförfarande innefattar indrånlming av bioaktiva implantatprov i en minerliserad lösning så som modifierad simulerad kroppsvâtska (SBF) och fosfatbuffertlösning (PBS) (Tabell 1), innehållande olika katjoner och anjoner. Den mineraliseringsbara lösningen innefattar de stora oorganiska jonema närvarande i människokroppen nämligen Na*, K*, Cai", HCOy, HPOR, S042- etc.

Tabell l. Jonkoncentrationer i blodplasma, modifierad SBF och modifierad PBS (10- sM) Jon Blodplasma (mmol /1) SBF (mmol/ l) PBS* (mmol/1) Na* 142 142 145 K* 5 5 4,2 Mg” 1,5 1,5 0,49 Ca2* 2,5 2,5 0,9 1 Cl' 103 148 143 HCOa' 27 4,2 HPO42' 1 1 9,6 S042- 0,5 0,5 *zköpt från Sigma-Aldrich Biomineraliseringsfórfarandet kan delas upp i multipla steg för jonema, så som F- och Zn2*, som kan bilda kalciumfosfatföreningar med låg löslighetsproduktskonstant. Förfarandet år att indränka substrateti den mineraliserade lösningen i 1-3 dagar, och sen flytta den till den vattenhaltíga lösningen innehållande jonerna som ska substítueras i 1-3 dagar. Detta förfarande repeteras tills den tilltänkta tj ockleken och/ eller jonhalten har uppnåtts hos de nya ytbelåggningarria. 10 15 20 25 30 535 535 Under biornineraliseringsytbelâggningsförfarandet indränks de bioaktiva implantatprovema, efter rengöring, i den mineraliseringsbara lösningen med substituerade joner vid en bestämd temperatur under en tidsperiod tillräcklig för att ett lager av kristallin ytbelâggning ska bildas, normalt l-2 veckor. Proverna tas bort från lösningen och sköljs med avjonat vatten och torkas i luft.

I-lalten katjoniska substitutioner av kalcium i den jonsubstituerade hydroxiapatitytbeläggningen enligt uppfinningen är upp till 80% och halten av anjoniska substitutioner av fosfat och hydroxíd år upp till 30%.

Tj ockleken av den joniskt substítuerade hydroxiapatitytbeläggningen framställd genom biomineralisering kan kontrolleras till intervallet lOnm till IOOpm genom nedsänkningstiden och temperaturen och jonkoneentrationerna i lösningen i förfarandet.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller dessutom en kristallin jonsubstituerad hydroxiapatitytbelåggriing framställd genom förfarandet enligt uppfinningen.

Föreliggande uppfinningen tillhandahåller dessutom en kristallin jonsubstituerad hydroxiapatitytbeläggning med specifika kännetecken som bestäms genom a) Röntgendiffrakation (XRD) b) Svepelektronmikroskopi (SEM) c) Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och/ eller d) Time-of-ílight secondary ion mass spectroscopy (ToF-SIMS) Via ytbelåggriingsförfarandet så som beskrivet här ovan kan morfologin hos kalcíumfosfatytbeläggníngen kontrolleras. Via jonisk substítution av Sr i hydroxiapatit består den bildada HA-ytbeläggriingen på Ti-substrat av sfäriska partiklar, t.ex. så som illustreras i Fig. 4 och via tillsâttning av Si innehåller ytbelâggriingsmorfologin små flakliknande partiklar, t.ex. så som illustrerat i Fig. 17. Förmågan att kontrollera ytbelåggningsmorfologi ger ytbelâggrlingen optimal porositet för att interagera med vârdvävnaden.

TILLÄMPNINGAR 10 15 20 25 30 535 536 10 Baserat på den stora bredden av ytbeläggriingar som kan framställas med uppfinningen kan olika tillämpningar betraktas.

Användningen av de bioaktiva ytbeläggningarna med dess fördelaktiga biologiska effekter gör dem lämpliga att tillämpas på biomedicinska implantat. Detta innefattar temporära och permanenta material där ytbeläggningen kan förbättra bindningen av implantatet till vävnader. En speciell omständighet är det kliniska behovet av ett snabbt och permanent läkande ben runt ett implantat, t.ex. dentala, karniofaciala och Ortopediska implantat. Exempel på det senare innefattar tillämpningar med spinalimplantat, artroplastik, osteosyntes tillämpningar och fixeringsanordningar, brosk- och subkondrala bendefekter, fyllmedel för håligheter i ben och andra situationer där ett implantat bör fixera bendelar, förstärka ben och ersätta defekter och tillåta att funktionella belastningar tillämpas. Av särskilt intresse är implantat i benvävnader som år försvagade på något vis på grund av sjukdom (t.ex. osteoporos, diabetes), trauma, åldrande och som följd av behandling (Lex. strålbehandling).

Ytterligare möjliga situationer är när prognosen för en lyckad implantatbehandling är lägre med mindre optimala implantatytor. Också i de situationer där anatomin hos patienten resulterar i en försämrad prognos för framgång, så som i områden med små mängder av ben som kan tillhandahålla initial implantatstabilitet, kommer användningen av uppfinningen att vara fördelaktig.

Möjligheten att endast täcka delar av ett implantat som uppfmningen erbjuder, eller att framställa olika typer av ytbeläggningar på olika delar av ett implantat, öppnar upp möjligheten för att skräddarsy ytegenskaperna hos implantaten för optimalt biologiskt utförande i förhållande till speciella typer av vävnader och för individuella patienter. För ett benförankrat implantat som penetrerar huden eller mukosa kan uppfinningen användas för att applicera en ytbeläggning enbart till de delar av implantatet som är i kontakt med ben. Användningen av olika ytbeläggningar på olika delar av implantatet kan också användas för att skapa ytbeläggningar som tillhandahåller den optimala responsen beroende på vilken typ av benvävnad olika delar av implantatet är i kontakt med. För ett benförankrat implantat som är i 10 15 20 25 30 535 536 11 kontakt med både kortikalt ben och benmârg, kan olika delar av implantatet förses med olika ytbelåggningar designade för att optimera utförandet i dessa typer av vävnader.

BESKRIVNING AV FIGURER Figur 1. XRD-mönster av vårmebehandlade titanplattor indränktai den 0,06 rnmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37°C (A) respektive 60°C (B) i 1 vecka. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) Figur 2. XRD-mönster av vârmebehandlade titanplattor indränkta i den 0,06 mmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37°C (A) respektive 60°C (B) i 2 veckor. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) Figur 3. SEM-bilder av värmebehandlad titanyta, förstoring (A) 3000 x, (B) 10000 x.

Figur 4. SEM-bilder av värmebehandlad titanyta efter indrânkningi 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 37°C, förstoring 10000 x.

Figur 5. SEM-bilder av värmebehandlad titanyta efter indrânkningi 0,06 mM strontium-PBS i 2 veckor vid 37°C, förstoring 10000 x.

Figur 6. SBM-bilder av värmebehandlad titanyta efter indránkningi 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 7. SEM-bilder av vårmebehandlad titanyta efter indränlmingi 0,06 mM strontium-PBS i 2 veckor vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 8. SEM-bilder av värmebehandlad titanyta efter indränkning i 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 37°C, förstoring (A) 10000 x (B) 45000 x.

Figur 9. SEM-bilder av vârrnebehandlad titanyta efter indränlming i 0,6 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 60°C, förstoring (A) 10000 x (B) 50000 x. 10 15 20 25 30 535 536 12 Figur 10. XRD-mönster av PVD-behandlade titanplattor indränkta i den 0,06 mmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37°C (A) respektive 60°C (B) i 1 vecka. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) Figur 11. XRD-mönster av PVD-behandlade titanplattor genomdränkta i den 0,06 mmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37°C (A) respektive 60°C (B) i 2 veckor. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) Figur 12. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 13. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 60°C, förstoring (A) 3000 x (B) 30000 x.

Figur 14. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i 0,6 mM strontium-PBS i l vecka vid 60°C, förstoring (A) 3000 x (B) 30000 x.

Figur 15. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i 0,06 mM strontium-PBS i 2 veckor vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 16. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i 0,6 mM strontium-PBS i 2 veckor vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 17. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i kisel-PBS i 1 vecka vid 37°C, förstoring (A) 1000 x (B) 5000 x.

Figur 18. SEM-bild av vårmebehandlad titanyta efter indränkning i Si- och Sr-PBS i 1 vecka vid 37°C.

Figur 19. Illustrering av Si- och Sr-jonsignaler från den biornineraliserade ytan från TOF-SIMS.

EXEM PEL 10 15 20 25 535 536 13 Exempel 1. Avsättning av strontiumsubstituerad hydroxiapatitytbelåggning på värmebehandlade titanytor. 10mm x 10mm titanplattor behandlades med värme (vid 800°C i 2 timmar) för att ge en titandioxid yta. De behandlade plattoma rengjordes först med ultraljud i _ aceton följt av etanol och till sist sköljdes de med avjonat vatten och torkades i 37°C. Två typer av mineraliserbara lösningar erhölls från den modifierade fosfatbuffertlösningen (PBS) (se Tabell 2). Den låga koncentrationen av Sr-PBS var 0,06 mmol/1. Den höga var 0,6 mmo1/ 1. Det initiala pH i den låga var 7,20 och 7,21 vid 37°C respektive 60°C. Det initiala pH i den höga var 7, 19 och 7,15 vid 37°C respektive 60°C. Varje tvà prov indränktes i 40ml förvärmd lösning i en förseglad plastflaska som sedan placerades i ugnen vid 37°C respektive 60°C. Plattorna inkuberades under olika tidsperioder från 1 vecka till 2 veckor. Alla prover skölj des därefter med avjonat vatten och torkades i luft. Proven analyserades sen genom att använda tunnfilmsröntgendiffraktion (TF-XRD), fålternissions- svepelektronmikroskopi (FESEM), röntgenfotoelektronspektroskopispektra (XPS) och time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS).

Tabell 2. Jonkoncentrationer i blodplasma, PBS och strontium-PBS (IOßM) Jon (mmol/1) Na* K* Mg” Ca2* Cl' HPO42~ Sr2* Blodplasma 142 ,0 5 ,O 1 ,5 2 ,5 103 ,O 1 ,O PBS 145,0 4,2 0,49 0,91 143 9,6 - 06Sr-PBS 145,0 4,2 0,49 0,91 143 9,6 0,6 OOÖSr-PBS 145,0 4,2 0,49 0,9 l 143 9,6 0,06 Resultaten visas i figur 1-9. Ytbeläggriingen av biomineraliserad strontiumsubstituerad hydroxiapatit var uppbyggd av två lager efter iridrånkning i den mineraliserbara lösningen i 1 och 2 veckor. Det nedre lagret var en tunn och tät ytbeläggriing och det övre lägret var en lucker och porös ytbeläggning (figur 8 och 9 visar dessa resultat tydligt).

Exempel 2. Avsättning av strontiumsubstituerad hydroxiapatitytbeläggning på PVD-behandlade titanytor. 10 15 20 25 30 535 535 14 Behandlingsförfarandet var liknande det i Exempel 1 men substraten var PVD- behandlade titanytor.

PVD-behandlingen var enligt följande: Titanplattor placerades i en PVD-kammare (Baltzer 640R). Magnetroneffekten och det partiella syretrycket under ytbelâggningssteget var 1,5 kW respektive l ,5xlO-3 mbar. Inställningen av PVD-apparaturen var optimerad för maximal framställning av rutilstrukturen i TiOz-filmen.

Exempel 3. Avsättning av kiselsubstituerad hydroxiapatitytbeläggrling på PVD- behandlade titanytor. 10mm x 10mm titanplattor behandlades genom att använda PVD-behandling för att ge titandioxidyta. De behandlade ytorna var först renorda med ultraljud i aceton följt av etanol och till sist sköljda med avjonat vatten och torkade vid 37°C. Den mineraliseringsbara lösningen innefattande silikat erhållen från den modifierade fosfatbuffertlösningen (PBS). Den modifierade PBS-lösningen var framställd enligt följ ande: (l) 3mg trikalciumsilikat tillsattes till 40ml PBS-lösning, omrörd över natten (2) Den grumliga lösningen centrifugerades sedan ochsupernatantlösningen agerade den mineralíseringsbara lösningen (3) pH-värdet och sammansättningen hos lösningen analyserades genom pH- meter respektive ICP-AES.

Varje två prover índränktes i 40ml förvärmd lösning i en förseglad plastflaska, som sedan placerades i ugnen i 60°C i 1 vecka. Alla prov sköljdes sen med avjonat vatten och torkades vid 37°C. Proven analyserades sen genom att använda tunnfllmröntgendiffraktometer (TF-XRD), fältemissionssvepelektronmikroskopi (FESEM), röntgenfotoelektronspektroskopispektra (XPS) och time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS).

Resultaten år presenterade i Figur 17.

Exempel 4. Frarnstållning av jonsubstituerade hydroxiapatitytbeläggiiingar 10 15 20 25 30 535 535 15 Andra refererade jonsubstituerade (C032, F; G1-, Mg2*, Znflt, Ba2*, Fe3* etc) hydroxiapatitytbeläggningar framställda enligt förfarandet kan erhållas genom liknande förfaranden som de i Exempel 1-3. Lösningen som innefattar olika joner kan framställas genom att lösa upp lösliga salter i modifierad SBF och PBS.

Dessa joniskt substituerade hydroxiapatitytbelâggningar framställda enligt metoden bildades på andra substrat så som bioaktiva keramer (hydroxiapatit, trikalciunifosfat (TCP), kalciumsilikat, zirkoniumdioxid etc), bioaktiva glas (4555 bioglas®, AW glas-keramer, bioaktiv SSS-glas etc) metaller (titan, titanlegeringar, rostfritt stål, CoCrMo-legering etc), kol och polymerer (collagen, glutin, PLGA, PGA etc.).

Exempel 5. Framstâllning av Si- och Sr-samsubstituerade kalciumfosfatytbelåggriingar.

Substratbehandlingsíörfarandet var så som beskrivet i Exempel 1.

Lösningen innefattande silikat och strontium erhölls från en modifierad fosfatbuffertlösning (PBS). ~ Silikatkâllan var natriumsilikatlösning och strontiumkällan var strontiumnitrat i detta exempel. Si-jonkoncentrationen kontrollerades till 0,075-0,15 mM och Sr-jonkoncentrationen kontrollerades till 0,06-0,6 mM.

Proven indråriktes i 40ml förvärrnd lösning i en förseglad plastílaska, som sedan placerades i ugnen vid 37°C i l vecka. Alla prov sköljdes sen med avjonat vatten och torkades vid 37°C efter indränkning. Proven analyserades sedan genom att använda tunnfilmröntgendiffraktometer (TF-XRD), fâltemissionssvepelektronmikroskopi (FESEM), röntgenfotoelektronspektroskopispektra (XPS) och time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS).

Resultaten är presenterade i Figurerna 18- 19. Analysen visar att den sam- substituerade apatitytbeläggningen bildades på substratet, se SEM-bilderna. TOF- SIMS-resultaten visade att det fanns Si- och Sr-jonsignaler från ytan. ZCa/ZZSr var 535 535 16 omkring 0,83 och ESiOX/EPOX var omkring 0,08. Dessa resultat visar att Si- och Sr- samsubstituerad apatitytbelåggning bildades på de vårmebehandlade Ti- substraten . 10 15 20 25 535 535 17 Referenser 1. M. Vallet-Regi, J .M.G. Calbet, Calcium phosphate as substitution of bone tissues. Progress in Solid State Chemistry 2004;32: 1-31. 2. S.V. Dorozhkin, M. Epple, Bioligical and medical significance of calcium phosphates. Angew Chem Int Ed 2002;41:3130-3 146. 3. A.L. Oliveira, R.L. Reis, P. Li, Strontium-substituted apatite coating grown on Ti6Al4V substrate through biomimetic Synthesis. J Biomed Mater Res Part B 2007 ;83:258-265. 4. K.A. Gross, L.M.R. Lorenzo, Sintered hydroxyfluorapatites. Part I: Sintering ability of precipitated solid solution powders. Biomaterials 2004;25: 1375-1384. 5. C. Robinson, R.C. Shore, S.J. Brookes, S. Strafford, S.R. Wood, J. Kirkham, The Chemistry of Enamel Caries. Crit Rev Oral Biol Med 2000;11:481-495. 6. A.M. Pietak, J .W. Reid, M.J. Stott, M. Sayer, Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics. Biomaterials 20073814023-4032. 7. E. Landi, A. Tampieri, G. Celotti, S. Sprio, M. Sandri, G. Logroscino, Sr- substituted hydroxyapatites for osteoporotic bone replacement. Acta Biomaterials 2007;3:961-969. 8. E. Landi, A. Tampieri, M.M. Belmonte, G. Celotti, M. Sandri, A. Gigante, P.

Fava, G. Biagini, Biomimetic Mg- and Mg,CO3-substituted hydroxyapatites: Synthesis charcterization and in vitro behaviour. J Euro Ceram Soc 2006262593- 2601. 9. W. Xue, H.L. Hosick, A. Bandyopadhyay, S. Bose, C. Ding, K.D.K. Luk, K.M.C. Cheung, W.W. Lue, Preparation and cell-materials interactions of plasma sprayed strontíum-containing hydroxyapatite coating. Surface &, Coatings Technology 200720 1 :4685-4693. 10. G. Qi, S. Zhang, K.A. Khor a, W. Weng, X. Zeng, C. Liu, An interfacial study of sol-gel-derived magnesium apatite coatings on Ti6Al4V substrates. Thin Solid Films 2008;516:5 172-5175. 10 15 20 535 535 18 11. E.S. Thian, J. Huang, S.M. Best, Z.H. Barber, W. Bonñeld, Novel Silicon- Doped Hydroxyapatite (Si-hydroxyapatite) for Bíomedícal Coatíngs: An In Vitro Study Using Acellular Simulated Body Fluid. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater 2006;76:326-333. 12. E.L. Solla, P.Gonzalez, J. Serra, S. Chiussi, B. Leon, J. Garcia Lopez, Pulsed laser deposition of silicon substituted hydroxyapatite coatings from synthetical and biological sources. Applied Surface Science 200735411 189-1 193. 13. Y. Han, D.H. Chen, L. Zhang, Nanocrystallized SrHA/ SrHA-SrTiOg/SrTiOg- TiOz multilayer coatings formed by micro-are oxidation for photocatalytic application. Nanotechnology 2008; 19335705. 14. B.C. Bunker, P.C. Rieke, B.J. Tarasevich, A.A. Campbell, GE. Fryxell, Gl..

Graff, L. Song, J. Liu, J .W. Virden, G.L. McVay, Ceramic Thin-Film Formation on Functionalized Interfaces Through Biomimetic Processing Science l994;264:48-55. 15. Li P. Patent: Strontium substituted apatite coating. US 6,905,723 B2 2005. 16. Li P. Patent: Bioactive ceramic coating and method. US 6,569,489 Bl 2003. 17. X. Zhao, X. Liu, C. Ding, Acid-induced bioactive titania surface. J Biomed Mater Res A 2005;75:888-894. 18. C. Wu, J. Chang, W. Zhai, S. Ni, A novel bioactíve porous bredigite (CavMgSiiOm) scaiïold with biomixnetic apatite layer for bone tissue engineering. J Mater Soi-Mater in Med 2007;l8(5):857-864.

Claims (4)

535 535 Ifö Patentkrav

1. Förfarande för att bilda en ytbelâggning av en jonsubstituerad kalciumfosfat på ett substrat innefattande stegen: a) tillhandahålla ett substrat, b) tillhandahålla en lösning innefattande en fosfatbuffertlösning där Ca/ P-kvoten är 1/ 10 och som har ett initialt pH i intervallet 2,0 till 10,0 och där lösningen dessutom innefattar: i) strontiumjoner i en koncentration av 0,06-0,6 mM och där lösningen har en temperatur av eller värms till mellan 37°C och 60°C, eller ii) kiseljoner i en koncentration av ungefär 0,33 mM och där lösningen har en temperatur av eller värms till ungefär 60°C, eller iii) strontiumjoner och kiseljoner i en koncentration av 0,06 till 0,6 mM respektive 0,075 till 0,15 mM och där lösningen har en temperatur av eller värms till mellan 37°C och 60°C, och c) sänka ner åtminstone en del av substratet i en av lösningarna i-iii under en tidsperiod tillräcklig för att ytbeläggningen ska bildas, varigenom den erhållna ytbeläggningen är uppbyggd av ett första och ett andra lager där: lösningen i) ger ett tätt första lager och ett andra lager innefattande täta eller porösa sfârer, och lösningarna ii och iii) ger ett poröst första lager och ett andra lager innefattande porösa sfärer.

2. J onsubstituerad hydroxiapatitytbeläggning framställd genom metoden enligt krav 1.

3. Biomedicinskt implantat innefattande ytbeläggningen enligt krav 2.