CERAMIC BONE-SUBSTITUTE MATERIAL AND PROCESS FOR ITS PRODUCTION

Abstract: 1. A ceramic bone substitute material with bioactive properties on the basis of hydroxyl apatite, characterized in that the starting material consists of 70 to 95 wt. % of titanic oxide powder, the remainder being hydroxyl apatite powder, and the precompressed mixture of the powders has been converted in a heat treatment to a multiphase, polycrystalline ceramic material which has a resistance to pressure of more than 1000 N/mm**2, a bending strength of more than 110 N/mm**2 and a density of more than 3.6 g/cm**3 at room temperature.

Description: Keramischer Knochenersatzwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen keramischen Knochenersatzwerkstoff mit bioaktiven Eigenschaften auf der Grundlage von Hydroxylapatiten und richtet sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Knochenersatzwerkstoffes. Die günstigen biologischen Eigenschaften von Hydroxylapatiten und einigen Tricalciumphosphatkeramiken sind seit längerer Zeit bekannt. Dabei sind von beiden Werkstoffgruppen jeweils im Körpermilieu verhältnismässig stabile oder auch im Körpermilieu mehr oder weniger schnell resorbierbare Versionen bekannt. Diese bekannten Hydroxylapatite und Tricalciumphosphatkeramiken sind in ihrer Anwendbarkeit als Knochenersatzwerkstoffe jedoch durch ihre schwer reproduzierbare und verhältnismässig geringe mechanische Festigkeit in ihren Anwendungsmöglichkeiten begrenzt. Zur Oberwindung dieser Schwierigkeiten sind schon vielfältige Versuche unternommen worden, derartige Keramiken als Schichten auf mechanisch ausreichend festen Werkstoffen aufzubringen. Alle derartigen Versuche haben bisher noch nicht zu brauchbaren Knochenersatzwerkstoffen geführt. Die aufgebrachten Schichten erwiesen sich meist nicht haftfest genug oder wurden vom Gewebe allmählich aufgelöst. Es tst ausserdem ein Versuch bekant geworden derartige Apatitpulver mit Titanpulvern und gesintertem Titan zusammen zu verarbeiten (K. Asano, T. Ichiko und H. Tonegawa, "development of hydroxylapatitetitanium composite material as an implant material, 8th annual meeting of the society for biomaterials, Orlando, Walt Disney World, Fla. USA, 24.27. April 1982). Die gemeinsame Verarbeitung von Titanpulver mit Hydroxylapatit führt jedoch, wie wir festgestellt haben, bei Ausbildung verschiedener, zum Teil keineswegs besonders körperverträglichen Phosphatphasen. Der Erfinder hatte sich daher die Aufgabe gestellt, einen keramischen Knochenersatzwerkstoff zu synthetisieren, der die günstigen oben erwähnten biologischen Eigenschaften der Hydroxyiapatitkeramiken und Tricalciumphosphatkeramiken aufrecht erhalten, aber gleichzeitig eine höher mechanische Festigkeit in reproduzierbarer Weise einzustellen gestattet. Die Lösung dieser Aufgaben ist möglich bei Benutzung eines Ausgangsmaterials wie es im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben ist. Ausgestaltungen dieser Lösung und ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Werkstoffes sind in den Unteransprüchen im einzelnen dargelegt. Die auf die beschriebene Art und Weise hergestellten keramischen Knochenersatzwerkstoffe weisen ein heterogenes, mindestens zwei Phasen enthaltendes Gefüge auf. Es besteht einerseits aus Rutilpartikeln, die sich aus den ursprünglich eingesetzten Titandioxidpulvern gebildet hatten, zum anderen aus B-Whitlockit, der sich aus dem eingesetzten Hydroxylapatitpulver gebildet hat. Dabei liegt das ss-Whitlockit im wesentlichen als Korngrenzsubstanz zwischen den Rutilkörnern. Der hier schon mehrfach benutzte Begriff bioaktiv bezieht sich auf Werkstoffe, die nach Einbringen in knöcherne Strukturen die Anlagerung von Knochengewebe längs ihrer Oberfläche offensichtlich begünstigen, wie mehrfach in der Vergangenheit festgestellt worden ist, Der Begriff bioaktiv in diesem Sinne ist zu verstehen im Gegensatz zu bioniert. Als bioniert werden Werkstoffe bezeichnet, die im Körpermilieu und insbesondere auch in Knochenumgebung die dort ablaufenden biologischen Reaktionen nicht beeinflussen. Zur Herstellung des erfindungsgemässen Knochenersatzwerkstoffes dienen im übrigen mehrere Verfahrensweisen der keramischen Technologie. So können für das Mischen und die Formgebung alle in der keramischen Technologie bekannten Vorgehensweisen benutzt werden. Auch ein z. B. isostatisches Nachverdichten der bereits kompaktierten Teile ist möglich. Die Teile können in dem kompaktierten aber noch nicht gebrannten Zustand auch noch mechanisch bearbeitet werden, falls das im Interesse der Formgebung erwünscht ist. Die Wärmebehandlung kann durchaus an Normalatmophäre erfolgen, für spezielle Zwecke könnte es auch nützlich sein eine Schutzgasatmosphäre zu benutzen. Ausserdem ist es möglich die Schritte der Wärmebehandlung und der Verdichtung in einem Arbeitsgang zusammenzufassen. Die erfindungsgemässen keramischen Knochenersatzwerkstoffe verhalten sich in biologischem Milieu, insbesondere nach Einbringen in knöcherne Umgebung genauso wie nicht titandioxidhaltige bioaktive Calciumphosphatkeramiken. Sie weisen jedoch, darauf sei nochmals hingewiesen, eine höhere Festigkeit bei besserer Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften auf. Bezüglich der Wärmebehandlung ist darauf hingewiesen, dass diese eine Temperaturerhöhung auf 12500C bis 1450"C umfasst, wobei diese Endtemperatur für eine Zeit zwischen 5 und 25 Stunden zu halten ist und die höhere Temperatur einer kürzeren, die niedrigere Temperatur einer längeren Haltezeit.zuzuordnen ist.

Claims: Patentansprüche 1. Keramischer Knochenersatzwerkstoff mit bioaktiven Eigenschaften auf der Grundlage von Hydroxylapatit, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass das Ausgangsmaterial aus 70 bis 95 Gew.-% Titanoxidund der Rest aus Hydroxylapatitpulver besteht und das vorverdichtete Gemisch der Pulver in einer Wärmebehandlung in eine mehrphasige, polykristalline Keramik überführt worden ist. 2. Knochenersatzwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Keramik neben Rutil ss-Whitlockit enthält. 3. Knochenersatzwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Pulver eine maximale Korngrösse von 30 um aufweisen. 4. Knochenersatzwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die mehrphasige, polykristalline Keramik eine Druckfestigkeit von mehr als 1000 n/mm2, eine Biegebruchfestigkeit von mehr als 110 n/mm2 und eine Dichte von mehr als 3,6 g/cm3 bei Zimmertemperatur aufweist. 5. Verfahren zur Herstellung eines Knochenersatzwerkstoffes nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass ein Gemisch aufs 70 bis 95 Gew.-% Titanoxidpulver mit Rest Hydroxylapatitpulver vorverdichtet und einer Wärmebehandlung zur Oberführung in eine mehrphasige polykristalline Keramik unterworfen wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Vorverdichten mit einem Druck von mindestens 5000 n/cm2 erfolgt. 7. Verfahren nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Wärmebehandlung eine Temperaturerhöhung bis zwischen 1250 bis 1450 "C für 25 bis 5 Stunden einschliesst.

Inventors: OSBORN, JOHANNES FRIEDRICH, DR., OSBORN, JOHANNES FRIEDRICH, PROF. DR.
Applicants: OSBORN, JOHANNES FRIEDRICH, DR.
Application year: 1984
Main classification: A61L31
IPC codes: A61F2, C04B35, A61L27