BIOACTIVE IMPLANTABLE MATERIAL

Abstract: 1. Bio-active glass-ceramic implant material, characterised thereby, that it consists of 8 to 60% by weight of SiO2 3 to 40% by weight of P2 O5 and 25 to 70% by weight of CaO.

Description: Bioaktives Implantatmaterial = = Die Erfindung betrifft ein bioaktives Implantatmaterial. Alloplastische Implantate spielen im Vergleich zu homöologen oder heterologen Transplantaten eine immer grössere Rolle. Das gilt besonders für den Bereich des Gelenkersatzes, wo artikulierende Flächen aus knöchernem Material mit entsprechenden Festigkeitsforderungen kaum zu realisieren sind. Die medizinische Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von Werkstoffen, die nach der Implantation komplikationslos einheilen. Wird andererseits das umgebende Wirtsgewebe durch das Implantatmaterial zu entzündlichen Reaktionen veranlasst, dann führen solche Reaktionen letztendlich zur Abstossung des Implantates. Ein solcher Werkstoff ist nicht biokompatibel und deshalb für Implantate ungeeignet. Implantatmaterialien, die klinisch reaktionslos im Implantatbett verbleiben, werden als bioinerte Materialien bezeichnet. Neben einigen wenigen Legierungen ist besonders das Aluminiumoxid als bioinert zu bezeichnen. Die reaktionslos einheilenden bioinerten Implantatmaterialien sind bei mikroskopischer Beobachtung des grenzflächennahen Gewebes stets von einer dünnen, mehrlagigen, parallel zur Implantatoberfläche orientierten Zellmembran umschlossen. Die Dicke der Weichgewebskapsel kann als Mass für die Bioinertheit angesehen werden. Für Implantationen in das knöcherne Skelettsystem kann die Tatsache der bindegewebigen Abkapselung des Implantates Schwierigkeiten für die Langzeitstabilität der Verankerung hervorrufen: Durch die Interposition der Weichgewebsschicht wird bei Belastung der Kraftfluss von einem Knochenteil über das Implantat zum lastaufnehmenden Knochen an der Grenzfläche: Implantat - Knochen gestört Meist reagiert das kndcherne Gewebe auf eine unphysiologische Kraftflusseinleitung mit Umbauvorgängen, die zu einer Verbreiterung der Bindegewebskapsel bis hin zur klinischen Lockerung des Implantates führt. Den Nachteil der bindegewebigen Abkapselung von bioinerten Implantatmaterialien weisen die bioaktiven Implantatmaterialien nicht auf. Ihnen gegenüber reagiert das knöcherne Implantatmaterial nicht mit der Bildung einer Bindegewebsmembran. Es findet vielmehr eine bindegewebsfreie, mechanisch belastbare Verbindung zwischen Knochen und bioaktivem Material statt. Bioaktive Implantatmaterialien sind bekannt. So beschreibt Hench 1971 erstmals den bindegewebsfreien Verbund des knöchernen Gewebes mit einem "Bioglas" genannten Material auf Silikophosphatbasis mit 25%igem Na2O-Gehalt. In der DE-PS 23 26 100 wird ferner eine Glaskeramik beschrieben, die aus einem Grundglas mit einem reduzierten Na2O-Gehalt von 2,7 - 20,0 Gew.-% keramisiert wird. Diese Zusammensetzung zeichnet sich dadurch aus, dass . infolge der Oberflächen + löslichkeit nicht nur Na-und Ca -Ionen in das um- gebende Wirtsgewebe eingegeben werden, sondern durch Zusatz von MgO und K-2O in das Grut dglas auch K+- und Mg -Ionen als Antagonisten abgegeben werden, wodurch das physiologische Ionengleichgewicht in der Implantatumgebung nicht nachhaltig gestört wird. Neben den bioaktiven Gläsern und bioaktiven Glaskeramiken sind auch Calciumphosphat-Keramiken und Apatit als bioaktive Implantatwerkstoffe beschrieben worden. Aufgrund der hohen Löslichkeit der Calciumphosphat Keramiken werden diese meist noch als poröse Implantate als temporäre Platzhalter für die Auffüllung von Zysten oder im Falle des Apatits zur Augmentation des Unterkiefers durch Füllung der Alveolen mit entsprechenden zylindrischen oder konischen Implantatkörpern vorgeschlagen. In vielen Fällen wird den in Lösung gehenden Ionen eine knochenwachstumsinduzierende Wirkung nachgesagt. Prothesen aus bioaktivem glaskeramischen Material sind als Vollmaterial bei lastfreier Applikation weit verbreitet. Für hochbelastete, athopädische Prothesen reicht die Biegebruchfestigkeit von 2. 15kp/mm nicht aus. Es wurde daher bereits in der DE-PS 25 46 824 eine Beschichtung von hochbelastbarem metallischen Prothesenmaterial im Schaftbereich bzw. im Kontaktbereich zu Knochen mit bioaktivem Material vorgeschlagen, wobei das bioaktive Material nicht als geschlossene Schicht, sondern als in eine biokompatible Emailschicht eingebettetes Granulat durch diese haftvermittelnde Emailschicht fest mit der Metalloberfläche verbunden ist. Tierexperimente haben gezeigt, dass mit diesem Prinzip eine Bioaktivierung von metallischem Implantatmaterial möglich ist. Die bioaktive Glaskeramik wird - wie tierexperimen telle Langzeituntersuchungen zeigen - in das physiologische Bone-remodeling einbezogen. Bei diesem permanenten Umbauvorgang werden knöcherne Areale zu Weichgewebe (Havers'sche Bereiche), das der Versorgung des wachsenden Knochens dient, umgebaut und umgekehrt Weichgewebe mineralisiert. Dieser Prozess läuft auch an der Grenzfläche des Knochens zum Implantat. Dabei wird ein massives bioaktives Implantat aus Glaskeramik nur unwesentlich durch die gegenüber dem Weichgewebe höhere Oberflächenlöslich- keit beeinflusst. Für die bis zu SO m kleinen bioak tiven Partikel kann die höhere Oberflächenlöslichkeit gegenüber der sich während des Bone-remodeling bildenden Weichgewebes ein die Langzeitstabilität begrenzender Faktor darstellen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bioaktives Implantatmaterial mit reduzierter Oberflächenlöslichkeit unter Beibehaltung der essentiellen Eigenschaft der Bioaktivität zu schaffen. Dies Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein bioaktives Implantatmaterial gelöst, welches aus 8 bis 60 Gew.-% SiO2, 3 bis 40 Gew.-% P205 und aus 25 bis 70 Gew. -% CaO besteht. Bevorzugte Zusammensetzungen bestehen aus 46,0 bzw. 22,6 Gew. o; SiO2, 11,5 bzw. 24,4 P205 und 42,5 bzw. 53,0 Gew.-% CaO. Es ist besonders vorteilhaft, das Implantatmaterial als bioaktive Glaskeramik auszubilden, deren Kristallin-Anteil aus zwei diskreten Phasen besteht. Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen diese Phasen aus Kristalliten von Apatit und Wollastonit. Auch ist es insbesondere möglich, dass es sich bei den Kristalliten um die jeweiligen Hochtemperatür-Modifikationen von Apatit und Wollastonit handelt. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines bioaktiven Implantatmaterials derart gelöst, dass ein Gemenge aus SiO22 Ca(P03 > 2 und CaO mit dem im Hauptanspruch angegebenen oxidischen Zusammensetzungsbereichen zunächst zu einem Grundglas erschmolzen und danach einem Tempera tur-Zeit-Keramisierungsprozess unterworfen wird, der aus den folgenden Verfahrensstufen besteht: Keimbildungs- und nachfolgende Kristallisationsphase für Apatit, Keimbildungs- und nachfolgende Kristallisationsphase für Wollastonit, Überführen der kristal linen Phasen in ihre jeweiligen Hochtemperatur-Modifikationen, Abkühlphase. Besonders vorteilhafte Gemengezusammensetzungen bestehen aus 46,0 bzw. 22,6 Gew.-% SiO2, 16,0 bzw. 34,0 Gew. -% Ca(PO3)2 und 38,0 bzw. 43,4 Gew.-X CaO. In den nachfolgenden Tabellen sind Einzelbeispiele angegeben, wobei Tabelle 1 erfindungsgemässe Implan- tatmaterial-Zusammensetzungen in oxidischer Form enthält, während die Tabelle II die entsprechenden Verbindungen angibt, die als zusammengemischte chemische Komponenten das Gemenge zur Erzeugung eines Grundglases bilden. EMI6.1 <tb> Tabelle <SEP> 1 <SEP> <SEP> (Gew. <SEP> -%) <SEP> <tb> Nur. <SEP> so <SEP> P2O5 <SEP> CaO <tb> <SEP> <tb> 1 <SEP> 60,0 <SEP> 3,6 <SEP> - <SEP> 3624 <SEP> <tb> 2 <SEP> 35,0 <SEP> 3,6 <SEP> 61,4 <SEP> <tb> 3 <SEP> 46,0 <SEP> 11,5 <SEP> 42,5 <tb> 4 <SEP> 38,9 <SEP> 1190 <SEP> <SEP> 50,1 <SEP> <tb> 5 <SEP> 22,6 <SEP> 24,4 <SEP> 53,0 <tb> 6 <SEP> 8,0 <SEP> 37,3 <SEP> 54,7 <tb> EMI7.1 <tb> Tabelle <SEP> II <SEP> (Gew.-%) <SEP> <tb> Nr. <SEP> SiO <SEP> <SEP> Ca(PO <SEP> ) <SEP> <SEP> CaO <tb> 1 <SEP> 60,0 <SEP> 5,0 <SEP> 35,0 <tb> 2 <SEP> 35,0 <SEP> 5,0 <SEP> 60,0 <tb> 3 <SEP> 46,0 <SEP> 16w0 <SEP> <SEP> 38,0 <tb> 4 <SEP> 38,9 <SEP> 15,3 <SEP> <SEP> 45,8 <tb> 5 <SEP> 22,6 <SEP> 34,0 <SEP> 43,4 <tb> 6 <SEP> 8,0 <SEP> 52,0 <SEP> 40,0 <tb> Der Vorteil des erfindungsgemässen Materials besteht insbesondere darin, dass die Langzeitstabilität eines derartigen Implantates in vivo erheblich verbessert werden konnte. Die an Bedeutung immer mehr zunehmende Forderung des Osteochirurgen nach einem bioaktiven Implantatwerkstoff, aus dem ohne Einbusse der unverzichtbaren Eigenschaft der Bioaktivität ein permanent in situ verbleibendes - iso dauerhaft formschlüssig positionierbares - Implantat herstellbar ist, konnte mit dem et- f indungs gemässen glaskeramischen "Verbundwerkstoff" in bislang nicht gekanntem Masse realisiert werden; Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Eigenschaft die Bioaktivität - nämlich Ausbildung einer belastungsfähigen bindegewebsfreien Verbindung zwischen Knochen und alloplastischem Material - nicht an die Ionenabgabe des Implantatmaterials infolge Oberflächenlöslichkeit gebunden ist. Da eine Belastung des Organismus mit einer Ionenart ausgeschlossen werden kann, ist es auch nicht mehr notwendig, die entsprechenden Antagonisten anzubieten. Die Keramisierung der Grundgläser wird in der Weise durchgeführt, dass zunächst die Keimbildung für die Apatitphase induziert wird. Daran schliesst sich bei höherer Temperatur die Bildung der Wollastonitphase an. Die durch die Bildung der 2. Kristallphase in dem ternären System verursachte Reduzierung der Löslichkeit ist signifikant. Dies wird in Fig. 1 veranschaulicht. In dieser graphischen Darstellung wird die in vitro-Löslichkeit bioaktiver Glaskeramiken in einem wässrigen Medium (PH = 7) bei einer Temperatur von 90 C angegeben, wobei die Kurve a einer bekannten bioaktiven Glaskeramik zuzuordnen ist, während die Kurven b, c und d die Löslichkeitsverhältnisse bei einem erfindungsgemässen Material bzw. dessen Vorstufenwse folgt kennzeichnen: Kurve b: (glasiges) Grundglas Kurve c: partiell keramisierte Glaskeramik (1 kristalline Phase in glasiger Matrix) Kurve d: total keramisierte Glaskeramik (2 kristalline Phasen in glasiger Matrix) Auf der Abszisse ist die Einwirkungszeit in Tagen und auf der Ordinate die Löslichkeit des Materials in Milligramm pro Oberflächeneinheit ihm21 aufgetragen. In Fig. 2 wird ein Teilbereich (Glanzwinkel 6 zwischen 21 und 400) eines Röntgendiffraktometer Diagramms des Beispiels 3 von Tabelle I gezeigt. Auf der Ordinate ist die Reflexintensität in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Diese Zählrohrgoniometer-Aufnahme wurde bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Röntgenstrahlung: CuKa Wellenlänge: 1.5418 A Filter: Ni Spannung: 36 kV. Sie zeigt die für eine Identifizierung der Kristallin Anteile spezifischen Intensitäts-Peaks. Die für Wollastonit (CaSiO3) charakteristischen Intensitätsverteilungen gemäss ASTM-Karteikarte Nr. 29-372 wurden schraffiert dargestellt, während die für Hydroxylapatit (Ca5(P04)3OH) typischen Intensitätsmaxima sich ohne besondere Hervorhebung aus dem Kurvenverlauf er 0 geben, wobei der Haupt-Peak bei e = 31,6 noch um ca. 1/3 höher ist, als in Fig. 2 dargestellt. Die Identifizierung des Apatits gelang mit Hilfe der ASTM-Karteikarte Nr 9-432. Die vorliegende röntgenographische Phasenanalyse zeigt, dass das erfindungsgemässe, voll auskeramisierte Material (Beispiel 3) neben einem röntgenamorphen (glasigen) Matrix-Anteil zwei diskreten kristalline Phasen, nämlich Apatit und Wollastonit, aufweist. DiesesEnd-Produkt kann mithin als bioaktives glaskeramisches ¯Verbundmaterial" bezeichnet werden. Ein mikroskopisches Dünnschliffbild(mit gekreuzten Nicols) eines derartigen Werkstoffes wird in Fig. 3 gezeigt. Man erkennt einzelne grossflächige,spha"roli- thische Wollastonit-Kristallite und ihre linear verlaufenden Kristallit-Korngrenzen (die Korngrenzen wurden in der Abbildung verstärkt dargestellt), sowie eine Vielzahl kleinerer, isometrischer Apatit Kristalle.

Claims: A n s p r ü c h e 1. Bioaktives Implantatmaterial, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es aus 8 - 60 Gew.-% SiO2 3 - 40 Gew.-% P205 und 25 - 70 Gew.-% CaO besteht. 2. Implantatmaterial nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es aus 46,0 Gew.-% SiO2 11,5 Gew. -% P205 und 42,5 Gew.-% CaO besteht. 3. Implantatmaterial nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es aus 22,6 Gew.-% SiO2 24,4 Gew.-% P2O5 und 53,0 Gew.-% CaO besteht. 4. Implantatmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es eine Glaskeramik ist. 5. Implantatmaterial nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ihr kristalliner Anteil aus zwei diskreten Phasen besteht. 6. Implantatmaterial nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Phasen aus Kristalliten von Apatit und Wollastonit bestehen. 7. Implantatmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die diskreten Phasen aus ihren jeweiligen Hochtemperatur-Modifikationen bestehen. 8. Verfahren zur Herstellung eines Materials nach Anspruch 12 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t s dass ein Gemenge aus SiO2, Ca(P03)2 und CaO mit dem im Anspruch 1 angegebenen oxidischen Zusammensetzungsbereich zu einem Grundglas erschmolzen und danach einem Keramisierungsprozess mit den Verfahrensstufen (a) Keimbildungsphase für Apatit (b) Kristallisationsphase für Apatit (c) Keimbildungsphase für Wollastonit (d) Kristallisationsphase für Wollastonit (e) Erzeugung von Hochtemperatur-Modifikation en beider kristalliner Phasen (f) Abkühlphase unterworfen wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t s dass das Gemenge aus 46,0 Gew. 7o SiO2 16,0 Gew.-% Ca(PO3)2 und 38,0 Gew.-% CaO besteht. 10. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t , dass das Gemenge aus 22,6 Gew.-% SiO2 34,0 Gew.-% Ca(P03)2 und 43,4 Gew.-% CaO besteht.

Inventors: BROMER, HEINZ, DEUTSCHER, KLAUS-KONRAD, DR., FRANEK, HENNING, DR., BRÖMER, Heinz
Applicants: WILD LEITZ GMBH
Application year: 1984
Main classification: A61F2
IPC codes: A61L27, C03C10, A61F2