DE102005034421A1

DE102005034421A1 - Bioresorbierbares mineralisiertes Material zur Füllung von Knochendefekten

Info

Publication number: DE102005034421A1
Application number: DE102005034421A
Authority: DE
Inventors: Marco Dr. Springer; Arne Briest
Original assignee: Ossacur AG
Current assignee: Ossacur AG
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Es wird ein bioresorbierbares und mineralisiertes Material zur Füllung von Knochendefekten bereitgestellt, welches unter anderem eine Kollagenmatrix aus zusammengelagerten Kollagenketten aufweist, wobei im wesentlichen nur die Oberfläche der zusammengelagerten Kollagenketten mineralisiert ist. Vorteilhafterweise besitzt das Material osteoinduktive Eigenschaften.

Description

Die Erfindung betrifft in erster Linie ein bioresorbierbares und mineralisiertes Material zur Füllung von Knochendefekten.
Der natürliche Knochen besteht zu etwa 70 % aus anorganischen Komponenten, insbesondere aus Hydroxylapatit, und zu etwa 20 % aus organischen Komponenten, insbesondere aus Kollagen Typ I, die durch knochenbildende Zellen, sogenannte Osteoplasten, produziert und sezerniert bzw. angelagert werden, sowie zu etwa 10 % aus Wasser. Zu einem geringen Anteil sind auch sogenannte nicht-kollagene Proteine, insbesondere Osteocalcin, Osteonektin und Osteopontin, Zytokine, Wachstumsfaktoren, Proteoglycane sowie Fette vorhanden.
Der natürliche Knochen ist einem ständigen Ab- und Aufbau, einem sogenannten „Remodelling", unterworfen. Die Induktion der Knochenneubildung, die sogenannte Osteogenese, geht ebenso wie bei der Frakturheilung vom Knochen selbst aus. Der Knochen besitzt somit die voll ständige Information, um funktionellen Knochen zu bilden. Der Knochenregeneration können jedoch durch die Größe eines Defektes und vielfältige funktionelle Störungen, beispielsweise Stoffwechselerkrankungen, natürliche Grenzen gesetzt sein.
Die Behandlung von Knochendefekten in der medizinischen Versorgung spielt vor allem in der Orthopädie, Unfallchirurgie, Kiefer- und Zahnchirurgie sowie der Handchirurgie eine bedeutende Rolle. Knochendefekte können unterschiedliche Ursachen haben, beispielsweise können sie durch Zysten, Atrophien, Tumore etc. verursacht werden. Komplizierte Trümmerfrakturen, Mißbildungen und Implantatlockerungen stellen dabei die größten Herausforderungen an eine Therapie. Daher liegt der Fokus der Behandlung zunehmend auf der Rekonstruktion des Defektes durch geeignete Füllmaterialien.

Zur Füllung von Knochendefekten stehen eine Vielzahl verschiedener Materialien zur Verfügung, insbesondere solche, die schlecht oder gar nicht bioresorbierbar sind und solche, die im Körper resorbiert werden. Erstere bestehen beispielsweise aus porösen Calciumphosphat-Keramiken. Sie verfügen zwar über ausreichende osteokonduktive Eigenschaften, d. h. infolge des Vorliegens einer strukturgebenden Matrix über lasttragende Eigenschaften, haben aber den Nachteil, daß sie im Körper verbleiben und von dem neuen Knochen nur durchwachsen werden.

Bei den bioresorbierbaren Knochenersatzmaterialien handelt es sich häufig um synthetische Polymere, insbesondere um Polylactid oder Polyglycolid. Diese werden in vivo durch Hydrolyse abgebaut, was je nach eingesetztem Polymer zu einer Freisetzung von sauren Abbauprodukten, beispielsweise von Milchsäure oder Glycolsäure, und damit zu einer lokalen Übersäuerung im Körper führen kann.

Daher führte die Weiterentwicklung bioresorbierbarer Knochenersatzmaterialien zu Füllstoffen, die überwiegend aus natürlichem, insbesondere tierischem, vorzugsweise equinem, porcinem oder bovinem, Knochengewebe bestehen. Dabei handelt es sich häufig um demineralisierte Knochenmaterialien, bei welchen der anorganische Anteil (Mineralien) bis auf Spuren nahezu vollständig entfernt wurde. Die verbleibende organische Matrix, die im wesentlichen aus Kollagen besteht, kommt in ihrer Zusammensetzung und Struktur natürlichem Knochen sehr nahe. Dies bewirkt, daß das demineralisierte Knochenmaterial stabilisierende bzw. osteokonduktive Eigenschaften besitzt. Ein Beispiel für eine derartige Biomatrix ist der unter der Bezeichnung COLLOSS^® kommerziell erhältliche lyophilisierte renaturierte Kollagen-Extrakt der Anmelderin aus bovinem Knochen. Dabei unterstützt COLLOSS^® den Knochenwachstums- und Knochenneubildungsprozeß durch seine strukturelle Biokompatibilität. Allerdings können bei größeren zu behandelnden Knochendefekten die lasttragenden Fähigkeiten dieser Materialien nicht ausreichend sein. Insbesondere ist es häufig gerade in der Anfangszeit der Behandlung erforderlich, das betroffene Körpersegment zusätzlich durch metallische Werkstoffe, beispielsweise Platten oder Marknägel, zu stabilisieren.

Ein vielversprechender Ansatz zur Stabilitätserhöhung der auf Kollagen basierenden Knochenersatzmaterialien bietet die Mineralisierung von Kollagen (M. Gelinsky, U. König, A. Sewing, W. Pompe: Poröse Scaffolds aus mineralisiertem Kollagen – ein biomimetisches Knochenersatzmaterial. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2004, 35, No. 4). Allerdings wird dieser Ansatz unter denaturierenden Bedingungen durchgeführt. Durch die Denaturierung der Kollagenmatrix, insbesondere infolge einer Säurebehandlung, kann es zu einer Beeinträchtigung der osteoinduktiven Eigenschaften des Knochenersatzmaterials kommen, was mit Hinblick auf die Neubildung von körpereigenem Knochen- oder Knorpelgewebe möglichst vermieden werden soll.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein osteoinduktives Material zur Füllung von Knochendefekten bereitzustellen, welches im wesentlichen der natürlichen Knochenzusammensetzung entspricht. Dieses Material soll im Vergleich zu den herkömmlichen Knochenersatzmaterialien auf der Basis von Kollagen deutlich verbesserte osteokonduktive Eigenschaften aufweisen, also eine verbesserte lasttragende und/oder volumenstabile (volumenstabilisierende) Funktion beim Wiederaufbau von körpereigenen Knochen besitzen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Material, wie es im Anspruch 1 beschrieben ist. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Materials sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 18 ausgeführt. Formkörper, die zumindest teilweise aus dem erfindungsgemäßen Material bestehen, sind in den Ansprüchen 19 bis 21 dargestellt. Die Ansprüche 22 bis 28 beziehen sich auf ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers zur Füllung von Knochendefekten. Durch Bezugnahme wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Bei dem erfindungsgemäßen Material zur Füllung von Knochendefekten handelt es sich um ein bioresorbierbares und mineralisiertes Material, das unter anderem eine Kollagenmatrix aus zusammengelagerten bzw. aggregierten Kollagenketten bzw. -molekülen aufweist, wobei im wesentlichen nur die Oberfläche der zusammengelagerten bzw. der einzelnen sich zusammenlagernden Kollagenketten mineralisiert ist, d. h. von Kristalliten einer mineralischen Substanz umhüllt ist. In bevorzugter Weise handelt es sich bei dem Kollagen hauptsächlich um Kollagen Typ I.

Bei dem zu mineralisierenden Material kann es sich um eine native Kollagenmatrix mit tripelhelicalen Kollagenketten (einzelne Kollagenketten sind zu einer Tripelhelix zusammengelagert) handeln. Dies ist besonders bevorzugt, da das daraus resultierende Netzwerk aus Kollagenfa sern und/oder -fibrillen in seinem natürlichen Zustand vorliegt und nicht in eine künstliche räumliche Anordnung gebracht werden muß. Dies hat zur Folge, daß bereits die im natürlichen Zustand belassene organische Matrix aus Kollagen osteokonduktive bzw. lasttragende und/oder volumenstabile Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise ist die native Kollagenmatrix, insbesondere eine Matrix vom Kollagen Typ I, sowohl innerhalb der Matrix als auch an ihrer Oberfläche mineralisiert. Dies trägt zu einer zusätzlichen Erhöhung der osteokonduktiven Eigenschaften der Kollagenmatrix bei.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Material eine ursprünglich denaturierte und anschließend wieder renaturierte Kollagenmatrix, wobei die Kollagenketten zu einer Überstruktur, vorzugsweise einer netzähnlichen Struktur, zusammengelagert sind. Vorteilhafterweise handelt es sich bei einer solchen Kollagenmatrix um das Material COLLOSS^® der Anmelderin.

Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß ein Teil der Kollagenketten in einer tripelhelicalen Struktur vorliegt, so daß die renaturierte Kollagenmatrix, insbesondere COLLOSS^®, sowohl Bereiche mit tripelhelicalen Strukturen, als auch mit Überstrukturen, insbesondere netzähnlichen Strukturen, aufweist.

Vorzugsweise enthält die Kollagenmatrix sowohl natives Kollagen als auch renaturiertes Kollagen. Bei dem nativen Kollagen handelt es sich bevorzugt um reines Kollagen, insbesondere um Kollagen vom Typ I, welches beispielsweise aus Sehnen oder Haut hergestellt ist. Das native Kollagen dient aufgrund seiner bereits erwähnten osteokonduktiven Eigenschaften als Stabilisierungskomponente für die Struktur der renaturierten Kollagenmatrix, vorzugsweise von COLLOSS^®.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt das erfindungsgemäße Material osteoinduktive Eigenschaften. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Material selbst durch das Vorliegen einer nativen oder renaturierten Kollagenmatrix bereits osteoinduktive Eigenschaften auf. Es kann aber auch bevorzugt sein, eine Osteoinduktivität des Materials durch Dotierung mit entsprechenden osteoinduktiven Wirkstoffen zu erzielen.

Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Material mindestens einen Wirkstoff auf, insbesondere einen die Osteogenese aktivierenden und/oder stimulierenden Wirkstoff. Dies kann besonders bevorzugt sein, um die osteoinduktiven Eigenschaften des mineralisierten Materials zu verstärken. Vorzugsweise ist der Wirkstoff nativen Ursprungs. Unter einem solchen Wirkstoff soll ein in seiner natürlichen Struktur (Konformation) vorliegender bzw. nativer Wirkstoff verstanden werden, der in einer im wesentlichen nativen oder renaturierten Kollagenmatrix vorliegt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Wirkstoff innerhalb der Kollagenmatrix und/oder auf deren Oberfläche vorliegen kann. Bei dem Material COLLOSS^® der Anmelderin handelt es sich um eine Kollagenmatrix, die mindestens einen nativen Wirkstoff, vorzugsweise mehrere der im folgenden beschriebenen Wirkstoffe, aufweist.

Mit Vorteil enthält das erfindungsgemäße Material sogenannte Rekrutierungsfaktoren, insbesondere Chemotaktika (Chemotaxine), beispielsweise Leukotriene, welche gezielt Körperzellen, vorzugsweise mesenchymale Stammzellen, Knorpelvorläuferzellen, Fibroblasten und/oder Thrombozyten, zu einer Penetration des bioresorbierbaren und mineralisierten Materials veranlassen.

Es kann auch bevorzugt sein, daß das erfindungsgemäße Füllmaterial sogenannte Adhäsionsfaktoren zur Immobilisierung der eingewanderten Zellen auf bzw. in dem mineralisierten Material enthält. Das erfindungs gemäße Material zeichnet sich in vorteilhafter Weise dadurch aus, daß es insbesondere Cytotactin, Tenascin, Laminin und/oder Fibronectin als Adhäsine enthält.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erfindungsgemäße Material Wachstums-und/oder Maturationsfaktoren zur Proliferation und Differenzierung der eingewanderten Zellen, insbesondere Cytokine, auf. Vorzugsweise handelt es sich bei den Wachstumsfaktoren um Knochenwachstumsfaktoren, beispielsweise um BMP (bovine morphogenetic protein), insbesondere BMP-II, BMP-VII und/ oder BMP-IV, sowie um IGF (insuline like growth factor), insbesondere um IGF-I, und um TGF (transforming growth factor), insbesondere TGF-βI. Vorzugsweise enthält das erfindungsgemäße Material FGF (fibroblast growth factor) und PDG (platelet derived growth factor) als weitere Wachstumsfaktoren.

Mit Vorteil kann das bioresorbierbare und mineralisierte Material eine Kombination der oben beschriebenen Wirkstoffe besitzen. Dies kann besonders bevorzugt sein, um überadditive bzw. synergistische Effekte bei der Rekonstruktion eines Knochendefektes durch körpereigenes Material zu erzielen. Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, daß sich die Wirkstoffe, insbesondere die bereits erwähnten Wirkstoffe, bezüglich ihrer Funktion und Wirkungsweise teilweise überlappen. Auf diese Weise kann in vorteilhafter Weise der Ausfall eines oder mehrerer Wirkstoffe kompensiert werden, ohne daß es zu einer Beeinträchtigung, insbesondere zu einer Verringerung ihres Wirkungserfolgs, vorzugsweise der Osteoinduktivität, kommt. Bezüglich der oben beschriebenen Beispiele für native Wirkstoffe wird auf die EP 0 500 556 B1 verwiesen.

Außerdem kann es bevorzugt sein, daß das bioresorbierbare und mineralisierte Material einen antimikrobiotischen Stoff aufweist. Mit Vorteil handelt es sich bei dem antimikrobiotischen Stoff um ein Antibiotikum, das mögliche Immunabwehrreaktionen im Körper vermeidet bzw. unterdrückt.

Weiterhin ist es möglich, daß das Material mit einem Zytostatikum ausgerüstet ist. Dies ist besonders bei krebsartigen Veränderungen im Bereich des Knochendefektes und/oder des umliegenden Gewebes vorteilhaft. Aber auch der Einsatz von anderen Wirkstoffen, beispielsweise von Antikörpern, insbesondere aus therapeutischen Gründen, kann in diesem Zusammenhang sinnvoll sein. In einer Weiterbildung der Erfindung können die verschiedenen beispielhaft aufgeführten Wirkstoffe sowie andere Wirkstoffe miteinander kombiniert werden, um besonders vorteilhafte Effekte, insbesondere überadditive bzw. synergistische Effekte, zu erzielen. Bezüglich der Kompensation eines Wirkstoffausfalls wird auf das bisher Erwähnte Bezug genommen.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße Material an der Oberfläche der zusammengelagerten Kollagenketten mit Calciumphosphat und/oder Calciumcarbonat und/oder Hydroxylapatit mineralisiert. Calciumphosphat ist in Form des Hydroxylapatits (Calciumphosphathydroxid) Hauptbestandteil der mineralischen Knochensubstanz, die 50 % des Knochenvolumens ausmacht. Zusammen mit Calciumcarbonat bestimmt es im wesentlichen die Härte des natürlichen Knochens. Sowohl Calciumphosphat als auch Calciumcarbonat eignen sich daher in bevorzugter Weise, um die osteokonduktiven Eigenschaften bzw. die lasttragenden Eigenschaften einer Kollagenmatrix zu erhöhen. Durch die oberflächliche Calciumphosphat- und/oder Calciumcarbonatablagerung auf den zusammengelagerten Kollagenketten kommt es zu einer nachträglichen Verstärkung der Kollagenmatrix.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist das erfindungsgemäße Material Poren, vorzugsweise interkonnektierende Poren, auf. Letzteres be deutet, daß die Porenstruktur nicht nur zwischen den einzelnen Partikeln des erfindungsgemäßen Materials, sondern auch innerhalb der Partikel optimiert ist. Außerdem ist die interkonnektierende Porösität in besonders vorteilhafter Weise auch für Zellen zugänglich. Weiterhin kann es bevorzugt sein, die hier beschriebenen Wirksubstanzen, aber auch alle anderen Wirksubstanzen, an der inneren und/oder äußeren Oberfläche des erfindungsgemäßen Materials zu präsentieren, um diese Substanzen für den Körper, insbesondere für körpereigene Zellen, verfügbar zu machen.

In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Poren des erfindungsgemäßen Materials Porendurchmesser von mindestens 100 μm, insbesondere Porendurchmesser zwischen 100 und 300 μm, vorzugsweise von ca. 200 μm. Dies ist besonders vorteilhaft, da für das Einwachsen von Knochenzellen in das poröse erfindungsgemäße Material Porendurchmesser von mindestens 100 μm erforderlich sind. Dadurch wird die Integration des erfindungsgemäßen Materials im Körper sowie dessen Abbau bzw. Resorption gefördert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Material sterilisiert bzw. liegt in sterilisierter Form vor. Für die Sterilisation des erfindungsgemäßen Materials kommen eine Vielzahl konventioneller Verfahren in Betracht. Bevorzugt ist die Sterilisation des bioresorbierbaren und mineralisierten Materials durch radioaktive Bestrahlung, vorzugsweise durch Gamma-Bestrahlung. Weiterhin ist es bevorzugt, daß das erfindungsgemäße Material mit Ethylenoxid begast wird.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Material aseptisch behandelt und/oder hergestellt, beispielsweise durch Verwendung von sterilfiltrierten Antibiotikalösungen, vorzugsweise einer sterilfiltrierten Gentamycinlösung. Dies kann besonders bevorzugt sein, da auf diese Weise die möglichen Probleme einer Sterilisation, bei spielsweise eine nachteilige Beeinflussung der zugegebenen Wirkstoffe und/oder der osteoinduktiven Eigenschaften des Materials, vermieden werden.

Erfindungsgemäß liegt das Material in verpackter Form, insbesondere in steril verpackter Form, vor. In einer solchen Verpackung kann das Material über einen längeren Zeitraum, insbesondere über einen Zeitraum von mehreren Monaten, gelagert werden, ohne daß es dabei zu einer Beeinträchtigung der Wirkung des bioresorbierbaren und mineralisierten Materials, insbesondere zu einer Beeinträchtigung seiner osteoinduktiven Eigenschaften, kommt. Im Falle der Anwendung kann das Material in einfacher Weise aus der Verpackung entnommen und eingesetzt werden. Um die Sterilität des erfindungsgemäßen Materials zu erzielen, kann es auch bevorzugt sein, das Material innerhalb der Verpackung zu sterilisieren, beispielsweise durch Bestrahlung oder Ethylenoxidbegasung. Als Verpackungsmaterialien eignen sich insbesondere Kunststoffmaterialien.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Material zusätzlich eine Mischung aus einer überwiegend nativen und/oder renaturierten Kollagenmatrix und Hyaluronsäure, wobei die Mischung im wesentlichen räumlich getrennt von der mineralisierten Kollagenmatrix vorliegt. Vorzugsweise enthält die Mischung COLLOSS^® als zusätzliche Kollagenkomponente. Die Hyaluronsäure ist Bestandteil der sogenannten Synovialflüssigkeit, die als „Gelenkschmiere" für die Nährstoffversorgung des Knorpels durch Diffusion verantwortlich ist. In bevorzugter Weise eignet sich die Zusammensetzung aus mineralisierter Kollagenmatrix und der Mischung aus einer überwiegend nativen Kollagenmatrix und Hyaluronsäure, bevorzugt auch gemeinsam mineralisiert, zur Behandlung von chondralen Defekten, insbesondere von osteochondralen Defekten.

Bei den zuletzt genannten Ausführungsformen ist es bevorzugt, daß die räumlich getrennten Anteile dieser Zusammensetzung physisch miteinander verbunden sind, insbesondere durch eine chemische Quervernetzung. Vorzugsweise ist die Zusammensetzung mit einem Carbodiimid, insbesondere mit N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC), quervernetzt. Die chemische Quervernetzung führt zu einer weiteren Stabilisierung dieses erfindungsgemäßen Materials.

Die Erfindung umfaßt außerdem einen Formkörper zur Füllung von Knochendefekten, wobei dieser Formkörper ein erfindungsgemäßes Material mit den oben beschriebenen Eigenschaften aufweist, vorzugsweise aus diesem Material besteht. Unter Formkörper sind also Aggregate aus mineralisierter, im wesentlichen nativer und/oder renaturierter Kollagenmatrix zu verstehen, die gegebenenfalls eine weitere Komponente, beispielsweise eine Mischung aus überwiegend nativer und/oder renaturierter Kollagenmatrix und Hyaluronsäure, enthalten. Vorzugsweise liegen diese Formkörper als dreidimensionale Formkörper, insbesondere als Balken, Ringe oder Zylinder, vorzugsweise als Hohlzylinder, vor. Es ist aber auch möglich, daß die Formkörper als Quader, Scheiben oder Ähnliches vorliegen. Es lassen sich Formkörper beliebiger Formen erstellen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Formkörper um einen Hohlzylinder, dessen Hohlraum einen nicht mineralisierten Stoff, insbesondere Kollagen, vorzugsweise Kollagen vom Typ I, aufweist. Der Hohlraum des Hohlzylinders kann mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, mit dem nicht mineralisierten Stoff, insbesondere Kollagen, befällt sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Innenfläche des Hohlzylinders mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, mit dem nicht mineralisierten Stoff, insbesondere Kollagen, beschichtet ist. Bei dem Kollagen kann es sich insbesondere um ein Kollagen handeln, wie es in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben ist, wobei ein mindestens einen Wirkstoff, vorzugsweise mehrere Wirkstoffe, aufweisendes Kollagen, insbesondere COLLOSS^©, besonders bevorzugt ist. Bezüglich der Wirkstoffe wird auf die obige Beschreibung verwiesen, wobei die Osteogenese aktivierende und/oder stimulierende Wirkstoffe besonders bevorzugt sind. Der Hohlzylinder kann auf einer oder auf beiden Seiten offen sein, d. h. eine Öffnung mit einem bestimmten Durchmesser (Innendurchmesser des Hohlzylinders) aufweisen. Vorzugsweise ist der Hohlzylinder auf beiden Seiten offen. Die offene und insbesondere poröse (siehe bisherige Beschreibung) Struktur des Hohlzylinders erlaubt den Durchtritt von Körperzellen, insbesondere von Knochenzellen bzw. deren Vorläuferzellen, in den Hohlraum des Zylinders.

Der Hohlzylinder ist insbesondere weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß er einen Außendurchmesser von 10 bis 20 mm, vorzugsweise von 10 bis 15 mm, und einen Innendurchmesser von 3 bis 12 mm aufweist. Der Hohlzylinder kann vorzugsweise eine Länge von 20 bis 60 mm, insbesondere 30 bis 50 mm, vorzugsweise von ca. 40 mm, aufweisen. Vorzugsweise besitzt der Hohlzylinder einen Außendurchmesser von 10 bis 15 mm, einen Innendurchmesser von 3 bis 12 mm und eine Länge von ca. 40 mm, da das daraus resultierende Gesamtvolumen des Hohlzylinders (einschließlich dem Volumen des Hohlraumes) ungefähr dem Volumen bzw. Zwischenraum zwischen zwei menschlichen Wirbelknochen entspricht. Daher eignet sich der Hohlzylinder insbesondere zur Stabilisierung von vorzugsweise menschlichen Wirbelknochen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Formkörper durch eine chemische Quervernetzung, insbesondere mit einem Carbodiimid, vorzugsweise mit N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC), weiter stabilisiert. Weiterhin können die Formkörper durch Eintrag eines Bindemittels und/oder Salzes stabilisiert sein. Die so erhaltenen Formkörper behalten ihre Grundform nach Befeuchten mit Flüssigkeiten. Bevorzugt können sie nach einer Kompression ihre Ur sprungsform annähernd wiederfinden, d. h. sie verfügen über elastische Eigenschaften.

Schließlich umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem flüssigen Medium, vorzugsweise zur Füllung von Knochendefekten, d. h. im wesentlichen aus einem Material mit den oben beschriebenen Eigenschaften, umfassend die Schritte

– Abscheidung einer mineralischen Substanz, vorzugsweise aus ihren gelösten ionogenen Komponenten, auf eine Kollagenmatrix,
– Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix,
– Abtrennung der mineralisierten Kollagenmatrix,
– Überführung der mineralisierten Kollagenmatrix in eine Suspension,
– Überführung der Suspension in eine den Formkörper definierende Form,
– Gefriertrocknung der Suspension in der Form.

Bevorzugt werden Lösungen, insbesondere wäßrige Lösungen, der ionogenen Komponenten, die die abzuscheidende mineralische Substanz bilden, zu einer Kollagensuspension hinzugegeben. Bevorzugt enthält die Suspension natives oder renaturiertes Kollagen, vorzugsweise COLLOSS^®. Weiterhin ist es möglich, daß die Mineralien ein Abfallprodukt des COLLOSS^®-Herstellungsprozesses sind und wieder zu einer COLLOSS^® Suspension hinzugegeben werden.

In besonders bevorzugter Weise wird die Abscheidung der mineralischen Substanz im wesentlichen nur auf der Oberfläche der Kollagenmatrix, vorzugsweise auf der Oberfläche der zusammengelagerten Kollagenketten, vorgenommen. Die Abscheidung der mineralischen Substanz wird in einem neutralen pH-Bereich, insbesondere in einem pH-Bereich zwischen 6 und 8, vorzugsweise bei einem pH-Wert von 7, durchgeführt, um die selektive oberflächliche Abscheidung auf der Kollagenmatrix zu erzielen.

Vorzugsweise wird die Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix durch Überschreitung des Löslichkeitsprodukts der mineralischen Substanz in Lösung erzielt. Dies ist äußerlich an der Bildung eines Niederschlags, der im wesentlichen mineralisiertes Kollagen enthält, erkennbar. Dabei müssen die Versuchsparameter, insbesondere die Konzentration der mineralischen Substanz und der pH-Wert, so eingestellt werden, daß eine synchrone Assemblierung des Kollagens und der mineralischen Substanz stattfindet.

Vorteilhafterweise wird die Ausfällung der Kollagenmatrix mit Calciumphosphat und/oder Calciumcarbonat und/oder Hydroxylapatit als mineralischer Substanz durchgeführt.

Erfindungsgemäß kann es bevorzugt sein, daß vor Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix, vorzugsweise vor Abscheidung der mineralischen Substanz auf der Kollagenmatrix, natives reines Kollagen, insbesondere Kollagen vom Typ I, hinzugegeben wird. Vorteilhafterweise wird das native reine Kollagen in Form einer Suspension hinzugegeben. Das hinzugegebene Kollagen dient, wie bereits erwähnt, als Stabilisierungskomponente und führt zu einer Verstärkung der Struktur, insbesondere zu einer Erhöhung der osteokonduktiven Eigenschaften, der Kollagenmatrix, vorzugsweise von COLLOSS^©. Eine anschließend durchgeführte Mineralisierung (Abscheidung der mineralischen Substanz auf der Kollagenmatrix und Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix) führt dazu, daß die zu stabilisierende Kollagenmatrix, vorzugsweise COLLOSS^®, und das native reine Kollagen gemeinsam von einer Schicht der mineralischen Substanz bedeckt sind.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Mineralisierung der Kollagenmatrix, vorzugsweise von COLLOSS^®, und des nativen reinen Kollagens, insbesondere des Kollagens vom Typ I, getrennt durchgeführt. Die daraus resultierenden Suspensionen aus mi neralisierter Kollagenmatrix und mineralisiertem nativen reinen Kollagen werden gemischt und insbesondere nach einem der folgenden Schritte weiterverarbeitet.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mineralisierte Kollagen nach Ausfällung beispielsweise durch Zentrifugation von der Lösung abgetrennt.

Das von der Lösung abgetrennte mineralisierte Kollagen wird erfindungsgemäß in eine vorzugsweise gießbare und homogene Suspension überführt. Diese Suspension kann in entsprechende Formvertiefungen, insbesondere in die Vertiefungen einer sogenannten Wellplatte, beispielsweise einer 24er oder 96er Wellplatte, insbesondere aus Polystyrol, gegossen werden. Durch eine Gefriertrocknung können, abhängig von den Formen der Vertiefungen, unterschiedliche dreidimensionale, vorzugsweise poröse Formkörper, insbesondere Balken, Ringe, Zylinder, vorzugsweise Hohlzylinder, Scheiben, Quader oder Ähnliches, hergestellt werden, wobei die Herstellung von Hohlzylindern besonders bevorzugt ist. Durch Wahl der Geschwindigkeit und der Temperatur des Gefriertrocknungsprozesses kann die Porengröße in besonders vorteilhafter Weise beeinflußt werden. Bevorzugt werden die in die Formvertiefungen einer Wellplatte überführten Suspensionsvolumina bei Temperaturen zwischen –10 °C und –40 °C langsam eingefroren und in einem Ölpumpenvakuum gefriergetrocknet.

Vorzugsweise werden die so erhaltenen Formkörper durch eine chemische Quervernetzung, insbesondere mit einem Carbodiimid, vorzugsweise mit N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC), quervernetzt. In vorteilhafter Weise behalten die so hergestellten Formkörper nach Befeuchten mit Flüssigkeiten ihre Grundform und finden außerdem nach Kompressionen ihre Ursprungsform annähernd wieder.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein aus nativem reinen Kollagen, insbesondere aus Kollagen vom Typ I, bestehender Formkörper mit der Kollagenmatrix, vorzugsweise COLLOSS^©, dotiert bzw. modifiziert werden. Die Kollagenmatrix, vorzugsweise COLLOSS^©, kann in Form einer Suspension oder eines Gels auf den Formkörper, insbesondere einen Kollagenschwamm, aufgebracht und vorzugsweise durch Gefriertrocknung mit diesem verbunden werden.

Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Material zur Füllung von Knochendefekten handelt es sich um ein Knochenersatzmaterial, das in besonders vorteilhafter Weise osteoinduktive mit osteokonduktiven Eigenschaften kombiniert. Dies geschieht vorzugsweise durch die nachträgliche Verstärkung der Kollagenmatrix durch die Ablagerung einer mineralischen Substanz auf der Oberfläche der Kollagenfibrillen. Die mechanische Verstärkung der im wesentlichen nativen oder renaturierten Kollagenmatrix bedingt den Erhalt von osteoinduktiven Eigenschaften des Materials, welche gezielt durch die Zugabe weiterer die Induktion der Osteogenese stimulierender Stoffe verstärkt werden kann. Das erfindungsgemäße Material eignet sich daher in ganz besonderer Weise zur Behandlung großer und komplizierter Knochendefekte, bei denen eine ausreichende Stabilität des Knochenersatzmaterials und ein raschen Einwachsen von Knochenzellen in das Knochenersatzmaterial erforderlich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand eines Beispiels in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein.
1 g Kollagensuspension (COLLOSS^® der Anmelderin) wird mit Wasser auf 1 I aufgefüllt und anschließend unter kräftigem Rühren sequentiell mit folgenden Lösungen versetzt: 500 ml destilliertes Wasser, 180 ml 0,1 molare Calciumchloridlösung, 116 ml 2 molare Natriumchloridlösung, 168 ml 0,5 molare Trispuffer (pH = 7,52) und 22,6 ml 0,5 molarer Phosphatpuffer nach Sörensen (pH = 7,40). Die Mischung wird mit destilliertem Wasser auf 2 I aufgefüllt und für 12 Stunden bei 35 °C im Wasser stehengelassen. Der sich bildende farblose, gallertartige Niederschlag wird abzentrifugiert und anschließend mit soviel Mutterlauge wieder aufgerührt, daß eine gießbare und homogene Suspension entsteht. Zur Herstellung der zylindrischen Standardproben werden jeweils ca. 2,5 ml der Suspension in die Vertiefungen einer 24er Zellkultur-Wellplatte aus Polystyrol gegossen und bei –25 °C langsam eingefroren. Das gefrorene Material wird im Ölpumpenvakuum gefriergetrocknet und anschließend in einer 1 %igen Lösung von N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimidhydrochlorid (EDC, Firma Aldrich) in 80 %igem Ethanol für 1 Stunde chemisch quervernetzt. Die porösen Scaffolds werden anschließend gründlich mit destilliertem Wasser, dann mit einer 1 %igen Glycinlösung und zuletzt noch einmal mit Wasser gewaschen und dann erneut gefriergetrocknet. Die Scaffolds werden zwecks Sterilität entweder aseptisch hergestellt, gamma-sterilisiert oder mit Ethylenoxid begast. Bei dem so erhaltenen Produkt sind jeweils die einzelnen Kollagenketten, die die netzähnliche Struktur bilden, von Calciumphosphatkristalliten umhüllt.

Claims

Bioresorbierbares und mineralisiertes Material zur Füllung von Knochendefekten, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Kollagenmatrix aus zusammengelagerten Kollagenketten aufweist, wobei im wesentlichen nur die Oberfläche der zusammengelagerten Kollagenketten mineralisiert ist.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollagenmatrix natives und/oder renaturiertes Kollagen enthält.
Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem nativen Kollagen um reines Kollagen, insbesondere um Kollagen vom Typ I, handelt.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollagenketten zu einer tripelhelicalen Struktur zusammengelagert sind.
Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollagenketten zu einer Überstruktur, vorzugsweise einer netzähnlichen Struktur, zusammengelagert sind.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es osteoinduktive Eigenschaften besitzt.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Wirkstoff aufweist.
Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Wirkstoff nativen Ursprungs handelt.
Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Rekrutierungs- und/oder Adhäsions- und/oder Wachstums- und/oder Maturationsfaktor handelt.
Material nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Zytostatikum und/oder einen antimikrobiotischen, insbesondere antibiotischen, Stoff handelt.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der zusammengelagerten Kollagenketten mineralisiert ist, insbesondere mit Calciumphosphat und/oder Calciumcarbonat und/oder Hydroxylapatit.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Poren, vorzugsweise interkonnektierende Poren, aufweist.
Material nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren Porendurchmesser von mindestens 100 μm, insbesondere Porendurchmesser zwischen 100 und 300 μm, vorzugsweise von ca. 200 μm, besitzen.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sterilisiert ist, vorzugsweise durch Gamma-Bestrahlung und/oder Ethylenoxidbegasung, und/oder aseptisch behandelt und/oder hergestellt ist.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in verpackter Form, insbesondere in steril verpackter Form, vorliegt.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich eine Mischung aus einer überwiegend nativen und/oder renaturierten Kollagenmatrix und Hyaluronsäure enthält, bevorzugt gemeinsam mineralisiert, wobei die Mischung im wesentlichen räumlich getrennt von der reinen mineralisierten Kollagenmatrix vorliegt.
Material nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und die mineralisierte Kollagenmatrix miteinander verbunden sind, insbesondere durch eine chemische Quervernetzung.
Material nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung und die mineralisierte Kollagenmatrix mit einem Carbodiimid, insbesondere mit N-(Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid (EDC), quervernetzt sind.
Formkörper zur Füllung von Knochendefekten, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, vorzugsweise aus diesem Material besteht.
Formkörper nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß er als dreidimensionaler Formkörper, insbesondere als Balken, Ring oder Zylinder, vorzugsweise als Hohlzylinder, vorliegt.
Formkörper nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder einen Hohlraum besitzt, der einen nicht mineralisierten Stoff, insbesondere Kollagen, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers zur Füllung von Knochendefekten aus einem flüssigen Medium, insbesondere aus im wesentlichen einem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte – Abscheidung einer mineralischen Substanz, vorzugsweise aus ihren gelösten ionogenen Komponenten, auf einer Kollagenmatrix, – Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix, – Abtrennung der mineralisierten Kollagenmatrix, – Überführung der mineralisierten Kollagenmatrix in eine Suspension, – Überführung der Suspension in eine den Formkörper definierende Form, – Gefriertrocknung der Suspension in der Form.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der mineralischen Substanz im wesentlichen nur auf der Oberfläche der Kollagenmatrix vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix durch Überschreitung des Löslichkeitsprodukts der mineralischen Substanz initiiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfällung der Kollagenmatrix mit Calciumphosphat und/oder Calciumcarbonat und/oder Hydroxylapatit als mineralischer Substanz durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß vor Ausfällung der mineralisierten Kollagenmatrix, insbesondere vor Abscheidung der mineralischen Substanz auf der Kollagenmatrix, natives reines Kollagen, vorzugsweise in Form einer Suspension, hinzugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Suspension der mineralisierten Kollagenmatrix und eine Suspension des mineralisierten nativen reinen Kollagens, gemischt und weiterverarbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus nativem reinem Kollagen, insbesondere aus Kollagen vom Typ I, bestehender Formkörper mit der Kollagenmatrix modifiziert wird.