DE102009041248A1

DE102009041248A1 - Bioaktiv beschichtete Metallimplantate und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102009041248A1
Application number: DE102009041248A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dr. Nies; Stefan Glorius; Sophie Dr. Rössler
Original assignee: InnoTERE GmbH
Current assignee: InnoTERE GmbH
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-05-05
Also published as: WO2011026938A1; EP2473652A1; US20120271431A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer teilweisen oder vollständigen bioaktiven Beschichtung eines auf Eisen und/oder Zink basierenden, metallischen Implantatmaterials mit Calciumphosphaten und ein bioaktiv beschichtetes, auf Eisen und/oder Zink basierendes metallisches Implantat, welches teilweise oder vollständig mit Calciumphosphaten beschichtet ist. Für die erfindungsgemäße Herstellung der Beschichtung werden auf Eisen und/oder Zink basierende metallische Implantatmaterialien mit sauren wässrigen Lösungen, die einen pH-Wert von 6,0 oder weniger aufweisen und die Calciumphosphate enthalten, in Kontakt gebracht, wodurch sich auf der Oberfläche der Implantatmaterialien eine Calciumphosphatschicht abscheidet. Bestandteil der Erfindung sind auch bioaktiv beschichtete, auf Eisen und/oder Zink basierende metallische Implantatmaterialien, welche teilweise oder vollständig mit Calciumphosphaten beschichtet sind, sowie Knochenimplantate, die die erfindungsgemäßen Implantatmaterialien enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer teilweisen oder vollständigen bioaktiven Beschichtung eines auf Eisen und/oder Zink basierenden, metallischen Implantatmaterials mit Calciumphosphaten und bioaktiv beschichtete, auf Eisen und/oder Zink basierende metallische Implantatmaterialien, welches teilweise oder vollständig mit Calciumphosphaten beschichtet ist.
Metallische Implantatmaterialien für den Knochen werden häufig bioaktiv beschichtet, um die Einheilung in den Knochen und die dauerhafte Verankerung des Implantats zu fördern. Unter Bioaktivität versteht man die Eigenschaft eines Materials in (simulierter) Körperflüssigkeit die Bildung einer Calciumphosphatschicht an seiner Oberfläche zu fördern oder auszulösen und somit eine direkte Anbindung an den Knochen, also eine Verwachsung mit demselben, zu stimulieren.
Klinisch etabliert sind Implantate mit sogenannten Plasma-Spray-Beschichtungen, bei denen Calciumphosphatpulver in einer Plasmaflamme hocherhitzt und auf die zu beschichtende Metalloberfläche aufgetragen werden.
Neuere Beschichtungsverfahren nutzen die Calciumphosphatabscheidung aus wässrigen Lösungen, wobei ggf. die Calciumphosphatabscheidung mittels elektrochemisch gestützter Prozesse abläuft (siehe z. B. US 6,764,769 , Kotte, Hofinger, Hebold). Verwendete metallische Implantatmaterialien sind in diesem Zusammenhang Titan oder Titanlegierungen, CoCrMo-Legierungen oder Edelstähle.
Aus dem Stand der Technik bekannte metallische Implantatmaterialen können eine solide Metallstruktur oder komplexe Metallstrukturen aufweisen. Komplexe Strukturen sind beispielsweise poröse Strukturen, wie zellulare Strukturen.
Für komplex geformte metallische Implantate, insbesondere solche, die eine zellulare Struktur aufweisen, sind die bisher bekannten Beschichtungsmethoden allerdings unzureichend. Plasma-Spray-Beschichtungen scheiden hier prinzipiell aus, da sie als „line of sight” Verfahren keine Hinterschneidungen beschichten können.
Mit den bekannten Beschichtungsprozessen für Calciumphosphate aus wässrigen Lösungen werden ebenfalls keine befriedigenden Ergebnisse erzielt, insbesondere wenn die Beschichtung aus Hydroxylapatit oder Calcium-defizientem Hydroxylapatit bestehen soll.
In diesen Fällen dauert der Beschichtungsvorgang sehr lange und es können nur sehr dünne und inhomogene Schichten erzeugt werden – im oben zitierten Patent werden trotz elektrochemischer Unterstützung Schichtdicken von > 1 bis 5 μm bereits als dicke Beschichtungen beansprucht. Die Schichten weisen keine homogene Oberflächenstruktur auf, da besondes Calciumphosphate mit hohem Wasseranteil in die Schichten eingelagert werden, was beim Trocknen zur Bildung von feinen Inhomogenitätender Oberfläche, wie z. B. Rissen, beitragen kann.
Für Implantate aus komplexen Metallstrukturen und insbesondere zellularen Metallstrukturen steht daher bisher kein geeignetes Verfahren zur Verfügung, mit dem eine homogene bioaktive Beschichtung mit Calciumphosphaten erzeugt werden kann, insbesondere keine, mit der homogene Beschichtungen mit einer Dicke von mehr als 5 μm erzeugt werden können. Der Grund für diese Limitierung ist in der stark pH-Wert-abhängigen Löslichkeit von Calciumphosphaten zu sehen. Für die direkte Abscheidung von Hydroxylapatit aus wässrigen Lösungen ist ein pH-Wert von > 7,0 erforderlich. Bei diesem Wert ist allerdings die Löslichkeit der Calciumphosphate bereits sehr gering, so dass entsprechend große Mengen an wässriger Lösung benötigt werden, um eine bestimmte Menge von Calciumphosphat abzuscheiden. Zusätzlich sind lange Beschichtungszeiträume, aufwendige Perfusionsanlagen, elektrochemische Ausrüstungen und/oder aufwendige Prozessführungen mit wiederholten Beschichtungs- und Trocknungsschritten erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung einer teilweisen oder vollständigen bioaktiven Beschichtung eines auf Eisen und/oder Zink basierenden, metallischen Implantatmaterials mit Calciumphosphaten, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer teilweisen oder vollständigen bioaktiven Beschichtung eines auf Eisen und/oder Zink basierenden, metallischen Implantatmaterials mit Calciumphosphaten gelöst. Dazu werden auf Eisen und/oder Zink basierende metallische Implantatmaterialien mit sauren wässrigen Lösungen, die einen pH-Wert von 6,0 oder weniger aufweisen und die Calciumphosphate enthalten, in Kontakt gebracht, wodurch sich auf der Oberfläche der Implantatmaterialien eine Calciumphosphatschicht abscheidet.
Als auf Eisen und/oder Zink basierende Implantatmaterialien im Sinne der Erfindung werden Implantatmaterialien bezeichnet, die unedle Eisenlegierungen oder reines Eisen enthalten, oder die anderen, bevorzugt metallische, Werkstoffen enthalten, welche mit Eisen, einer Eisenlegierung und/oder mit Zink beschichtet sind. Bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Eisenlegierungen keine Edelstahllegierungen.
Bei Implantatmaterialien, die Eisen oder eine Eisenlegierung enthalten, erfolgt die Beschichtung in einer sauren Lösung aus Calciumphosphaten ohne weitere Vorbehandlung und Maßnahmen (außer einer intensiven Reinigung von anhaftenden Verunreinigungen wie z. B. Staub oder Fett). Bei anderen metallischen Werkstoffen, die für die Herstellung von Implantaten in Betracht kommen, wird die Abscheidung von Calciumphosphatschichten aus sauren Calciumphosphatlösungen durch vorherige Beschichtung der Werkstoffe mit Eisen, einer Eisenlegierung und/oder Zink stark gefördert oder überhaupt erst möglich.
Als auf Eisen und/oder Zink basierende Implantatmaterialien eignen sich entweder Materialien mit solider oder Materialien mit komplexer Metallstruktur. Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäßen Implantatmaterialien eine zellulare Metallstruktur auf.
Überraschend wurde im Zuge umfangreicher Untersuchungen an zellular strukturierten metallischen Implantatmaterialien festgestellt, dass sich eisenbasierte oder zinkbasierte Metallschäume in sauren wässrigen Lösungen aus Calciumphosphaten mit homogenen Überzügen aus Calciumhydrogenphosphat in der Kristallstruktur von Brushit überziehen.
Als Calciumphosphate werden Salze bezeichnet, die als Kationen Calciumionen und als Anionen Orthophosphationen, Metaphosphationen und/oder Pyrophosphationen, und daneben gelegentlich auch Wasserstoff- oder Hydroxydionen enthalten. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Calciumdihydrogenphosphat (primäres oder einbasiges Calciumphosphat, Calciumbiphosphat, Monocalciumphosphat, Monocalciumdihydrogenphosphat), Calciumhydrogenphosphat (sekundäres oder zweibasiges Calciumphosphat, fachsprachlich auch Dicalciumphosphat genannt), Calciumphosphat (tertiäres oder dreibasiges Calciumphosphat, Tricalciumphosphat), Tetracalciumphosphat, Calciummetaphosphat, Calciumdiphosphat und/oder Apatit.
Die Dicke der Calciumphosphatschichten ist durch Einstellung der Inkubationsbedingungen – insbesondere der Zusammensetzung und Konzentration der Lösung, Dauer der Inkubation, Temperatur, Umwälzungsgeschwindigkeit, etc. – gezielt vorbestimmbar. Ebenfalls wurde überraschend festgestellt, dass die erzeugten Schichten aus Calciumhydrogenphosphat selbst bei großer Schichtdicke in Hydroxylapatit oder Calcium-defizientes Hydroxylapatit umgewandelt werden können.
In dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Phosphatierung von Eisen in wässrigen Phosphatlösungen zum Korrosionsschutz, zur Haftvermittlung, zur Reib- und Verschleissminderung sowie zur elektrischen Isolation ist bekannt, dass sich an der Oberfläche des Eisens Eisenphosphate bilden. Die überraschende Beobachtung, dass durch in Kontakt bringen mit sauren wässrigen Calciumphosphatlösungen Schichten aus Calciumphosphaten ausgebildet werden, war auch aus der technischen Anwendung der Phosphatierungsverfahren für die Behandlung von Eisen bzw. Stahl nicht ohne weiteres ableitbar. Insbesondere auch deshalb nicht, weil zu erwarten gewesen wäre, dass eine sich primär ausbildende Schicht aus Eisen- oder Zinkphosphaten eine weitere Abscheidung von Calciumphosphaten unterdrückt. Gerade die Calciumphosphatschichten sind für die Bioaktivität von Knochenimplantaten relevant und geeignet.
Als Grund für den überraschenden Effekt, dass sich auf den Implantatmaterialien Calciumphosphatschichten abscheiden, ist die relativ gute Löslichkeit von Calciumphosphaten bei sauren pH-Werten (d. h. pH-Werte kleiner als 6,5) zu sehen. Bevorzugt wird die Beschichtung daher bei pH-Werten zwischen 2,0 und 6,5 durchgeführt. Besonders bevorzugt wird die Beschichtung bei pH-Werten zwischen 2,5 und 4 durchgeführt.
Aufgrund der guten Löslichkeit von Calciumphosphaten erfolgt die erfindungsgemäße Beschichtung bevorzugt in einem relativ geringen Flüssigkeitsvolumen. Ein weiterer Grund ist die Reaktion der Eisenoberfläche. Durch die Oxidation des Eisens im sauren Milieu wird Wasserstoff freigesetzt und es kommt auf der Eisenoberfläche lokal zu einem pH-Wert-Gradienten mit erhöhtem pH-Wert an der Eisenoberfläche. Dadurch verringert sich die Löslichkeit des umgebenden Calciumphosphats und es kommt zur Abscheidung von Calciumhydrogenphosphat an der Metalloberfläche. Aufgrund der wesentlich höheren Löslichkeit von Calciumphosphat bei saurem pH-Wert ist die Calciumphosphatabscheidung durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wesentlich effektiver, als bei herkömmlichen Verfahren zur direkten Abscheidung von Hydroxylapatit aus wässrigen Lösungen.
Weiterhin wurde ebenfalls überraschend gefunden, dass erfindungsgemäß aus saurer Calciumphosphatlösung beschichtete auf Eisen und/oder Zink basierende Implantatmaterialien in besonderem Maß korrosionsbeständig sind. Während beispielsweise unbeschichtete Implantatmaterialien aus Reinsteisen in simulierter Körperflüssigkeit und Zellkulturmedium sehr schnell korrodieren und aus wässrigen Calciumphosphatlösungen mit Hydroxylapatit beschichtete Implantatmaterialien ebenfalls nur eine schwach verringerte Korrosionsrate aufweisen, wurden für die erfindungsgemäß mit Calciumhydrogenphosphat beschichteten Implantatmaterialien keine Anzeichen von Korrosion nach Inkubation in simulierter Körperflüssigkeit und Zellkulturmedium gefunden (siehe 5). Diese Korrosionsbeständigkeit bleibt auch erhalten, wenn die Beschichtung mit Calciumhydrogenphosphat sekundär in Hydroxylapatit umgewandelt wird.
Diese überraschenden Ergebnisse machen es erstmals möglich, Implantate, die unedle Eisenlegierungen oder reines Eisen enthalten oder solche Implantate, die andere vorzugsweise metallische Werkstoffe enthalten, die mit Eisen, einer Eisenlegierung und/oder Zink beschichtet sind, zu fertigen, die unter Implantationsbedingungen über ausgedehnte Zeiträume oder dauerhaft stabil sind. Da die erfindungsgemäße Methode der Beschichtung in besonders einfacher Weise möglich ist, können so Implantatmaterialien und Implantate, die solche Implantatmaterialien enthalten, gefertigt werden, die besonders kostengünstig zu produzieren sind.
Das als Beschichtung erhaltene Calciumhydrogenphosphat ist an sich schon eine bioaktive Oberfläche, die das Anwachsen von Knochen fördert. Diese Schicht kann allerdings auf einfache Weise anschließend in Hydroxylapatit umgewandelt werden, indem das mit Calciumhydrogenphosphat beschichtete Implantatmaterial bei erhöhtem pH-Wert in alkalischer wässriger Lösung inkubiert wird. Dazu wird das Implantatmaterial anschließend an die Beschichtung mit Calciumphosphat mit einer alkalischen Lösung, deren pH-Wert mindestens 10 beträgt, in Kontakt gebracht, wodurch die abgeschiedenen Calciumphosphate in Hydroxylapatit oder Calcium-defizientes Hydroxylapatit umgewandelt werden.
Diese Umwandlung kann bei Raumtemperatur erfolgen, wird aus Gründen der Zeitersparnis aber bevorzugt bei erhöhten Temperaturen von bis zu 100°C durchgeführt. Durch gezielte Wahl der Umwandlungsbedingungen sind auch gemischte Beschichtungen aus Calciumhydrogenphosphat und Hydroxylapatit realisierbar.
Dies ist selbst bei einer großen Schichtdicke der zuvor abgeschiedenen Calciumphophate (> 5 μm) möglich.
Das neue Verfahren für die Erzeugung bioaktiver Beschichtungen auf eisenbasierten und/oder zinkbasierten metallischen Implantatmaterialien hat deutliche Vorteile gegenüber etablierten Beschichtungsverfahren:

• im Gegensatz zu Plasma-Spray-Beschichtungsverfahren ist auch die homogene bioaktive Beschichtung von komplexen und insbesondere von zellularen Implantatstrukturen möglich
• eine elektrochemische Unterstützung des Beschichtungsvorgangs ist nicht notwendig
• die Beschichtung kann bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen erfolgen, jedenfalls aber bei Bedingungen, die dem Implantatmaterial nicht abträglich sind
• die Beschichtung erfolgt in kurzer Zeit und ohne nennenswerten apparativen Aufwand
• die mögliche Dicke der Beschichtung ist deutlich größer als bei elektrochemisch gestützten Beschichtungsverfahren
• durch die sekundäre Umwandlung der zunächst abgeschiedenen Schichten aus Calciumhydrogenphosphat in Hydroxylapatit sind vergleichsweise sehr viel dickere Schichten aus Hydroxylapatit erzeugbar als bei direkten Abscheidungen von Hydroxylapatit aus wässrigen Lösungen
• durch die Beschichtungen kann das Korrosionsverhalten der eisenbasierten Implantatmaterialien gezielt beeinflusst werden, was bei direkter Abscheidung von Hydroxlapatit nicht in gleicher Weise erreicht wird.

Bestandteil der Erfindung sind auch die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten, bioaktiv beschichteten, auf Eisen und/oder Zink basierenden metallischen Implantatmaterialien.
Bestandteil der Erfindung ist auch ein bioaktiv beschichtetes, auf Eisen und/oder Zink basierendes metallisches Implantatmaterial, welches teilweise oder vollständig mit Calciumphosphaten beschichtet ist.
Dabei weist die Schicht aus Calciumphosphat vorzugsweise eine Dicke von durchschnittlich mehr als 5 μm auf. Die Oberfläche der Calciumphosphatbeschichtung ist homogen. Sie weist also eine gleichmäßige Schichtdicke und eine gleichmäßige Oberflächenstruktur ohne Fehlstellen auf.
Das erfindungsgemäße Implantatmaterial ist dadurch erhältlich, dass die Oberfläche des metallischen Implantatmaterials in einer sauren, wässrigen Lösung, die einen pH-Wert von 6,0 oder weniger aufweist und die Calciumphosphate enthält, mit einer bioaktiven Calciumphosphatbeschichtung überzogen wurde.
Vorzugsweise enthält das erfindungsgemäße Implantatmaterial neben der Calciumphosphatschicht einen Anteil Eisenphosphat bei auf Eisen basierenden metallischen Implantatmaterialien oder einen Anteil Zinkphosphat bei auf Zink basierenden metallischen Implantatmaterialien, wobei Eisen- bzw. Zinkphosphat während des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gebildet wird.
Die Calciumphosphatbeschichtung des erfindungsgemäßen Implantatmaterials weist bevorzugt Calciumhydrogenphosphat in der Kristallstruktur von Brushit auf. Bereits diese durch die Beschichtung in einer sauren, wässrigen Calciumphosphatlösung erhaltene Schicht aus Calciumhydrogenphosphat ist an sich eine bioaktive Oberfläche, die das Anwachsen von Knochen fördert.
Die Schicht aus Calciumhydrogenphosphat kann auf einfache Weise durch Inkubation in alkalischer wässriger Lösung (mit einem pH-Wert von mindestens 10) in Hydroxylapatit umgewandelt werden. Daher enthält die Calciumphosphatbeschichtung des erfindungsgemäßen Implantatmaterials in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Hydroxylapatit.
Durch eine gezielte Wahl der Umwandlungsbedingungen sind auch gemischte Beschichtungen aus Calciumhydrogenphosphat und Hydroxylapatit realisierbar. Daher enthält die Calciumphosphatbeschichtung des erfindungsgemäßen Implantatmaterials besonders bevorzugt mehr als 50% Hydroxylapatit.
Die Beschichtung des Implantatmaterials enthält im getrockneten Zustand eine Masse von mindestens 0,1 mg Calciumphosphat pro cm² beschichteter Implantatoberfläche. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Beschichtung des Implantatmaterials im getrockneten Zustand eine Masse von mindestens 1,0 mg Calciumphosphat pro cm² beschichteter Implantatoberfläche.
Gegenstand der Erfindung sind auch Knochenimplantate, welche mindestens ein erfindungsgemäßes bioaktiv beschichtetes Implantatmaterial enthalten.
Ein Knochenimplantat im Sinne der Erfindung ist ein Formkörper, der teilweise oder vollständig aus Metall besteht und zumindest teilweise in direktem Kontakt zum Knochen implantiert wird. Die äußere Gestalt ist an sich beliebig und richtet sich hauptsächlich nach der Verwendungsart. Die Formkörper können der Nachbildung von Knochen oder Knochenteilen entsprechen und dienen zur Reparatur von Knochenschäden oder zum Ersatz von Knochen oder Knochenteilen in der Human- und Veterinärmedizin. Sie können temoprär oder permanent implantiert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Knochenimplantat ein bioaktiv beschichtetes Implantatmaterial, welches eine zellulare Metallstruktur aufweist, dessen Porosität vor der bioaktiven Beschichtung mit Calciumphosphaten > 10% beträgt.
Knochenimplantate können auch verschiedene Implantatmaterialien, also beispielsweise aus mehreren Teilen zusammengesetzte Materialien mit solider und komplexer Metallstruktur, enthalten. Daher besteht das Knochenimplantat bevorzugt nur zu einem Teil aus einem bioaktiv beschichteten Implantatmaterial bestehen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung enthalten die Knochenimplantate bevorzugt auch Teile oder Segmente aus einem bioaktiv beschichteten Implantatmaterial mit zellularen Metallstrukturen, die vor der Beschichtung mit Calciumphosphaten eine Porosität von > 10% aufweisen.
Anhand beigefügter Darstellungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
1 Stege eines offenzelligen Eisenschaums, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Beispiel 1 mit Calciumhydrogenphosphat beschichtet wurde. Die Kristalle aus Calciumhydrogenphosphat bedecken die Stege des Eisenschaums gleichmäßig.
2 Stege eines offenzelligen Eisenschaums, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Beispiel 1 mit Calciumhydrogenphosphat beschichtet wurde. Die Beschichtung erfolgte über einen längeren Zeitraum als in . Die Kristalle aus Calciumhydrogenphosphat bedecken die Stege des Eisenschaums gleichmäßig in einer Dicke von ca. 100 μm.
3 FTIR-Analyse eines zu Hydoxylapatit umgewandelten Brushits auf einem erfindungsgemäß beschichteten Eisenschaum. Die Beschichtung ist homogen und die Umwandlung vollständig.
4 REM-Aufnahme (Skala 1 μm) eines zu Hydoxylapatit umgewandelten Brushits auf einem erfindungsgemäß beschichteten Eisenschaum. Die Beschichtung ist homogen und die Umwandlung vollständig.
5 Freisetzung von Eisen in Zellkulturmedium mit 15% FCS (fötalem Kälberserum). Die Beschichtung der Eisenformkörper mit Calciumhydrogenphosphat (Fe – beschichtet Brushit) reduziert die Freisetzung von Eisen praktisch vollständig, während die Hydroxylapatitbeschichtung (Fe – beschichtet HA) nur einen geringen Einfluss auf die Eisenfreisetzung hat. Angegeben ist die Freisetzung von Eisen nach einem Tag in Zellkulturmedium (Tag 1) und nach einer Woche in Zellkulturmedium (Tag 7).
Beispiel 1: Beschichtung mit Calciumhydrogenphosphat
Ein Zylinder eines zellularen Eisenschaums mit der Abmessung ⌀ 10 mm und Höhe 20 mm, einer Reinheit von > 99,95% Fe, einer Porenweite von 45 ppi (pores per inch, Poren je Inch) und einer Gesamtporosität von 93% wird in 200 ml einer gesättigten Calciumphosphat-Lösung (Ca(H₂PO₄)) mit einem pH-Wert von ca. 3,1 bei Raumtemperatur ca. 16 Stunden unter Vakuum (0,1 bar Restdruck) inkubiert. Anschließend wird der Zylinder in VE-Wasser gespült und getrocknet. Der Gewichtszuwachs beträgt ca. 500 mg und entspricht ca. 30% bezogen auf das Ausgangsgewicht. Bezogen auf die Gesamtoberfläche des Metallschaums von ca. 250 cm² beträgt die Beladung ca. 2 mg/cm². Die Phasenanalyse des Calciumphosphats mittels FTIR zeigt das Spektrum von Brushit (CaHPO₄ × 2H₂O). Die mechanische Testung für beschichtete und unbeschichtete Metallschaumzylinder ergibt im Durchschnitt die gleichen Druckfestigkeitswerte von ca. 6,2 MPa.
Beispiel 2: Umwandlung der Calciumhydrogenphosphat-Beschichtung in Hydroxylapatit
Beschichteter Metallschaum aus Beispiel 1 wird in 300 ml einer 0,1 N NaOH-Lösung über 24 Stunden bei 95°C inkubiert. Anschließend wird der Metallschaum mit VE-Wasser gespült und getrocknet. Die Phasenanalyse des umgewandelten Calciumphosphats mittels FTIR zeigt das Spektrum von Hydroxylapatit. Die Gewichtsabnahme der Beschichtung entspricht mit ca. 200 mg dem rechnerischen Wert der stöchiometrischen Umwandlung von CaHPO₄ × 2H₂O (Brushit) in Ca₅(PO₄)₃OH (theoretische Formel für Hydroxylapatit).
Beispiel 3: Korrosionsverhalten
Metallschaum-Zylinder (⌀ 10 mm, Höhe 4 mm) aus Reinsteisen (99,95% Fe) mit einer Porenweite von 45 ppi wurden entweder in wässriger Calciumphosphatlösung mit Hydroxylapatit oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Beispiel 1 mit Calciumhydrogenphosphat beschichtet. Proben von unbeschichtetem Eisenschaum (Fe), mit Hydroxylapatit beschichtetem Eisenschaum (Fe – beschichtet HA) und erfindungsgemäß mit Calciumhydrogenphosphat beschichtetem Eisenschaum (Fe – beschichtet Brushit) wurden in Zellkulturmedium mit 15% FCS bei 37°C inkubiert. Die Menge an freigesetztem Eisen wurde als Maß für die Korrosionsgeschwindigkeit gemessen. Der unbeschichtete Eisenschaum zeigte die höchste Korrosionsrate, gefolgt von der nur wenig geringeren Korrosionsrate des mit Hydroxylapatit beschichteten Eisenschaums. Der mit Calciumhydrogenphosphat beschichtete Eisenschaum zeigte nahezu keine Freisetzung von Eisen und kann damit als praktisch korrosionsbeständig angesehen werden (5).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6764769 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer teilweisen oder vollständigen bioaktiven Beschichtung eines auf Eisen und/oder Zink basierenden metallischen Implantatmaterials mit Calciumphosphaten, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantatmaterial mit sauren wässrigen Lösungen, die einen pH-Wert von 6,0 oder weniger aufweisen und die Calciumphosphate enthalten, in Kontakt gebracht wird, wodurch sich auf der Oberfläche des Implantatmaterials eine Calciumphosphatschicht abscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem anschließenden Behandlungsschritt das Implantatmaterial mit einer alkalischen Lösung, deren pH-Wert mindestens 10 beträgt, in Kontakt gebracht wird, wodurch die abgeschiedenen Calciumphosphate in Hydroxylapatit oder Calcium-defizientes Hydroxylapatit umgewandelt werden.
Bioaktiv beschichtetes, auf Eisen und/oder Zink basierendes metallisches Implantatmaterial, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2.
Bioaktiv beschichtetes, auf Eisen und/oder Zink basierendes metallisches Implantatmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass es teilweise oder vollständig mit Calciumphosphaten beschichtet ist.
Implantatmaterial nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke von durchschnittlich mehr als 5 μm aufweist und/oder dass die Oberfläche der Beschichtung homogen ist.
Implantatmaterial nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Calciumhydrogenphosphat in der Kristallstruktur von Brushit aufweist.
Implantatmaterial nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Hydroxylapatit enthält.
Implantatmaterial nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Calciumphosphatbeschichtung zu mehr als 50% Hydroxylapatit enthält.
Implantatmaterial nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im getrockneten Zustand eine Masse von mindestens 0,1 mg Calciumphosphat pro cm² beschichteter Implantatoberfläche enthält.
Implantatmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im getrockneten Zustand eine Masse von mindestens 1,0 mg Calciumphosphat pro cm² beschichteter Implantatoberfläche enthält.
Knochenimplantat, enthaltend mindestens ein bioaktiv beschichtetes Implantatmaterial nach einem der Ansprüche 3 bis 10.
Knochenimplantat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das bioaktiv beschichtete Implantatmaterial eine zellulare Metallstruktur aufweist, dessen Porosität vor der bioaktiven Beschichtung mit Calciumphosphaten mindestens 10% beträgt.
Knochenimplantat nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass es nur zum Teil aus dem bioaktiv beschichteten Implantatmaterial besteht.