DE102013013818B4

DE102013013818B4 - Knochenersatz-Endoprothese mit mikro- und nanostrukturierter sowie beschichteter Oberfläche

Info

Publication number: DE102013013818B4
Application number: DE102013013818.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Steinwandel; Ante Kurtovic; Tobias Mertens
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: DE102013013818A1; EP3035973A1; WO2015024550A1; US20160199539A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer zum An- und Einwachsen von Knochengewebe ausgebildeten Knochenersatz-Endoprothese mit einem ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder einen faserverstärkten Kunststoff umfassenden Oberflächenbereich, auf dem Meso-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2000 µm oder Mikro-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 40 µm bis etwa 100 µm erzeugt werden, wobei nach Erzeugung der Meso-Oberflächenstrukturen oder der Mikro-Oberflächenstrukturen zumindest auf Teilen des Oberflächenbereichs mittels eines gepulsten Laserstrahls oder eines Elektronen-, Ionen- oder Neutralteilchenstrahls zusätzlich Nanostrukturen mit einer Höhe und Breite im Bereich von 5 nm bis 999 nm erzeugt werden, wobei nach Erzeugung der Nanostrukturen eine lückenlose gewebeinduktive oder Antikoagulations-Beschichtung aufgebracht wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Knochenersatz-Endoprothese zum An- und Einwachsen von Knochengewebe sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
Mit gewebeinduktiven Beschichtungen, z.B. mit einer osteoinduktiven Beschichtung aus Knochenersatzmaterial wie Hydrxoylapatit bedeckte Endoprothesen sind bekannt. Das Knochenersatzmaterial ermöglicht ein gutes Anwachsen des umgebenden Gewebes an die Endoprothese. Beispielweise bei Hüftprothesen ist dabei ein guter Halt der Prothese auch ohne Verwendung von Knochenzement im Knochen gewährleistet.
Jedoch bereitet die Haftung der gewebeinduktiven Beschichtung an der Endoprothese häufig Probleme.
WO 1999 / 036 276 A1 offenbart ein irregulär geätztes metallisches Implantat, das mit einer zufälligen ungleichmäßigen Reliefstruktur auf der Oberfläche versehen ist, die eine Tiefe von 0,3 µm bis 20 µm aufweist. Die Reliefstruktur wird mittels reaktiven Plasmaätzens erzeugt.
WO 2003 / 039 768 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für ein Implantat mit einer Oberfläche aus biologisch aktivem Material. Zum Dosieren des biologisch aktiven Materials wird dieses zunächst auf das Implantat aufgetragen und anschließend mittels eines UV-Lasers auferiert (ablatiert).
DE 10 2011 121 546 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer Metall- oder Metalllegierungsoberfläche oder Metalloxid- oder Metalllegierungsoxidschicht auf der Oberfläche, die Oberflächenstrukturen mit Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Endoprothese zu verbessern.
Zur Lösung wird ein Verfahren gemäß Hauptanspruch vorgeschlagen. Eine mit dem Verfahren hergestellte Knochenersatz-Endoprothese ist Gegenstand des Nebenanspruchs. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Knochenersatz-Endoprothese zum An- und Einwachsen von Knochengewebe mit einem ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder einen faserverstärkten Kunststoff umfassenden Oberflächenbereich, wobei der Oberflächenbereich Meso-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2000 µm oder Mikro-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 40 µm bis etwa 100 µm umfasst, wobei der Oberflächenbereich zusätzlich mit Nanostrukturen mit einer Höhe und Breite im Bereich von 5 nm bis 999 nm versehen ist, wobei der Oberflächenbereich zumindest teilweise mit einer gewebeinduktiven oder Antikoagulations-Beschichtung lückenlos bedeckt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer zum An- und Einwachsen von Knochengewebe ausgebildeten Knochenersatz-Endoprothese mit einem ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder einen faserverstärkten Kunststoff umfassenden Oberflächenbereich, auf dem Meso-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2000 µm oder Mikro-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 40 µm bis etwa 100 µm erzeugt werden, wobei nach Erzeugung der Meso-Oberflächenstrukturen oder der Mikro-Oberflächenstrukturen zumindest auf Teilen des Oberflächenbereichs mittels eines gepulsten Laserstrahls oder eines Elektronen-, Ionen- oder Neutralteilchenstrahls Nanostrukturen mit einer Höhe und Breite im Bereich von 5 nm bis 999 nm erzeugt werden und nach Erzeugung der Nanostrukturen eine lückenlose gewebeinduktive oder Antikoagulations-Beschichtung aufgebracht wird.
Detaillierte Beschreibung
Bei Endoprothesen handelt es sich um Implantate, die in den meisten Fällen dauerhaft im Körper verbleiben, wobei es aber auch Fälle gibt, in denen die Endoprothese im Lauf der Zeit bioresorbiert wird.
Zu den Endoprothesen zählen insbesondere die Knochenersatz-Endoprothesen, wie Hüft-, Kniegelenk-, Schulter-, Ellenbogen-, Sprunggelenk- und Fingerknöchel-Prothesen.
Die Materialien dieser Endoprothesen umfassen gewöhnlich Metall (meist in Form einer Metalllegierung), Keramik, Kunststoff und/oder faserverstärkten Kunststoff, je nach Anforderung an das Material.
Beispielweise umfasst der Prothesenschaft einer Hüftprothese sehr häufig eine Titanlegierung wie TiAl6V4 oder TiAl6Nb7, insbesondere, wenn eine osteoinduktive Beschichtung wie Hydroxylapatit aufgebracht wird, bei der sich die Verwendung von Knochenzement zum Befestigen erübrigt, eine CoCrMo-Legierung, insbesondere, wenn Knochenzement zur Befestigung verwendet wird, oder gelegentlich faserverstärkten Kunststoff und neuerdings auch Keramik. Kunststoffe werden z.B. beim Fingergelenk- und Hüftgelenkspfannen-Ersatz eingesetzt.
Es sind zahlreiche Beschichtungen bekannt, die das An- und Einwachsen von Gewebe an bzw. in die Endoprothese begünstigen. Derartige Beschichtungen werden hierin als „gewebeinduktive Beschichtungen“, im speziellen Fall von Knochengewebe als „osteoinduktive Beschichtungen“ bezeichnet. Einige Beispiele für gewebeinduktive Beschichtungen, die alle auch osteoinduktiv sind, sind Hydroxylapatit, β-Tricalciumphosphat und deren Kombinationen, Tetracalciumphosphat, Caliumhydroxyapatit, Calciumsulfat, Siliciumapatit, Magnesiumapatit, Bioglas umfassend Silicium, Calcium, Natrium, Phosphor und Sauerstoff, Kollagen, Kollagen in Kombination mit Hydroxylapatit, Wachstumsfaktoren und Osteoblasten bindendes Peptid. Albumin und Gelatine sind Beispiele für gewebeinduktive Beschichtungen, die insbesondere zum guten An- oder Einwachsen von Weichgebe geeignet sind. Heparin- und EDTA-Beschichtungen wirken antikoagulierend. Gemäß der Erfindung können diese Beschichtungsmaterialien weitere pharmazeutisch wirksame Bestandteile, wie z.B. Antibiotika, enthalten.
Erfindungsgemäß wird der Teil der Oberfläche einer Endoprothese, der mit einer gewebeinduzierenden oder antikoagulierend wirkenden Beschichtung beschichtet ist, vor der Beschichtung mit Nanostrukturen mit einer Höhe und Breite im Bereich von 5 bis 999 nm versehen. Diese zusätzlichen Nanostrukturen bedecken bevorzugt mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% und insbesondere mindestens 95% der Fläche des genannten Teils der Endoprothese.
Die Nanostrukturierung der oben genannten Oberflächenmaterialien kann beispielweise mit Hilfe eines gepulsten Laserstrahls oder mit Elektronen-, Ionen- oder Neutralteilchenstrahlen vorgenommen werden.
In einem besonders bevorzugten Verfahren wird der gesamte ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder einen faserverstärkten Kunststoff umfassende Oberflächenbereich, auf dem die Nanostrukturen zu erzeugen sind und der für eine Laserbestrahlung zugänglich ist, mit einem gepulsten Laserstrahl ein- oder mehrmals auf solche Weise abgetastet, dass benachbarte Lichtflecke des Laserstrahls lückenlos aneinander stoßen oder sich überlappen, wobei die folgenden Bedingungen eingehalten werden: etwa 0,07 ≤ ε ≤ etwa 2300 mit

worin:

P_p:: Impulsspitzenleistung der austretenden Laserstrahlung [kW]
P_m:: Mittlere Leistung der austretenden Laserstrahlung [W]
t:: Impulslänge der Laserimpulse [ns], wobei t etwa 0,1 ns bis etwa 2000 ns ist,
f:: Repetitionsrate der Laserimpulse [kHz]
v:: Abtastgeschwindigkeit an der Werkstückoberfläche [mm/s]
d:: Durchmesser des Laserstrahls am Werkstück [μm]
α:: Absorption der Laserstrahlung des bestrahlten Material [%] bei Normalbedingungen
λ:: Wellenlänge der Laserstrahlung [nm], wobei λ = etwa 100 nm bis etwa 11000 nm
T_v:: Siedepunkt des Materials [K] bei Normaldruck
c_p:: Spezifische Wärmekapazität [J/kgK] bei Normalbedingungen
κ:: Spezifische Wärmeleitfähigkeit [W/mK] bei Normalbedingungen

Dies ermöglicht auf zuverlässige Weise eine vollständige Nanostrukturierung der betreffenden Oberfläche.
Diese Nanostrukturen ermöglichen ein sehr gutes Haften der anschließend aufgebrachten gewebeinduzierenden oder antikoagulierend wirkenden Beschichtung
Dem Fachmann sind zahlreiche Verfahren zum lückenlosen Aufbringen der gewebeinduzierenden oder antikoagulierend wirkenden Beschichtungen bekannt. Hydroxylapatit und andere anorganische ionische Beschichtung können z. B. durch Plasma-Sprühen, Ionen-Implantation, Sputtern, Sol-Gel-Beschichtung, eine Fällungsreaktion, elektrophoretische Abscheidung, elektrochemische Abscheidung, Elektrospray-Abscheidung oder Laserabscheidung aufgebracht werden. Bioglas wird bevorzugt durch Sputtern aufgebracht, und organische Verbindungen können z.B. durch Elektrophorese oder Eindampfen einer die Verbindung enthaltende Lösung aufgebracht werden.
Es ist bekannt, dass Mikrostrukturen, insbesondere Strukturen im Bereich von 40–100 µm, auf der Oberfläche der Endoprothesen das Anwachsen von Gewebe an die Endoprothese begünstigen. Dies gilt auch für die oben genannten Beschichtungen. Deshalb werden diese bevorzugt so aufgebracht, dass sie eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweisen. Dies kann z.B. bewerkstelligt werden, indem eine sehr dünne Beschichtung der oben genannten Beschichtungsmaterialien z.B. mit einer Dicke im Bereich von 30–40 µm auf einen von Nanostrukturen überlagerten mikrostrukturierten Oberflächenbereich der Endoprothese aufgetragen wird. Mikrostrukturen auf den genannten Endoprothese-Oberflächenmaterialien können z. B. durch Sandstrahlen oder Strahlen mit Korund- oder Glaspartikel oder im Fall von Titanlegierungen durch mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragene Titanpartikel erzeugt werden.
Einige der oben genannten Verfahren zur Auftragung der Beschichtung ermöglichen aber durch geeignete Verfahrensführung auch ohne eine der Nanostrukturierung unterliegende Mikrostrukturierung des Endoprothesen-Oberflächenbereichs, dass eine mikrostrukturierte Beschichtungsoberfläche entsteht.
Insbesondere zum An- und Einwachsen von Knochengewebe sind ferner der Nanostrukturierung unterliegende mesostrukturierte Endoprothesen-Oberflächen mit Strukturen in einem Größenbereich von 100 µm bis 2000 µm geeignet. Dabei handelt es sich z.B. um Waben-, Kugel,- Netz-, Spongiosa-, Schwamm- oder trabekuläre Struktren (Tripoden). Diesen Mesostrukturen werden vor dem Aufbringen der gewebeinduktiven oder antikoagulierend wirkenden Beschichtung wie oben beschrieben erfindungsgemäß mit einer Nanostrukturierung versehen.
Auf die vorstehend beschriebene Weise lassen sich stark haftende Beschichtungen auf einer Endoprothese anbringen, was postoperative Komplikationen aufgrund von abblätternden Beschichtungsteilen wirksam verhindert.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer zum An- und Einwachsen von Knochengewebe ausgebildeten Knochenersatz-Endoprothese mit einem ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder einen faserverstärkten Kunststoff umfassenden Oberflächenbereich, auf dem Meso-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2000 µm oder Mikro-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 40 µm bis etwa 100 µm erzeugt werden, wobei nach Erzeugung der Meso-Oberflächenstrukturen oder der Mikro-Oberflächenstrukturen zumindest auf Teilen des Oberflächenbereichs mittels eines gepulsten Laserstrahls oder eines Elektronen-, Ionen- oder Neutralteilchenstrahls zusätzlich Nanostrukturen mit einer Höhe und Breite im Bereich von 5 nm bis 999 nm erzeugt werden, wobei nach Erzeugung der Nanostrukturen eine lückenlose gewebeinduktive oder Antikoagulations-Beschichtung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder einen faserverstärkten Kunststoff umfassende Oberflächenbereich, auf dem die Nanostrukturen zu erzeugen sind und der für eine Laserbestrahlung zugänglich ist, mit einem gepulsten Laserstrahl ein- oder mehrmals auf solche Weise abgetastet wird, dass benachbarte Lichtflecke des Laserstrahls lückenlos aneinander stoßen oder sich überlappen, wobei die folgenden Bedingungen eingehalten werden: etwa 0,07 ≤ ε ≤ etwa 2300 mit
worin: P_p: Impulsspitzenleistung der austretenden Laserstrahlung [kW] P_m: Mittlere Leistung der austretenden Laserstrahlung [W] t: Impulslänge der Laserimpulse [ns], wobei t etwa 0,1 ns bis etwa 2000 ns ist, f: Repetitionsrate der Laserimpulse [kHz] v: Abtastgeschwindigkeit an der Werkstückoberfläche [mm/s] d: Durchmesser des Laserstrahls am Werkstück [μm] α: Absorption der Laserstrahlung des bestrahlten Material [%] bei Normalbedingungen λ: Wellenlänge der Laserstrahlung [nm], wobei λ = etwa 100 nm bis etwa 11000 nm T_v: Siedepunkt des Materials [K] bei Normaldruck c_p: Spezifische Wärmekapazität [J/kgK] bei Normalbedingungen κ: Spezifische Wärmeleitfähigkeit [W/mK] bei Normalbedingungen wobei die Atmosphäre, in der das Verfahren durchgeführt wird, Vakuum, Umgebungsatmosphäre oder ein inertes Gas oder Gasgemisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich eine Metalllegierung umfasst, die aus TiAl6V4 oder TiAl6Nb7 ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine gewebeinduktive Beschichtung ist, die aus einem Material ausgewählt ist, das ein oder mehrere Bestandteile umfasst, die aus Hydroxylapatit, β-Tricalciumphosphat, Caliumhydroxyapatit, Calciumsulfat, Siliciumapatit, Magnesiumapatit, Kollagen, Albumin, Gelatine, Wachstumsfaktoren, Osteoblasten bindendem Peptid, Heparin und EDTA ausgewählt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gewebeinduktive Beschichtung aus einem Material ausgewählt ist, das Hydroxylapatit umfasst, und die Beschichtung durch Plasma-Sprühen, Ionen-Implantation, Sputtern, Sol-Gel-Beschichtung, eine Fällungsreaktion, elektrophoretische Abscheidung, elektrochemische Abscheidung, Elektrospray-Abscheidung oder Laserabscheidung aufgebracht wird.
Knochenersatz-Endoprothese zum An- und Einwachsen von Knochengewebe mit einem ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder einen faserverstärkten Kunststoff umfassenden Oberflächenbereich, wobei der Oberflächenbereich Meso-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 2000 µm oder Mikro-Oberflächenstrukturen im Bereich von etwa 40 µm bis etwa 100 µm umfasst, wobei der Oberflächenbereich zusätzlich mit Nanostrukturen mit einer Höhe und Breite im Bereich von 5 nm bis 999 nm versehen ist, wobei der Oberflächenbereich zumindest teilweise mit einer gewebeinduktiven oder Antikoagulations-Beschichtung lückenlos bedeckt ist.
Knochenersatz-Endoprothese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens etwa 80 % der Fläche des Oberflächenbereichs, auf dem die Beschichtung aufgebracht ist, mit den Nanostrukturen versehen ist.
Knochenersatz-Endoprothese nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich eine Metalllegierung umfasst, die aus TiAl6V4 oder TiAl6Nb7 ausgewählt ist.
Knochenersatz-Endoprothese nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Material ausgewählt ist, das ein oder mehrere Bestandteile umfasst, die aus Hydroxylapatit, β-Tricalciumphosphat, Tetracalciumphosphat, Caliumhydroxyapatit, Calciumsulfat, Siliciumapatit, Magnesiumapatit, Bioglas umfassend Silicium, Calcium, Natrium, Phosphor und Sauerstoff, Kollagen, Albumin, Gelatine, Wachstumsfaktoren, Osteoblasten bindendem Peptid, Heparin und EDTA ausgewählt sind.