DE19610715C1

DE19610715C1 - Verfahren zum Herstellen eines Knochenersatzmaterials

Info

Publication number: DE19610715C1
Application number: DE1996110715
Authority: DE
Inventors: Axel Kirsch; Dietmar Hutmacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2016-03-20
Also published as: WO1997034546A1; EP0888096A1; AU1923797A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines Knochen ersatzmaterials, ausgehend von einem hochporösen Keramikblock.

Bei biomechanisch belasteten Knochendefekten ist es nicht sinnvoll, den Knochenersatzwerkstoff als Granulat einzubrin gen, da es durch die mechanische Belastung zu keiner Knochen regeneration kommt. Für derartige Indikationen werden hoch poröse Blockkörper bevorzugt, in die der Knochen hineinwachsen kann.

Keramische Knochenersatzwerkstoffe sind jedoch sehr spröde, so daß Blöcke aus diesen Materialien größere mechanische Bela stungen nicht aufnehmen können.

Aus der DE 41 20 325 A1 ist ein Implantatwerkstoff auf Basis eines Verbundmaterials von Calciumphosphatkeramik-Partikeln und bioresorbierbarem Polymer bekannt, in dem die Partikel miteinander durch Polymerstege zu einer dreidimensionalen of fenporigen Struktur verbunden sind.

Die DE 38 26 915 A1 betrifft einen Knochenverbundwerkstoff, der als wesentliche Komponente körperverträgliche Keramikwerk stoffe in Abmischung mit körperresorbierbaren Oligomeren und/oder Polymeren niederer Hydrokarbonsäuren enthält, wobei die zum Einsatz kommenden Harzkomponenten von freien Karboxylgrup pen praktisch befreit sind. Werden feste Oligomere und/oder Polymere der genannten Art in bestimmten Gewichtsverhältnissen mit dem partikulären, feinteiligen, anorganischen Knochener satzwerkstoff vermischt, liegt im Verbundmaterial die organi sche Phase als geschlossene Phase vor, und es steht ein form bares und gewünschtenfalls formstabiles Material zur Verfü gung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Verfahren zum Herstellen eines Knochenersatzmaterials zur Verfügung zu stellen, mit denen einem hoch biokompatiblen Knochenersatzmaterial eine verbesserte mechanische Festigkeit und Belastbarkeit verliehen wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist nach einem ersten Aspekt vorgesehen, daß in den Keramikblock mehrere Kanäle eingebracht werden, die Kanäle mit bioresorbierbarem Polymergranulat befüllt werden und anschließend der Keramikblock mit dem Polymergranulat auf eine Temperatur oberhalb der Schmelz bzw. Fließtemperatur des Polymergranulats erwärmt wird. Das Polymergranulat schmilzt in den Kanälen und verankert sich bei Abkühlung auf Raumtempera tur im Sinne eines Tragwerkes in den an die Bohrungen angren zenden Poren des Keramikblocks und sorgt so für die gewünschte mechanische Belastbarkeit, ohne daß der Großteil der Poren in der Keramik von dem bioresorbierbaren Polymer verschlossen wäre. Dadurch wird gewährleistet, daß beim Einsetzen eines derart polymer verstärkten Keramikblockes in den Knochen die Kontaktfläche zum Knochen hauptsächlich aus reiner Keramik oberfläche besteht. Dieses ist für eine gut Biokompatibilität des Knochenersatzmateriales unabdingbar.

Die Temperatur, auf die der Keramikblock mit dem Polymergranu lat zu erhitzen ist, ist von dem gewählten bioresorbierbaren Polymer abhängig. Als Materialien kommen Kunststoffe aus der Gruppe der Polyester in Frage, und aus diesen insbesondere die Poly(α-Hydroxyl-Säuren). Für diese ist ein Temperaturbereich von 180°C bis 230°C zweckmäßig.

Als Alternative zum Erhitzen des Kunstblockes mit dem Polymergranulat in einem Wärmeschrank hat sich das Begasungs verfahren als vorteilhaft herausgestellt. Dies ist ein Verfah ren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen, bei dem der thermoplastische Kunststoff in rieselfähiger Form oder in Form eines Vorformlings in einen Formhohlraum eingebracht wird und die Viskosität des Kunststoffes mit Hilfe überkritischer Substanzen soweit erniedrigt wird, daß der Kunststoff fließ fähig wird und/oder sich verformen läßt. Die Begasung erfolgt dabei mit einem oder mehreren Gasen, gegebenenfalls auch verflüssigten Gasen, unter hohem Druck, wobei sie sich vorzugsweise im überkritischen Zustand befinden sollten. Dabei ist es verfahrenstechnisch einstellbar, daß das Polymer eine kompakte oder geschäumte Struktur innerhalb der Bohrungen und der angrenzenden Poren annimmt. Die Begasung bei den ver gleichsweise niedrigen Temperaturen und unter hohem Druck setzt voraus, daß das Gas in dem jeweiligen Polymer eine gute Löslichkeit aufweist. Die Löslichkeit von Gasen oder Flüssig keiten in Polymeren ist eine Funktion des Druckes und der Temperatur. Es ist bekannt, daß besonders gute Löslichkeitspa rameter erreicht werden, wenn das Gas in den überkritischen Zustand übergeht. Überkritische Gase bzw. Flüssigkeiten sind bekannt. Zu diesen gehören Kohlendioxid, Ethylen, Propan, Stickstoff und Wasser. In Abhängigkeit von der jeweils einge setzten überkritischen Substanz kann das Begasungsverfahren bei einem Druck in einem Bereich von 50 bis 800 bar (5×10⁶ Pa bis 8×10⁷ Pa) durchgeführt werden.

Für das genannte, für die Erfindung bevorzugte Knochener satzmaterial wird vorteilhaft Kohlendioxid eingesetzt. Der geeignete Druckbereich liegt zwischen 50 bis 200 bar (5×10⁶ Pa bis 2×10⁷ Pa).

Oftmals ist es zweckmäßig, biologisch wirksame Agenzien, wie Wachstumsfaktoren, Antibiotika, schmerzlindernde Agenzien, Agenzien, die die Zellteilung und die Vaskularisierung beeinflussen, koagulierende oder anti-koagulierende Agenzien, immunsupprimierende oder immunstimulierende Agenzien, Zyto kine, chemisches Attraktanz, Enzyme und Kombinationen davon in das Knochenersatzmaterial einzubringen. Die Wirksamkeit und vor allem die Wirkmechanismen der besagten Agenzien sind dem Fachmann bekannt. So können z. B. Wachstumsfaktoren dazu dienen, Zellen allgemein und gegebenenfalls spezielle Zellpo pulationen zu verstärktem Wachstum anzuregen, um den exi stierenden Gewebe- oder Knochendefekt möglichst schnell aufzufüllen. Die Verwendung von Antibiotika ist besonders dann angezeigt, wenn es sich um großflächige oder nur schwer zu reinigende Gewebedefekte handelt oder das Milieu, in das das Knochenersatzmaterial eingebracht wird, eine hohe Keimbe lastung aufweist. Agenzien, die die Zellteilung und die Vaskularisierung beeinflussen, erlauben darüberhinaus eine zügige Regeneration des Gewebe- oder Knochendefektes. In Abhängigkeit von den Durchblutungsverhältnissen kann der Zusatz von koagulierenden oder gegebenenfalls von anti koagulierenden Agenzien förderlich sein. Die Verwendung von immunsupprimierenden Agenzien ist besonders dann angezeigt, wenn es beispielsweise in Folge allergischer Reaktionen ansonsten zu einer Verschlechterung des Heilungsprozesses käme. Umgekehrt können immunstimulierende Agenzien von Vorteil sein, wenn es erwünscht ist, im Bereich des Knochener satzmaterials eine verstärkte Immunantwort zu generieren. Zytokine und chemisches Attraktanz können in Folge ihres Wirkmechanismus durch das Einwandern verschiedener Zellpopula tionen eine Möglichkeit darstellen, den Heilungsprozeß weitgehend zu steuern. Der Zusatz von Enzymen erlaubt eine weitergehende Modifikation des Regenerationsprozesses und kann sich auf das regenerierte oder sich regenerierende Gewebe auswirken.

Das Begasungsverfahren wird vorteilhaft bei einer Temperatur durchgeführt, die unterhalb von 37°C liegt. Daher ist die Zugabe auch von von thermolabilen, biologisch wirksamen Agenzien problemlos möglich.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Kanäle in dem Keramikblock mit einem Durchmesser von 2 bis 4 mm auszubilden.

Weiter vorteilhaft, auch im Sinne eines kostengünstigen Herstellungsprozesses, ist es, wenn die Kanäle parallel zueinander verlaufend gebildet werden.

Dabei kann es zur Stabilisierung allerdings auch zweckmäßig sein, Gruppen von Kanälen auszubilden, die schräg oder sogar senkrecht zueinander verlaufen, um in optimaler Weise mechani sche Belastungen aufzufangen, die aus unterschiedlichen Richtungen auf den Keramikblock wirken.

Die Kanäle können an zumindest einer Seite verschlossen sein. Insbesondere für horizontal verlaufende Kanäle ist es auch denkbar, eine Seite verschlossen zu lassen und die gegenüber liegende Seite nach dem Befüllen mit Polymergranulat mit Keramikstopfen zu verschließen.

Als Materialien für den hochporösen Keramikblock sind syn thetisch hergestellte Keramiken, Gläser und Glaskeramiken oder aber Keramiken natürlichen Ursprungs geeignet. Synthetische Keramiken sind beispielsweise Hydroxylapatit, α-Trikalzium phosphat und β-Trikalziumphosphat. Die Keramiken natürlichen Ursprungs werden aus Rinderknochen (BioOss®), Algen (Al gipore®) und Korallen hergestellt. Eine typische chemische Formel für eine bioaktive Glaskeramik ist CaO-P₂O₅-SiO₂.

Bioresorbierbare Polymergranulate, die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, sind beispielsweise die bereits oben genannten Poly(α-Hydroxyl-Säuren), wie Poly(L- Lactid-α-D, L-Lactid).

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen

Fig. 1 schematisch einen hochporösen Keramikblock mit Kanälen zeigt;

Fig. 2 den Keramikblock aus Fig. 1 mit in die Kanäle gefülltem Polymergranulat zeigt,

Fig. 3 den fertiggestellten Keramikblock zeigt;

Fig. 4 ein Beispiel für eine Anordnung der Kanäle bei einem Keramikblock gemäß der Erfindung zeigt; und

Fig. 5 ein weiteres Beispiel für die Anordnung der Kanäle bei einem erfindungsgemäßen Keramikblock veranschaulicht.

Beispiel 1

In einen hochporösen Keramikblock 10 aus Algipore® oder BioOss® werden mehrere Kanäle 20 mit einem Durchmesser von 2 bis 4 mm gebohrt. Die Kanäle 20 sind dabei zueinander parallel und in Reihen angeordnet, wobei in der Fig. 1 nur eine solche Reihe schematisch angedeutet ist. In diese Kanäle 20 wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, Polymergranulat 30 gefüllt. Der mit Polymergranulat 30 gefüllte Keramikblock 10 wird nun in einem Wärmeschrank auf 200°C erwärmt. Dadurch schmilzt das Polymer granulat 30 in den Kanälen 20, wie in Fig. 3 veranschaulicht, und bildet dabei nach der Abkühlung auf Raumtemperatur das gewünschte mechanische Tragwerk 40 im Keramikblock 10.

Es hat sich ergeben, daß ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Komposit-Knochenersatzformkörper eine 100% bis 200% höhere mechanische Belastbarkeit gegenüber dem unbehandelten hochporösen Keramikblock zeigt.

Beispiel 2

Ein wie im Beispiel 1 vorbereiteter Keramikblock wird mit rieselfähigem Polymergranulat aus Poly(α-Hydroxyl-Säuren) befüllt. In einem Druckraum wird dieser befüllte Keramikblock bei Zimmertemperatur in einer Kohlendioxidatmosphäre bei 50 bis 200 bar begast. Das Kohlendioxid löst sich in dem Polymer und erzeugt mit diesem eine geschäumte Struktur innerhalb der Bohrungen und der angrenzenden Poren.

Es ist möglich, die mechanische Belastbarkeit im Hinblick auf die wirkenden Kräfte zu optimieren. Wirkt beispielsweise eine Kraft auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Keramikkörpers, so kann es zweckmäßig sein, die Anordnung der Kanäle 20, 22 wie nach Fig. 4 zu treffen, wobei sich alle Kanäle 20, 22 in eine Richtung parallel zueinander erstrecken.

Für andere Belastungen kann es zweckmäßig sein, die Kanäle 20, 24 so zu gestalten, daß sie den Keramikblock 10 in Gruppen durchsetzen, in denen die Kanäle jeweils senkrecht zueinander verlaufen. So kann beispielsweise, wie in Fig. 5 gezeigt, eine erste Reihe von Kanälen 20 gebildet werden, die sich in der Richtung von oben nach unten in der Zeichnung erstrecken, während eine zweite Reihe von Kanälen 24 im Abstand dazu derart angeordnet ist, daß die Kanäle 24 senkrecht zu den Kanälen 20 verlaufen.

Bezugszeichenliste

10 Keramikblock
20 Kanal
22 Kanal parallel zu 20
24 Kanal senkrecht zu 20
30 Polymergranulat
40 Polymer-Tragwerk

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Knochenersatzmaterials, ausgehend von einem hochporösen Keramikblock, dadurch gekenn zeichnet, daß

- in den Keramikblock (10) mehrere Kanäle (20, 22, 24) eingebracht werden;
- die Kanäle (20, 22, 24) mit bioresorbierbarem Polymergranulat (30) befüllt werden; und
- anschließend der Keramikblock (10) mit dem Polymer granulat (30) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelz- oder Fließtemperatur des Polymergranulates erwärmt wird.

2. Verfahren zum Herstellen eines Knochenersatzmaterials, ausgehend von einem hochporösen Keramikblock, dadurch gekenn zeichnet, daß

- in den Keramikblock (10) mehrere Kanäle (20, 22, 24) eingebracht werden;
- die Kanäle (20, 22, 24) mit bioresorbierbarem Polymer material (30), entweder rieselfähig vorliegend oder in Form eines Vorformlings, befüllt werden; und
- anschließend der Keramikblock (10) mit dem Polymer material (30) mit einer Substanz oder einem Sub stanzgemisch bei einer Temperatur T und unter hohem Druck p, bei dem die Substanz/das Substanzgemisch überkritisch ist, behandelt wird, so daß der thermopla stische Kunststoff fließfähig und/oder formbar wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz oder das Substanzgemisch aus Kohlendioxid, Ethylen, Propan, Wasser und/oder Stickstoff besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß der Druck p zwischen 5×10⁶ Pa und 8×10⁷ Pa beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck p zwischen 5×10⁶ Pa und 2×10⁷ Pa beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T weniger als etwa 37°C beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polymermaterial und/oder der Substanz/dem Substanzgemisch zumindest ein biologisch wirksa mes Agens zugegeben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Kanäle (20, 22, 24) mit einem Durchmesser von 2 bis 4 mm gebildet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Kanäle (20, 22) parallel zueinander verlaufend gebildet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Kanäle (20, 22, 24) in wenigstens zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei innerhalb einer solchen Gruppe die Kanäle untereinander parallel verlaufen und wobei die Kanäle (24) mindestens einer der Gruppen schräg zu Kanälen (20, 22) einer weiteren Gruppe verlaufen.

11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (24) mindestens einer der Gruppen senkrecht zu Kanälen (20, 22) einer weiteren Gruppe verlaufen.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20, 22, 24) an zumindest einer Seite verschlossen sind.