DE29617082U1

DE29617082U1 - Bioaktive Endoprothese

Info

Publication number: DE29617082U1
Application number: DE29617082U
Authority: DE
Original assignee: MOJE HANS JUERGEN
Current assignee: MOJE HANS JUERGEN
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2006-10-02

Description

Bioaktive Endoprothese

Die vorliegende Erfindung betrifft bioaktive Implantate für den -Ersatz von Gelenken, die hohen Beanspruchungen unterliegen, insbesondere für den Ersatz der kleinen Gelenke der Finger und Zehen.

Implantate, die für den Ersatz von Gelenken vorgesehen sind, haben hohe Anforderungen nicht nur hinsichtlich der biologischen Verträglichkeit sondern auch hinsichtlich der mechanischen Beanspruchbarkeit, der Korrosionsfestigkeit, des Verbundes mit dem Knochen, der Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Gewebe usw., zu erfüllen.

Biologisch verträgliche Materialien sind hinlänglich bekannt. Sie besitzen jedoch nicht immer einen festen Verbund mit dem Knochen. Es hat sich gezeigt, daß hohe mechanische Beanspruchungen die Verbindungen mit dem Knochen lösen können. Eine wesentliche Zielrichtung der Weiterentwicklung von Implantaten für hohe mechanische Belastungen wurde deshalb auf den festeren Verbund mit dem Knochengewebe gerichtet.

Naheliegend erschien zunächst die Vergrößerung der Oberfläche, die für die Befestigung im Knochen vorgesehen ist. Der in den Knochen eingeführte Befestigungsschaft wurde dazu aufgerauht (EP-Al-O 455 929) oder mit Riefen, Vertiefungen {EP-Al-0 475 358) und sonstigen Strukturen versehen. Als Beispiel soll auch das US-4 659 331 dienen, bei dem die zur Befestigung dienende Oberfläche mit einer Anzahl von Vorsprüngen versehen wird, um die Oberfläche zu vergrößern.

Alle diese Maßnahmen hatten jedoch nur bei den Aufgaben einen Erfolg, bei denen auch eine hinreichend große Anlagefläche an den Knochen vorhanden war, denn auf den Befestigungsteilen wurde im günstigsten Fall lediglich eine Kallusschicht gebildet, deren Belastbarkeit im besonderen

Maße auch von der Größe der Berührungsfläche mit dem Knochen abhängig war.

Einen Aufschwung erhielt diese Entwicklung durch die Verwendung verschiedener poröser Beschichtungen auf einem Substratkörper.

So wird beispielsweise in der WO 8300282 vorgeschlagen, eine poröse Beschichtung zu erzeugen, indem das Implantat mit einer Mischung aus zusammengehörenden primären Metallpartikeln und dehnbaren Partikel beschichtet wird, wobei die dehnbaren Partikel anschließend entfernt werden.

Gemäß DE-Al-2 154 272 wird die Vergrößerung der Oberfläche durch Aufsintern von Kugeln oder Körnern erzeugt oder die Schaftoberfläche wird mit einem Netz oder Geflecht aus einem bioinerten Material, wie Kohlenstoff-Fasern umgeben (DE-Al-3 444 780, EP-O 519 227, WO-Al-433 082).

In der EP-Al-O 321 389 wird der Prothesenschaft mit einer bioaktiven, teils resorbierbaren keramischen Schicht auf der Basis von Calziumphosphaten oder polymeren Kunststoffen versehen. Nach der Resorption dieser Schicht im Körper bleibt ein poröses Gefüge aus Kunststoff zurück, in das der Knochen hineinwächst.

Die hier angegebenen Gestaltungen der Oberfläche sollen also eine feste mechanische Verbindung mit dem Knochengewebe erzeugen, indem das Knochengewebe in die speziell strukturierte Oberfläche hineinwächst. Sie sind nicht in der Lage, eine bioaktive Wirkung zu erzeugen.

Da bisher keine Biokeramik bekannt ist, die die Festigkeit von Metallen besitzt, ist eine biokeramische Beschichtung auf einem Metallkörper in Anwendung gekommen. Um einen Metallkörper, der die hohe geforderte Belastbarkeit erfüllt, biologisch verträglicher zu gestalten und damit dieser eine feste Verbindung mit dem Knochengewebe eingeht, wird er mit

einer bioaktiven Beschichtung versehen. Bei diesen Beschichtungen handelt es sich um eine Biokeramik oder bioaktive Gläser, die mit dem Knochengewebe einen festen Verbund bilden. Im WO 90/09152 wird ein Implantat aus einem biologisch verträglichen Metall oder einer Metallegierung beschrieben, das im Teil der Knochenbefestigung mit bioaktiver Keramik oder Glas beschichtet ist.

Dieses Implantat besitzt jedoch den Nachteil, daß es bei vielen Patienten trotz der Beschichung zu allergischen Reaktionen kommt. Es wird deshalb versucht, sich in zunehmendem Maße von den metallischen Implantaten zu lösen und sie durch keramische zu ersetzen, die eine weit höhere Verträglichkeit besitzen, als die metallischen. Außerdem sind metallische Endoprothesen nicht für den Ersatz kleiner, insbesondere ungeführter Gelenke geeignet.

In der WO 95/00611 wird eine Endoprothese aus einer Keramik vorgeschlagen, die diese Forderungen auch hinsichtlich der Festigkeit des Implantates erfüllt. Es müssen jedoch auch bei diesem Implantat besondere Anstrengungen unternommen werden, um eine feste Verbindung mit dem Knochen herzustellen. Das gilt im besonderen Maße beim Ersatz kleiner Gelenke, die häufig hohen Belastungen ausgesetzt sind und meist nur über eine geringe Knochenanlagefläche verfügen. Bekannte Keramiken bilden im allgemeinen lediglich eine mechanische Haftung auf der Oberfläche des Knochens. Bei einer hohen Beanspruchung sind also große Haftflächen erforderlich.

Da die bekannten bioaktiven Materialien nicht die notwendigen mechanischen Eigenschaften besitzen, um insgesamt die kleinen Gelenke der Finger und Zehen zu ersetzen, muß nach Wegen gesucht werden, um trotzdem die Vorteile der Biokeramiken und Biogläser zu nutzen.

Bei allen Beschichtungen, die eine bioaktive Wirkung in bezug zum Knochen besitzen, ist jedoch die Haftung der

Schicht auf der Substratoberfläche ein weiteres Problem. Häufig müssen spezielle Zwischenschichten eingefügt werden, die die Haftung der Schicht auf der Substratoberfläche verbessern oder überhaupt erst ermöglichen. 5

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Implantat auf keramischer Grundlage vorzuschlagen, das über eine biologische Reaktionsschicht fest mit dem Knochen verbindbar ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Implantat auf keramischer Grundlage vorzuschlagen, das auch für den Ersatz kleiner Gelenke geeignet ist.

Zur Lösung der oben genannten Aufgaben wird eine Endoprothese entsprechend der Form des zu ersetzenden Knochenteiles vorgeschlagen, die mindestens an den Bereichen, die sich mit dem Knochen verbinden sollen, mit einer bioaktiven Glaskeramik beschichtet ist.

Die Dicke der Schicht kann 20 pm 500 pm betragen. Der Implantatkörper besteht dabei vorzugsweise aus einer Keramik auf der Basis von Zirkonoxid und die Beschichtung aus Bioverit®I (Fa. Vitron, Deutschland), wobei die Zusammensetzung des Bioverit®I so ausgewählt wird, daß sie nahezu den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der zu beschichtende Körper besitzt. Die Zusammensetzung der Bioverit®I-Beschichtung ist in folgenden Bereichen wählbar: SiO₂ 19-52 Ma-%, Al₂O₃ 15-33 Ma-%, MgO 5-15 Ma-%, CaO 9-30 Ma-%, Na₂O/K₂O 3-10 Ma-%, F" 0,5-7 Ma-% und P₂O₅ 4-24 Ma-%. Für diese Zusammensetzungen liegen umfangreiche klinische Tests und Gutachten vor, die die Tauglichkeit als Implantat bestätigen. Es wurde nachgewiesen, daß Bioverit®I eine bioaktive Reaktionsschicht mit dem Knochen bildet.

Unverträglichkeitsreaktionen konnten nicht ermittelt werden.

In Versuchen konnte festgestellt werden, daß Bioverit®I als Beschichtung alle an sie zu stellenden Anforderungen

erfüllt. Die Schicht ist mechanisch stabil und verfügt über hervorragende thermische Eigenschaften. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Bioverit®I kann durch Variation der Zusammensetzung so ausgewählt werden, daß er dem der Zirkonoxidkeramik etwa gleich ist. Die Haftfestigkeit der Bioverit®I-Beschichtung auf der Zirkonoxidkeramik ist größer als 20 MPa.

Der besondere Vorteil der mit Bioverit®I beschichteten Zirkonoxidkeramik besteht darin, daß nicht nur eine gute Verbindung zwischen dem Implantatkörper und der Beschicht mg sondern auch zwischen der Beschichtung und dem Knochen der so hergestellten Endoprothese vorhanden ist, da zwischen der Endoprothese und dem Knochen eine bioaktive Reaktionsschicht ausgebildet wird. Diese Reaktionsschicht ist etwa 10 pm bis 15 pm stark und zeigt die innige Verbindung mit dem Knochen. Damit ist ein Verrutschen oder Ausbrechen der Endoprothese infolge von zu hohen Belastungen praktisch ausgeschlossen.

Als Folge der festen Verbindung mit dem Knochen ergeben sich besondere Verbesserungen hinsichtlich der Belastbarkeit der Gelenke und in vielen Fällen ist erstmals der Ersatz eines Gelenkes möglich. Diese Vorteile sind für die Gelenke der Zehen häufig von entscheidender Bedeutung.

Die Erfindung soll in Verbindung mit der Zeichnung besonders hinsichtlich ihrer Eigenschaften näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt die in SBF analysierte Ionenkonzentration in Abhängigkeit von der Auslaugzeit.

Ein Endoprothesenkörper wurde mit einer Glaskeramik aus Bioverit®I beschichtet. Der Endoprothesenkörper besteht aus Zirkonoxidkeramik. In der Schicht der Glaskeramik entstand eine Kristallstruktur. Es entstand eine feste verbindung zwischen dem Endoprothesenkörper und der Glaskeramikschicht.

Der Implantatkörper bestand aus Zirkonoxidkeramik (ZrO2)· Die Glaskeramikbeschichtung bestand aus 30,5 Ma-% SiO2, 11,4 Ma-% P2O5, 15,5 Ma-% A12O3, 14,4 CaO, 14,8 Ma-% MgO, 5,8 Ma-% K2O, 2,3 Ma-% Na20, 4,9 Ma-% F~ und besaß eine Stärke von etwa 100 pm.

Diese Implantate wurden in Tierversuchen getestet. Dazu wurden Anteile der distalen Femurepiphyse von Ratten gemeinsam mit dem Implantat nach Fixierung in gepuffertem Formaldehyd (5%) und anschließender Entwässerung in aufsteigender Alkoholreihe folgender Konzentrationen - 50"., 70%, 96%, 100%, 100% - in Methylmetacrylat {Technovit 7200 VCL) nach KuIzer eingebettet und nach Beendigung der Polymerisation auf einem speziellen Hartschnittmikrotom geschnitten. Die Schnittdicke betrug >10 pm. Nach erneuter Hydrierung wurden die Schnitte gefärbt, dehydriert und zur histologischen Untersuchung in Balsam eingebettet. Zur Färbung wurde Toluidinblau O verwendet.

Die Tierversuche wurden mit folgenden Ergebnissen abgeschlossen. Bei allen Versuchen besitzen die Implantate einen engen flächenhaften Kontakt zum Femurknochen. Bei eventuell auftretenden Spalträumen zwischen den Grenzflächen infolge Inkongruenz wurde letzterer durch neugebildetes Knochengewebe überbrückt. Dieser Vorgang ist der primären Knochenbildung bei einer Frakturheilung vergleichbar. Es wurde keine Kallusbildung beobachtet. Eine Beeinflussung des blutbildenden Parenchyms durch das implantierte Material war in keinem Fall vorhanden. In allen Tierversuchen konnte somit eine gute Osseointegration und damit

Bioverträglichkeit des implantieten Materials nachgewiesen werden.

Zusätzlich zu diesen Tierversuchen wurde die Wirksamkeit der erfindungsgemäß hergestellten Endoprothese in einem Langzeitversuch in einer simulierten Körperflüssigkeit getestet.

Diese simulierte Körperflüssigkeit (SBF) ist in ihrer Konzentration weitestgehend der des menschlichen Blutplasmas ähnlich, wie aus der Tabelle I zu entnehmen ist.

Tabelle 1

Ionen simulierte menschliches

Körperflüssigkeit Blutplasma (SBF)

Na⁺	142,0	142,0
K⁺	5,0	5,0
Mg^{2 +}	1,5	1,5
Ca²+	2,5	2,5
Cl"	148,8	103,0
HCO 3-	4,2	13,5
HPO4-	1,0	1,0

Die beschichtete Endoprothese wurde 12 Wochen bei 37°C in SBF gelagert, wobei jeweils sofort nach der Einlagerung, nach 4 Wochen, nach 8 Wochen und am Ende der Versuchszeit, nach 12 Wochen, die Ionenkonzentration in der SBF gemessen wurden, um Aussagen über die Auflösung und damit die Langzeitstabilität der Glaskeramikbeschichtung treffen zu können. Die Messung der Ionenkonzentrationen der SBF wurde mittels induktiv gekoppelter Plasma-Emissions-Spektroskopie durchgeführt.

Praktisch findet nur eine sehr geringe Auflösung der Beschichtung aus Bioverit®! in der SBF statt, die auch nach

kurzer Zeit zum Stillstand kommt. Somit ist die Beschichtung als langzeitstabil einzuschätzen und die Untersuchungen erhärten die positiven Ergebnisse aus den Tierversuchen.

Claims

European Patent Attorney Patentanwältin

&Ggr;" Dipl.-Ing. Heinke Lange · Fabrikzeile 21 ■ 95028 Hof "&Igr;

L J

Hof, den 29.09.96

Neue Gebrauchssmsteranmeldung

Anmelder: Moje, Hans-Jürgen, Geraer-Str. 17, D-07607

Eisenberg

Meine Akte: 1574-215

Bioaktive Endoprothese

Schutzansprüche
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1. Bioaktive Endoprothese aus einer hochfesten Keramik, die mindestens an den am Knochen anliegenden Bereichen mit einer bioaktiven Glaskeramik mit einer Schichtstärke von 20 pm bis 500 um beschichtet ist.
2. Bioaktive Endoprothese nach Anspruch 1, in der die hochfeste Keramik eine Keramik auf Basis von Zirkonoxid darstellt und die Beschichtung aus einem Bioverit®I (der Fa. Vitron, Deutschland) folgender Zusammensetzung besteht: SiC>2 19-52 Ma-%, AI2O3 15-33 Ma-%, MgO 5-15 Ma-%, CaO 9-30 Ma-%, Na2O/K2O 3-10 Ma-%, F~ 0,5-7 Ma-% und P2O5 4-24 Ma-%, wobei die Zusammensetzung so ausgewählt wird, daß sie nahezu den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Zirkonoxidkeramik besitzt.

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