DE69824876T2

DE69824876T2 - Knochenersatzmaterialien

Info

Publication number: DE69824876T2
Application number: DE69824876T
Authority: DE
Inventors: D. Wesley JOHNSON; R. James JOHNSON; G. Jeffrey MARX
Original assignee: Philips Origen Ceramic Technology LLC
Current assignee: Philips Origen Ceramic Technology LLC
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: JP2001518322A; US6136029A; CN1290181A; EP1024840B1; AU736513B2; WO1999016479A1; EP1024840A1; CA2305431C; CA2305431A1; DE69824876D1; CN1230207C; JP4101458B2; AU9594198A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Knochenersatzmaterialien und insbesondere poröse Materialien, die in der Lage sind, ein Einwachsen von Knochen in seine Poren zu unterstützen oder zu fördern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Im Fall einer Fraktur oder einer anderen Knochenverletzung hängt eine einwandfreie Knochenverheilung und nachfolgende positive Knochenneugestaltung in hohem Maße von der Aufrechterhaltung der Stabilität zwischen Knochenfragmenten ab, und im Fall von decalcifiziertem Knochen von der Aufrechterhaltung von physiologischen Belastungswerten. Externe strukturelle Unterstützung lässt sich durch Verwendung von externen Stützvorrichtungen, wie beispielsweise Gipsverbänden und ähnlichem erzielen. Interne strukturelle Unterstützung wird im Allgemeinen durch interne Fixierungseinrichtungen, wie beispielsweise Knochenplatten, Schrauben, intramedulläre Stäbe, usw. bereitgestellt, von denen einige zu einem späteren Zeitpunkt chirurgisch entfernt werden müssen, was sich für einen Patienten als belastend und traumatisch erweisen kann.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Produkt, das ein Knochenersatzmaterial ist, welches ein Knochentransplantatmaterial ist, und das auch strukturelle Unterstützung bereitstellt. Dies ist vor allem der Fall beim Ersetzen oder Ausbessern von langen Knochen der unteren Extremitäten und für den Einsatz bei spinalen Verbindungstechniken. Trauma, Osteoporose, schwere Osteoarthritis oder Gelenkrheumatismus, künstliche Gelenke und schwerer Knochenkrebs können eine Behandlung unter Einsatz von strukturellen Knochenersatzmaterialien erfordern.
Für eine erfolgreiche Knochentransplantation ist eine knochenleitende Matrix erforderlich, die ein Gerüst für das Einwachsen von Knochen bereitstellt, wobei neuen Knochen bildende Faktoren chemische Wirkstoffe bereitstellen, die eine Knochen-Regenerierung und -Ausbesserung induzieren, knochenbildende Zellen die grundlegenden Bausteine zur Knochenregenerierung bereitstellen durch die Fähigkeit, sich in Knochenbildner und Knochenbrecher aufzuteilen, und eine strukturelle Integrität für die Transplantatposition bereitgestellt wird, die für die Belastungen geeignet ist, die von dem Transplantat getragen werden müssen.
Gegenwärtige Knochentransplantat-Materialien umfassen Autotransplantate (die Verwendung von Knochen vom Patienten), allogene Transplantate (die Verwendung von Spenderknochen) und eine Reihe von künstlichen oder synthetischen Knochenersatzmaterialien. Autotransplantate umfassen gitterartigen Knochen und/oder kortikalen Knochen. Transplantate von gitterartigem Knochen stellen praktisch keine strukturelle Integrität bereit. Die Knochenstärke nimmt zu, wenn sich das Transplantat verbindet und neuer Knochen angelegt wird. Bei kortikalem Knochen stellt das Transplantat zunächst einige strukturelle Festigkeit bereit. Wenn sich das Transplantat mit dem Wirtsknochen verbindet, wird nicht lebensfähiger Knochen jedoch durch Resorption abgebaut, wodurch die Festigkeit des Transplantats in bedeutendem Maß reduziert wird. Die Verwendung von Autotransplantat-Knochen kann zu heftigen Schmerzen des Patienten an der Entnahmestelle führen, und es gibt natürlich eine Grenze hinsichtlich der Menge eines solchen Knochens, der dem Patienten entnommen werden kann. Allogene Transplantate sind Autotransplantaten insofern ähnlich, dass sie gitterartigen und/oder kortikalen Knochen umfassen, wobei größere Mengen und Größen verfügbar sind. Sterilisierungstechniken für allogene Transplantate können die strukturellen und biochemischen Eigenschaften des Transplantats beeinträchtigen. Die Verwendung von allogenem Knochen birgt zumindest einiges Risiko hinsichtlich einer Krankheitsübertragung und das Risiko, dass das Transplantat nicht gut angenommen wird.
Damit Knochenmaterialien für eine strukturelle Ausbesserung zweckmäßig verwendet werden können, müssen sie in komplexe Formen gebracht werden können, die so ausgeführt sind, dass sie sich den Konturen der Ausbesserungsstelle anpassen. Ein präzise umrissenes Transplantat erhöht die Integration von natürlichem Knochen und stellt ein besseres lasttragendes Potential bereit. Enger, lasttragender Kontakt ist oft zwischen dem natürlichen Knochen und dem Knochenersatzmaterial erforderlich, um die Neubildung und Regenerierung des Knochens zu fördern, die zur Verbindung des Transplantats mit dem Wirtsknochen führt.
Eine allgemeine Übersicht über orthopädische implantierbare Materialien wird angegeben in Damien, Christopher J. und Parsons, Russel J., "Bone Graft and Bone Graft Substitutes: A Review of Current Technology and Applications," Journal of Applied Biomaterials, Band 2, S. 187–208 (1991).
Eine Reihe von Materialien wurden für die Verwendung als Knochenersatzmaterialien vorgeschlagen, die einerseits von geformten porösen Metallobjekten, die zur Defektfüllung um Knie- und Hüftgelenkersatz geeignet sind, bis zu geformten Keramikmaterialien andererseits reichen. Keramikmaterialien wurden im Großen und Ganzen durch einen Sinterprozess geformt, in dem ein Pulver eines Keramikmaterials, wie beispielsweise Zirkonoxid, in einer Pressform in die gewünschte Form gepresst und anschließend auf Sintertemperaturen erhitzt wird. Die Porosität des daraus entstehenden Materials ist im Allgemeinen ziemlich niedrig. Materialien, die Kalziumphosphate einsetzen, (beispielsweise Fluor-Apatit, Hydroxy-Apatit und Trikalziumphosphat), können ebenfalls auf diese Weise gesintert werden, wobei das Kalziumphosphat die Fähigkeit aufweist, sich als Substrat für Knochenwachstum (Knochenleitfähigkeit) zu verhalten.
Es wurde vorgeschlagen, Keramikpulver, wie beispielsweise Zirkonoxid und Hydroxy-Apatit und Fluor-Apatit und Spinell zu mischen, und das Gemisch anschließend in einer Pressform zu pressen und entweder zu sintern oder isostatisch heißzupressen, um einen einigermaßen porösen keramischen Stoff aus Zirkonoxid zu erzeugen, der Poren aufweist, die wenigstens teilweise mit Hydroxy-Apatit gefüllt sind. Es wird auf Tamari und andere, U.S.-Patent 4,957,509 und auch auf Aksaci, D. und andere, Porous Fluorapatite/spinel Osteoceramic for Bone Bridges, Ceramic Transactions, Band 48, S. 283 (1995) verwiesen. Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, Keramikgegenstände zu verwenden, die Abschnitte sowohl mit hoher Porosität als auch niedriger Porosität aufweisen, und hier wird auf Hakamatsuka und andere, U.S.-Patent 5,152,791, Johansson, U.S.-Patent 5,464,440 und Borom, U.S.-Patent 4,237,559 verwiesen. Des weiteren siehe Klawitter und andere, U.S.-Patent 4,000,525. Der letztere Verweis betrifft die Verwendung von Al₂O₃-Schlicker, der zu einem Schwamm aufgeschäumt wird, der anschließend gebrannt wird.
Im Großen und Ganzen wiesen Metall- oder Keramikmaterialien, die als Knochenersatz vorgeschlagen wurden, eine niedrige Porosität auf. Das Fachgebiet umfasst Beispiele von im Wesentlichen dichten Metallen und keramischen Stoffen mit einer halbporösen Oberfläche, die mit einem Material auf Kalziumphosphat-Basis gefüllt oder beschichtet wird. Die sich daraus ergebende Struktur weist einen dichten Metall- oder Keramikkern und eine Oberfläche auf, die ein Verbund aus dem Kernmaterial und einem Kalziumphosphat ist, oder eine Oberfläche, die im Wesentlichen ein Kalziumphosphat ist. Die Knochenersatzmaterialien dieser Art sind im Allgemeinen schwer und dicht und häufig in der Struktur bedeutend steifer als Knochen. Hier wird auf die U.S.-Patente 5,306,673 (Hermansson und andere), 4,599,085 (Riess und andere), 4,626,392 (Kondo und andere) und 4,967,509 (Tamari und andere) verwiesen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen starken offenzelligen Gegenstand, der als Knochenersatzmaterial verwendbar und hochporös ist, um so ein Einwachsen von Knochen aufzunehmen, bereit, welcher eine geringe Dichte aufweist, und der ein Material enthält, welches das Einwachsen von Knochen fördert.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung einen offenzelligen Gegerstand bzw. eine Vernetzung, die eine äußere Oberfläche aufweist, die ein Massevolumen definiert, und mit Verbindungsöffnungen, die sich durch das Volumen erstrecken und sich durch die äußere Oberfläche öffnen. Der Gegenstand umfasst einen durchgehenden, starken, stützenden Rahmen, vorzugsweise Keramik, mit Verstrebungen, die eine Vielzahl von Verbindungs-Zwischenräumen über das Massevolumen definieren, und eine poröse knochenleitende Anordnung, die von dem stützenden Rahmen getragen wird und zu den Verbindungsöffnungen hin bloßgelegt ist. Die poröse knochenleitende Anordnung nimmt wenigstens einen Teil des gleichen Massevolumens ein wie die Rahmenkomponente. Es ist wünschenswert, dass die Gegenstände der Erfindung Porenvolumen aufweisen, die im Bereich von 20% bis 90% liegen und vorzugsweise von wenigstens 50%. Des Weiteren ist es wünschenswert, dass die mittlere Größe der Öffnungen der stützenden Rahmenkomponente wenigstens 50 μm beträgt und vorzugsweise in dem Bereich von 200 μm bis 600 μm liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der stützende Rahmen und die knochenleitende Anordnung jeweils durchgehende dreidimensionale Strukturen, die eine 3-3-Konnektivität aufweisen und wenigstens einen Teil und vorzugsweise die Gesamtheit des gleichen Massevolumens einnehmen, wobei jede durchgehende Struktur Verbindungsöffnungen aufweist, die mit den Öffnungen der anderen in Verbindung steht. Die knochenleitende Anordnung kann in den Öffnungen des stützenden Rahmens vorzugsweise als eine durchgehende Phase auf der Oberfläche der Verstrebungen getragen werden, und Poren der knochenleitenden Anordnung, die mit den Zwischenräumen koextensiv verlaufen können oder nicht, stehen mit den Zwischenräumen des stützenden Rahmens in Verbindung.
In einer anderen Ausführungsform bestehen die Verstrebungen aus einem Gemisch oder Verbund, der das stützende Material sowie knochenleitendes Material enthält, wobei das Stützmaterial dem Gegenstand Festigkeit verleiht und das knochenleitende Material wenigstens teilweise auf der Oberfläche der Zwischenräume getragen wird, um so zu den Verbindungsöffnungen hin bloßgelegt zu werden, dass eine knochenleitende Umgebung bereitgestellt wird, die das Knochenwachstum begünstigt.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung einen offenzelligen Gegenstand von irgendeiner der mehreren vorher beschriebenen Arten und mit einer zweiten, im Wesentlichen dichten, durchgehenden Materialkomponente, die auf einer Oberfläche des Massevolumens des ersten Material angebracht ist, wobei die zweite Komponente eine Porosität aufweist, die nicht mehr als 10% ihres Massevolumens beträgt. Die im Wesentlichen dichte Phase kann entweder ein keramischer Stoff, ein Polymer, ein Metall oder ein Verbundmaterial sein, und das Produkt kann Verwendung finden als Hüftstiel oder Tibia-Einsatz einer implantierbaren Prothese.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Zeichnung eines keramikbasierten Gegenstands der Erfindung, welche die durchgehende offene Natur der Stützstruktur veranschaulicht;
2 ist eine schematische Zeichnung eines keramikbasierten Gegenstands der Erfindung, welche ein knochenleitendes Material veranschaulicht, das in den Zwischenräumen der stützenden Rahmenstütze aufgeschäumt ist;
3 ist eine Zeichnung einer Ausführungsform der Erfindung, in der die Verstrebungen ein Verbundstoff sind, der sowohl stützende als auch knochenleitende Materialien enthält;
4 ist eine aufgebrochene Ansicht einer Oberschenkelprothese unter Verwendung einer Ausführungsform der Erfindung; und
5 ist eine aufgebrochene Ansicht einer Tibia-Einsatz-Prothese unter Verwendung einer Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Beim Anfertigen von Gegenständen der Erfindung ist bevorzugt mit der Ausbildung eines harten, festen, offenen Rahmens zu beginnen, der Zwischenräume in dem Größenbereich von etwa 50 μm bis etwa 1000 μm und vorzugsweise von etwa 200 μm bis etwa 600 μm und Porenvolumen von wenigstens etwa 30%, vorzugsweise von wenigstens etwa 50% und am besten von wenigstens etwa 70% aufweist. Das Material des Rahmens kann jedes feste, harte, biologisch verträgliche Material umfassen, wie beispielsweise Keramikmaterialien, Metalle und Verbundstoffe, wie beispielsweise Zirkonoxid/Hydroxy-Apatit oder mit Zirkonoxid gehärtete Tonerde. Vorzugsweise besteht die Rahmenkomponente aus einem Keramikmaterial, wobei Zirkonoxid und Tonerde bevorzugt werden.
In einem bevorzugten Verfahren wird ein Schlicker aus Keramikmaterial angesetzt, indem ein Keramikpulver, wie beispielsweise Zirkonoxid mit einem organischen Bindemittel und Wasser kombiniert wird, um eine Dispersion auszubilden. Die Verstrebungsoberflächen aus einem organischen netzartigen Schaumstoff, wie beispielsweise einem der verschiedenen im Handel erhältlichen Schaumstoffe, die aus Polyurethan, Polyester, Polyether oder ähnlichem bestehen, werden benetzt und mit dem Keramikschlicker beschichtet. Das netzartige Material kann in den Schlicker eingetaucht und anschließend herausgenommen und getrocknet werden, um überschüssigen Schlicker zu entfernen. Falls gewünscht, kann weiterer überschüssiger Schlicker durch irgendeines einer Reihe von Verfahren entfernt werden, einschließlich dem Hindurchführen des Materials zwischen einem Paar von eng beabstandeten Walzen oder durch Beaufschlagen des Materials mit einem Luftstrom. Die Veränderung von Schlicker-Konzentration, Viskosität und Oberflächenspannung stellt die Kontrolle über die Menge von Schlicker bereit, die auf den Schaumstoff-Verstrebungsoberflächen zurückgehalten wird.
Benetzungsmittel und Mittel zur Viskositätskontrolle können für diesen Zweck ebenfalls verwendet werden. Eine große Bandbreite von netzartigen, offenzelligen Materialien kann verwendet werden, einschließlich natürlicher und synthetischer Schwamm-Materialien und Web- und Vliesmaterialen, wobei es bei dieser Ausführungsform nur erforderlich ist, dass das offenzellige Material es ermöglicht, dass der Keramikschlicker im wesentlichen vollständig durch die Öffnungen in die Struktur eindringen kann.
Sobald die netzartigen Verstrebungen mit dem Schlicker beschichtet sind, wird das Schlicker-Lösungsmittel mittels Trocknen entfernt, was in wünschenswerter Weise von einem leichten Erhitzen begleitet wird, und die Struktur wird anschließend auf Sintertemperaturen gebracht, bei denen die Keramikpartikel wenigstens teilweise aneinandergesintert werden, um eine starre, leichte Rahmenstruktur auszubilden, welche die Auslegung der netzartigen Verstrebungen nachahmt. Bevor die Sintertemperaturen erreicht werden, wird der mit Schlicker behandelte Schwamm in wünschenswerter Weise auf einer Temperatur gehalten, bei der sich das organische Material thermisch zersetzt oder verbrennt, wobei eine unvollständig gesinterte keramische Rahmenstruktur zurückbleibt, die anschließend auf die entsprechende Sintertemperatur gebracht wird.
Pyrolisierungs- oder Oxidationstemperaturen liegen für die meisten organischen Stoffe in dem Bereich von etwa 200°C bis etwa 600°C, und Sintertemperaturen für die meisten keramischen Stoffe, die für diese Erfindung relevant sind, liegen in dem Bereich von etwa 1100°C bis etwa 1600°C. Zirkonoxid und Tonerde oder Verbundstoffe auf der Basis von Zirkonoxid und Tonerde sind die bevorzugten keramischen Materialien für die Strukturelemente. Beispiele für Keramikmaterialien für den knochenleitenden Abschnitt umfassen Kalziumphosphate (z. B. Hydroxy-Apatit, Fluor-Apatit und Trikalziumphosphat sowie Gemische davon), beispielsweise bioaktive Gläser, knochenleitende Zemente und Zusammensetzungen, die Kalziumsulfat oder Kalziumkarbonat enthalten.
Metalle, die verwendet werden können, um die harte, feste, durchgehende Rahmenkomponente auszubilden, umfassen Titan, Edelstähle, Kobalt/Chrom-Legierungen, Tantal, Titan-Nickel-Legierungen, wie beispielsweise Nitinol und andere superelastische Metall-Legierungen. Es wird verwiesen auf Itin und andere, "Mechanical Properties and Shape Memory of Porous Nitinol," Materials Characterization [32], S. 179–187 (1994); Bobyn und andere, "Bone Ingrowth Kinetics and Interface Mechanics of a Porous Tantalum Implant Material," Transactions of the 43^rd Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, S. 758, 9.–13. Februar 1997, San Francisco, CA; und auf Pederson und andere, "Finite Element Characterization of a Porous Tantalum Material for Treatment of Avascular Necrosis," Transactions of the 43^rd Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, S. 598, 9.–13. Februar 1997, San Francisco, CA, von denen alle Lehren per Referenz hier aufgenommen wurden.
Metalle können zu einem harten, festen, durchgehenden stützenden Rahmen durch eine Reihe von Herstellungsprozeduren ausgebildet werden, einschließlich Verbrennungssynthese, Beschichtung auf einem "Schaumstoff"-Substrat, chemisches Aufdampfen (siehe U.S.-Patent 5,282,861), Techniken mit verlorenen Formen (siehe U.S.-Patent 3,616,841), Aufschäumen von geschmolzenem Metall (siehe U.S.-Patente 5,281,251, 3,816,952 und 3,790,365) und Replikation von netzartigen Polymer-Schaumstoffen mit einer Aufschlämmung von Metallpulver, wie für die Keramikpulver beschrieben.
Die knochenleitenden und neuen Knochen bildenden Materialien, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind biologisch akzeptierbar und umfassen solche knochenleitenden Materialien wie Collagen und die verschiedenen Formen von Kalziumphosphaten, einschließlich Hydroxy-Apatit, Trikalziumphosphat und Fluor-Apatit, und solche neuen Knochen bildenden Substanzen wie knochenmorphogenetische Proteine (z. B. rhBMP-2); demineralisierte Knochenmatrix; transformierende Wachstumsfaktoren (z. B. TGF-β); Osteoblast-Zellen und verschiedene andere organische Arten, von denen bekannt ist, dass sie Knochenbildung induzieren.
Neuen Knochen bildende Materialien, wie beispielsweise BMP, können auf Gegenstände der Erfindung aufgetragen werden, beispielsweise durch Eintauchen des Gegenstands in eine wässrige Lösung dieses Materials in einer verdünnten Suspension von Collagen Typ I. Neuen Knochen bildende Materialien, wie beispielsweise TGF-β, können auf einen Gegenstand der Erfindung aus einer Salzlösung, die eine effektive Konzentration von TGF-β enthält, aufgetragen werden.
Der durchgehende stützende Rahmen, der Verbindungs-Zwischenräume oder -Öffnungen aufweist, kann als das primäre lasttragende Element betrachtet werden, und das knochenleitende Material ist im Allgemeinen viel schwächer als der stützende Rahmen. Der stützende Rahmen wird vorzugsweise, wie oben erwähnt, aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Zirkonoxid, ausgebildet. Die Rahmenstruktur ist so ausgebildet, dass die Zwischenräume bzw. Öffnungen selbst im Durchschnitt breiter sind als die Dicke der Verstrebungen, welche benachbarte Zwischenräume voneinander trennen. Der lasttragende Rahmen ist im Wesentlichen vollständig durchgehend und mit sich selbst in drei Dimensionen verbunden, und der leere Teil ist ebenfalls im wesentlichen vollständig durchgehend und in drei Dimensionen mit sich selbst verbunden. Diese zwei dreidimensional verbundenen Teile sind ineinander geschoben. Dies kann als eine 3-3-Konnektivitätsstruktur bezeichnet werden, wobei die erste Zahl auf die Anzahl der Dimensionen verweist, in denen der lasttragende Rahmen verbunden ist, und die zweite Zahl auf die Anzahl der Dimensionen verweist, in denen der leere Teil verbunden ist. Das Konnektivitätskonzept wird ausführlicher in Newnham und andere, "Connectivity and Piezoelectric-Pyroelectric Composites," Materials Research Bulletin, Band 13, S. 525–536 (1978) erläutert, dessen Lehren hier durch Referenz aufgenommen wurden. Bei dem hier beschriebenen stützenden Rahmen wird dem Rahmen selbst eine 3 zugewiesen, da er in drei Dimensionen verbunden ist, und der leere Teil wird ebenso behandelt. Im Gegensatz dazu enthalten teilweise gesinterte Pulver-Zusammensetzungen unveränderlich isolierte Poren oder leere Räume, die nicht mit allen anderen Leerräumen verbunden sind. Ein Material nur mit isolierten, (d. h. blinden) Poren in einer dichten Matrix hätte eine 3-0-Konnektivität. Ein Material mit Poren, welche die Matrix vollständig in einer Dimension durchlaufen, ergäbe eine 3-1-Konnektivität, und ein Material mit Poren, die zwei zueinander senkrechte Seiten, nicht jedoch die dritte, miteinander verbinden, hätte eine 3-2-Konnektivität.
Die Öffnungsgrößen in dem stützenden Rahmen betragen vorzugsweise wenigstens etwa 50 μm, und bevorzugt liegen sie in der Größenordnung von 200 μm bis etwa 600 μm. Es wird bevorzugt, dass im Wesentlichen keine Poren oder Leerräume von weniger als 50 μm vorhanden sind. Es sollte klar sein, dass die Öffnungen in dem stützenden Rahmen eine Unzahl unregelmäßiger Formen aufweisen. Die Verbindungs-Öffnungen oder -Zwischenräume, durch die Prozesse biologischen Einwachsens stattfinden können, definieren in drei Dimensionen ein Labyrinth, in dem ein Einwachsen von Knochen und Blutgefäßbildung auftreten können; d. h., die Öffnungen weisen viele Verbindungsstellen mit anderen Öffnungen auf, um so gewundene Pfade durch den Rahmen zu definieren. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass, um das Knochenwachstum in die Rahmenöffnungen angemessen zu unterstützen, die Öffnungen in der Lage sein müssen, das Hindurchführen von Gewebe aufzunehmen, das eine Querabmessung von wenigstens etwa 50 μm aufweist. Vom Konzept her ist es praktisch, sich vorzustellen, dass eine Öffnung von 50 μm in Materialien der Erfindung in der Lage ist, einen Warm durchzulassen, der einen runden Querschnitt und einen Querdurchmesser von 50 μm aufweist. Anders ausgedrückt, eine Öffnung von 50 μm sollte ein Hindurchführen einer Kugel mit einem Durchmesser von 50 μm durch sie ermöglichen. Obwohl es für uns keine vollkommen zufrieden stellende Möglichkeit gibt, die Öffnungsgrößen zu messen, ist es möglich, einen elektronischen Abtast-Mikrographen eines Querschnitts eines Gegenstands der Erfindung zu untersuchen und ihn als planare Projektion der Struktur zu betrachten, mehrere Linien durch den Mikrographen zu ziehen, die Öffnungen zu messen, die von den Linien geschnitten werden und Mittelwert- und Standardabweichungs-Techniken zu verwenden, um ein Bewerten der Größe der Öffnungen zu gestatten.
Es ist ein wichtiges Merkmal von Gegenständen der Erfindung, dass die Zwischenräume des Gegenstands wenigstens teilweise offen bleiben, selbst bei Vorhandensein von knochenleitendem und/oder neuen Knochen bildendem Material. "Offen" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Zwischenräume nicht verschlossen sind, und dass ein Fluid den Gegenstand von einer Seite zur anderen vollkommen durchqueren kann.
Zirkonoxid und andere keramische Stoffe sind, wenn sie zum Ausbilden des stützenden Rahmens verwendet werden, extrem hart und weitaus steifer als Knochen. Obwohl es wünschenswert wäre, für den stützenden Rahmen ein Material zu verwenden, das ein Elastizitätsmodul besitzt, das näher an dem von Knochen liegt, funktionieren Knochenersatzmaterialien der Erfindung gut, für die starre Materialien mit ziemlich offenen Zwischenräumen verwendet werden. Man geht davon aus, dass die letztendliche Verbindung von Knochen mit solchen porösen Gegenständen während des Heilungsprozesses über eine große Oberfläche und Tiefe erfolgt, wenn der eindringende Knochen die Zwischenräume des Gegenstands tief durchdringt. Die wesentliche Schnittstelle von Knochen/Keramik, die sich daraus ergibt, ermöglicht es, dass Kräfte leicht auf den und von dem Keramikrahmen mit bedeutend weniger Belastungskonzentration übertragen werden können im Vergleich zu einer Struktur, die sich aus einer Knochen/Keramik-Verbindung ergibt, die auf einem kleinen Oberflächen-Oberflächen-Kontaktbereich und mit wenig oder keinem Eindringen von Knochen in den Gegenstand auftritt.
Wenn das verwendete knochenleitende Material ein keramischer Stoff ist, z. B. ein Kalziumphosphat, wie beispielsweise Hydroxy-Apatit, und der stützende Rahmen ein keramischer Stoff ist, wie beispielsweise Zirkonoxid, können mehrere Verfahren bei der Herstellung des Gegenstands der Erfindung verwendet werden. Die stützende Zirkonoxid-Rahmenstruktur kann wie oben angegeben hergestellt werden, indem ein Zirkonoxid-Schlicker auf die Oberfläche der Verstrebungen eines netzartigen organischen Materials, wie beispielsweise eines Schaumstoffs aus Polyurethan, Polyester, Polyether oder ähnlichem, als Schicht aufgebracht wird, und anschließend die Temperatur des beschichteten Schaumstoffs erhöht wird, um Schlicker-Lösungsmittel abzuführen, das organische Schaumstoffmaterial thermisch zu zersetzen oder wegzubrennen und schließlich den keramischen Stoff zu erhitzen, um zumindest ein teilweises Sintern der Keramikpartikel zu veranlassen.
Sobald der Keramikrahmen abgekühlt ist, können die Verstrebungen mit einem Schlicker beschichtet werden, der Kalziumphosphat enthält, (z. B. Hydroxy-Apatit), wobei das letztere Material eine Beschichtung auf dem Rahmenmaterial ausbildet, wobei überschüssiger Schlicker von der Rahmenstruktur abläuft. Weil reines Kalziumphosphat sich mit reinem Zirkonoxid nicht gut bindet, kann es wünschenswert sein, dazwischenliegende Schichten bereitzustellen, die einen Bruchteil beider Materialien enthalten. Das sich daraus ergebende Material kann wieder erhitzt werden, um das Schlicker-Lösungsmittel abzuführen und, falls gewünscht, das Hydroxy-Apatit-Material zu sintern, um zu veranlassen, dass Partikel davon wenigstens teilweise miteinander verschmelzen. In dieser Auslegung sind die daraus resultierenden Zwischenräume des stützenden Rahmens von einer Oberfläche zur anderen offen, und die Zwischenräume des zweiten knochenleitenden Materials sind durchgehend, miteinander verbunden und mit den Zwischenräumen der stützenden Rahmenkomponente verbunden (und zu diesen koextensiv).
Beim Ausbilden des Gegenstands kann es wünschenswert sein, die Zirkonoxid-Rahmenkomponente auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der das Schlicker-Lösungsmittel im Wesentlichen abgeführt worden ist und eine teilweise Sinterung begonnen hat, wobei dieser Zustand als eine teilweise gesinterte Phase bezeichnet wird. Zu diesem Zeitpunkt können ein Hydroxy-Apatit-Schlicker oder Schlicker aus einem Verbund von Zirkonoxid und Hydroxy-Apatit aufgetragen werden, wobei das Schlicker-Lösungsmittel durch die Hitze abgeführt wird, und das Zirkonoxid und Hydroxy-Apatit auf eine Sintertemperatur gebracht und zusammen gesintert werden.
In einer Modifizierung der vorher beschriebenen Ausführungsform können dem Hydroxy-Apatit-Schlicker Viskositäts-Kontrollmittel und ein Aufschäummittel zugesetzt werden, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid oder komprimiertes Gas. Nach dem Einführen des Hydroxy-Apatit-Schlickers in die stützende Zirkonoxid-Rahmenstruktur bewirkt ein Erhitzen, dass der Schlicker Blasen und Schaum ausbildet, so dass eine Anzahl kleinerer Poren in der Hydroxy-Apatit-Matrix ausgebildet werden, wobei die Poren des Hydroxy-Apatit-Materials trotzdem im Wesentlichen miteinander verbunden bleiben, durchgehend sind und mit Poren des Zirkonoxid-Rahmens verbunden sind.
In einer anderen Ausführungsform enthält der Schlicker, der zum Beschichten des Polymer-Schaumstoffs und Erzeugen der Vernetzung verwendet wird, Anteile von sowohl dem stützenden Rahmenmaterial (wie beispielsweise Zirkonoxid) als auch dem knochenleitenden Material (wie beispielsweise Hydroxy-Apatit). Das netzartige Polymer-Substrat wird mit dem Schlicker beschichtet, und der Überschuss kann ablaufen. Weiterer überschüssiger Schlicker wird entfernt, indem des Gegenststands durch Quetschwalzen geführt wird oder durch Beaufschlagen des Gegenstandes mit Druckluft. Das daraus resultierende Material wird erhitzt, um Lösungsmittel abzuführen, die organischen Bestandteile thermisch zu zersetzen und die zwei Komponenten des Verbundstoffs zusammen zu sintern. In dem System aus Zirkonoxid und Hydroxy-Apatit liegt das knochenleitende Material vorzugsweise in einem Bereich von bis zu etwa 50 Volumenanteilen und bevorzugter etwa 10 bis 25 Volumenanteilen hinsichtlich des Gesamtvolumens von Zirkonoxid/Hydroxy-Apatit, wobei ausreichendes knochenleitendes Material verwendet wird, um eine knochenleitende Oberfläche in Bezug auf wachsenden Knochen bereitzustellen. Entsprechende Strukturen können beispielsweise 25 Volumenanteile von Hydroxy-Apatit und 75% YSZ (mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid) verwenden. Der netzartige Gegenstand, der daraus resultiert, weist Verstrebungen auf, die aus einem innigen Gemisch der zwei Materialien bestehen. Der Hydroxy-Apatit kann als sehr kleine Inseln auf der Oberfläche der Zirkonoxid-Verstrebung auftreten. In jedem Fall bleibt in dieser Ausführungsform das knochenleitende Material zu den Öffnungen in dem Gegenstand hin so bloßgelegt, dass eine knochenleitende Auswirkung hinsichtlich des eindringenden Knochens bereitgestellt wird.
Wenn die Rahmenkomponente aus Metall besteht, kann das zweiteilige System mit untereinander verbundenen Poren in der gleichen Weise ausgebildet werden wie in dem Fall, in dem die Rahmenkomponente aus Keramikmaterialien besteht, was bedeutet, dass das knochenleitende Material in die Verstrebungen integriert, oder auf die Wände der Metallverstrebungen als Schicht aufgebracht, oder in den Zwischenräumen aufgeschäumt und gesintert werden kann.
Die Knochenersatzmaterialien der Erfindung können durch mehrere Verfahren in die entsprechenden Auslegungen für den Einsatz als ein Knochenersatz ausgebildet werden. In einem bevorzugten Verfahren wird ein organisches Material mit offenen Zwischenräumen, wie beispielsweise netzartiger Polyurethan-Schaumstoff einfach unter Verwendung normaler Schneidegeräte geschnitten, wie beispielsweise Scheren, Skalpelle, Hitzedrahtschneider und ähnliches, bis er die gewünschte Auslegung aufweist. Das so geformte Schaumstoff-Material wird in jedem beliebigen der vorher genannten Verfahren zum Erzeugen des Gegenstands der Erfindung verwendet. In einem anderen Verfahren wird ein organischer Schaumstoff, wie der, auf den vorher Bezug genommen wurde, mit einem Schlicker aus Zirkonoxid oder einem anderen keramischen Stoff beschichtet und erhitzt, um Lösungsmittel abzuführen und den keramischen Stoff in den "ungesinterten" Zustand umzusetzen, wobei er zu diesem Zeitpunkt in die gewünschte Auslegung geformt werden kann. In einem weiteren Verfahren kann ein Knochenersatz der Erfindung, der vollständig gesintert ist, mittels standardmäßigen Formgebungsverfahren, wie beispielsweise Sägen und Schleifen, Wasserstrahl- oder Laserschnitt usw. ausgeformt werden.
Wenn der stützende Rahmen des Gegenstands aus Metall ist, kann er durch entsprechende spanabhebende Bearbeitung in die gewünschte Form ausgeformt werden, bevor ein knochenleitendes oder neuen Knochen bildendes Material eingeführt wird. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Poren eines Metallmaterials zuerst mit Wachs gefüllt werden können, und die sich daraus ergebende Struktur gefroren wird, so dass das Wachs die Metallstruktur während der spanabhebenden Bearbeitung stützt, wobei das Wachs anschließend einfach geschmolzen wird, damit das Wachs entweichen kann. Diese Prozedur kann insbesondere von Nutzen sein, wenn die Metallrahmen-Komponente eine sehr dünne Wandstruktur mit großen leeren Öffnungen umfasst, deren Verstrebungen infolgedessen unbeabsichtigt leicht verbogen werden können.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Gegenstände der Erfindung einen stützenden Rahmen mit zugesetzten elastischen Materialien, wobei der Rahmen selbst relativ große Öffnungen und ein hohes Porenvolumen aufweist und beispielsweise durch Sintern an einem zweiten, dichteren Strukturelement angebracht ist, das aus dem gleichen oder einem anderen Material sein kann, das aber kleinere Öffnungen und ein kleineres Porenvolumen aufweist. Vorzugsweise ist dieser dichtere Teil im Wesentlichen vollkommen dicht, das heißt, er weist ein Porenvolumen von weniger als 10 auf. Der dichtere Teil kann die Form einer halbhohlen Platte annehmen, eines Stabs, der als ein Stiel dienlich ist, der in den intramedullären Kanal eines langen Knochens für ein Einsetzen eines vollständigen künstlichen Hüft- oder Kniegelenks aufgenommen werden kann, oder einer Platte, die als Tibia-Einsatz einer Knieprothese verwendbar ist, usw. Das letztere Material kann als ein Stab oder Stiel ausgebildet werden, was beispielsweise für Oberschenkel-Hüftstiel-Prothesen oder Tibia-Einsatz-Prothesen nützlich sein kann, oder es kann als eine dünne Schicht in bezug auf den ersten Teil ausgebildet werden, so dass die sich daraus ergebende Struktur natürlichen Knochen insofern nachahmt, als der zweite Teil kortikalem Knochen – der harten, dichten, äußeren Schicht eines Knochens – ähneln kann, wogegen der erste Teil etwas offener und poröser sein kann und daher gitterartigem Knochen mehr ähnelt.
4 zeigt eine Oberschenkel-Hüftstiel-Prothese 30, die vollständig aus keramischem Material besteht, wobei die Prothese einen dichten Stielabschnitt 32, einen winkligen Hals 34, der in einer Gelenkkugel 36 endet, und einen winkligen Schulterabschnitt 38 aufweist. Wie in 4 dargestellt, umfasst der Schulterabschnitt eine dicke Schicht 40 eines Gegenstands der Erfindung mit einem Rahmen mit relativ großen Öffnungen, der von dem dichteren Abschnitt 42 der Prothese getragen wird. Die Beschichtung 38 fördert das Einwachsen von Knochen, wenn die Prothese in den Oberschenkel eines Patienten implantiert worden ist.
4 veranschaulicht einen Tibia-Einsatz 50, der eine obere Platte 52 aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht mit einer ein Gelenk ausbildenden Oberfläche 54 aufweist. Die Platte aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht wird von einer Platte 56 aus dem dichten Material der Erfindung gestützt, wobei die Platte 56 integral mit einem sich nach unten erstreckenden Stiel 58 ausgebildet ist. Das offene Rahmenmaterial der Erfindung ist in Form einer Platte 60 dargestellt, die in einer nach unten offenen Ausnehmung 62 aufgenommen wird, die in der Unterseite der Platte 56 ausgebildet ist, wobei sich der Rahmen 60 um das obere Ende des Stiels, wie bei 64 gezeigt, in einer relativ dicken Schicht nach unten erstreckt, um das Einwachsen von Knochen in diesem Bereich zu fördern.
Der dichte Abschnitt der vorher beschriebenen Konstrukte kann durch irgendeine beliebige der allgemeinen Keramik-Formtechniken bereitgestellt werden, wie zum Beispiel Schlickerguss, Foliengießen oder Beschichten und Trocknen von aufeinander folgenden Schlickerschichten auf einer Oberfläche eines "Schaumstoffs", bis eine dichte Schicht ausgebildet ist. Trockenpressen, Spritzgießen und Extrusions-Techniken können ebenfalls geeignet sein. Der "grüne" dichte Abschnitt wird mit dem "grünen" Abschnitt mit niedriger Dichte durch den Einsatz eines Keramik-Schlickers von im Wesentlichen ähnlicher Zusammensetzung wie derjenige Schlicker zusammengefügt, der zum Ausbilden des Abschnitts mit niedriger Dichte verwendet wird, oder von einer im Wesentlichen ähnlichen Zusammensetzung wie derjenige Schlicker, der zum Ausbilden des dichten Abschnitts in dem Fall eines dichten Schlickerguss-Abschnitts verwendet wird. "Grün" bezieht sich hier auf den Zustand eines Keramik-Gegenstands, der ausgebildet und zu einer selbststützenden Struktur getrocknet wurde, aus dem die organischen Bestandteile jedoch noch nicht entfernt worden sind. Der dichte Abschnitt kann neben den vorher aufgezählten Materialien alternativ aus einem resorbierbaren Polymer-Material, einem resorbierbaren Keramikmaterial oder einem resorbierbaren Verbundmaterial bestehen.
Während eines chirurgischen Verfahrens können die Öffnungen der Gegenstände der Erfindung mit einem Kalziumphosphat-Zement gefüllt werden, beispielsweise um die Gegenstände an Knochen anzukleben. Der Kalziumphosphat-Zement härtet in den Zwischenräumen aus und stellt eine sichere Bindung an die Gegenstände bereit.
Die Erfindung ist leichter zu verstehen unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele:
Beispiel 1
Ein Zirkonoxid-Schlicker wurde durch Kombinieren der folgenden Einsatzstoffe und durch deren gründliches Mischen durch eine Kugelmühle in einem Polyethylen-Behälter unter Verwendung von Zirkonoxid-Medien angesetzt:
150 Gramm teilweise stabilisiertes Zirkonoxid-Pulver (Zirconia Sales America)
2,25 Gramm Dispergiermittel (Rohm and Haas, Produkt D-3021)
15 Gramm Bindemittel (Rohm and Haas, Produktbezeichnung B-1000)
0,375 Gramm oberflächenaktiver Stoff/Benetzungsmittel (Air Products Surfynol^TM TG)
0,26 Gramm Entschäumer (Henkel Nopco^TM NXZ)
36 ml entionisiertes Wasser
Stücke von netzartigem Polyester-Polyurethan-Schaumstoff mit 10–80 Poren pro Zoll (Stephenson and Lawyer) wurden in den vorher genannten Schlicker getaucht und wiederholt zusammengepresst, um darin gefangene Luftblasen zu entfernen. Die Schaumstoffe wurden aus dem Schlicker herausgenommen, und der überschüssige Schlicker konnte ablaufen. Weiterer überschüssiger Schlicker wurde entfernt, indem die Schaumstoffe mehrmals zwischen einem Paar von Edelstahl-Quetschwalzen hindurchgeführt wurden. Die sich daraus ergebenden Stücke konnten bei Raumtemperatur trocknen, gefolgt von einem Trocknen bei Temperaturen von bis zu 100°C an der Luft. Als die Stücke trocken erschienen, wurden sie erhitzt, um organische Stoffe thermisch zu zersetzen und zu entfernen, (Bindemittel, Dispergiermittel, oberflächenaktiver Stoff, Entschäumer und netzartiger Polymer-Schaumstoff), und wurden anschließend bei einer Temperatur von etwa 1400°C eine Stunde lang gesintert. Der bevorzugte thermische Zyklus für das Vorgenannte umfasst ein Erhöhen der Temperatur der Stücke mit einer Geschwindigkeit von 2°C pro Minute bis auf 600°C, das Halten der Temperatur bei 600°C für die Dauer von zwei Stunden, und das anschließende Erhöhen der Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 5°C pro Minute bis auf 1400°C, wobei diese Temperatur eine Stunde lang gehalten wird. Der Ofen wird dann mit einer Geschwindigkeit von etwa 10°C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das daraus resultierende Produkt war ein fester, leichtgewichtiger, poröser Zirkonoxid-Rahmen bzw. eine Zirkonoxid-Vernetzung mit einem Porenvolumen von etwa 76%. Der Rahmen wurde dann mit einem Schlicker beschichtet, der sowohl Zirkonoxid als auch Hydroxy-Apatit enthielt. Der Schlicker wurde, wie vorher beschrieben, durch Kombinieren der folgenden Einsatzstoffe und anschließendes Mischen in der Kugelmühle angesetzt:
75 g teilweise stabilisiertes Zirkonoxid (Zirconia Sales America)
12,89 g Hydroxy-Apatit (Plasma Biotal)
1,5 g Dispergiermittel D-3021
10 g Bindemittel B-1000
0,25 g oberflächenaktiver Stoff/Benetzungsmittel Surfynol^TM TG
0,24 g Entschäumer Nopco^TM NXZ
32 ml entionisiertes Wasser
Das Hydroxy-Apatit stellte 25% des Volumens des kombinierten Hydroxy-Apatits und Zirkonoxids bereit.
Stücke des Zirkonoxids, das wie vorher beschrieben angesetzt worden ist, wurden in den Schlicker getaucht und mechanisch hin- und herbewegt, um Luftblasen zu entfernen und das vollständige Eindringen des Schlickers in die Öffnungen sicherzustellen. Überschüssiger Schlicker konnte ablaufen und weiterer Schlicker wurde mit einem Strom von Druckluft entfernt. Die Stücke wurden getrocknet und anschließend mit einer Geschwindigkeit von 5°C pro Minute auf eine Sintertemperatur von 1400°C gebracht und eine Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten. Das sich daraus ergebende Produkt umfasst einen festen Keramikrahmen aus Zirkonoxid, dessen Verstrebungen eine Oberflächenschicht aufweisen, die 75 Volumenanteile Zirkonoxid und 25 Volumenanteile Hydroxy-Apatit enthält. Die Struktur dieses Produkts ist in 1 dargestellt, und die offene Art des stützenden Zirkonoxid-Stützrahmens und die 3-3-Konnektivität des Rahmens und des Hydroxy-Apatits kann beobachtet werden.
Falls gewünscht, kann eine zusätzliche Schicht bzw. Schichten zu der vorher genannten Struktur hinzugefügt werden. Beispielsweise wurden in einer Ausführungsform Muster der vorher genannten Struktur in einen Schlicker getaucht, der etwa 50 Vol.-% Zirkonoxid und Hydroxy-Apatit enthielt, wobei man die Muster ablaufen, trocknen und wie vorher bei 1400°C sintern ließ.
Beispiel 2
Dieses Beispiel beschreibt die Bereitstellung eines stützenden Rahmens aus einem Verbund aus Zirkonoxid und Hydroxy-Apatit, dessen Verstrebungen eine Beschichtung aus Hydroxy-Apatit tragen.
Es wurden zwei Keramik-Schlicker angesetzt. Der erste, der Zirkonoxid mit 15 Volumenanteilen von Hydroxy-Apatit enthielt und als ZHA-15-Schlicker bezeichnet wird, wurde durch Mischen in einer Kugelmühle wie in Beispiel 1 angesetzt, wobei die folgenden Einsatzstoffe verwendet wurden:
273,99 g teilweise stabilisiertes Zirkonoxid
26,01 g Hydroxy-Apatit (HiMed)
3 g Poly(ethylenoxid)-Bindemittel (Acros)
6 g Dispergiermittel (Darvan^TM C, R. T. Vanderbilt)
0,75 g oberflächenaktiver Stoff/Benetzungsmittel Surfynol^TM TG
126 ml entionisiertes Wasser
Der zweite Schlicker, der als HA-Schlicker bezeichnet wird, wurde durch Mischen der folgenden Einsatzstoffe in einer Kugelmühle angesetzt:
50 g Hydroxy-Apatit (Hinted)
0,5 g Poly(ethylenoxid)-Bindemittel (Acros)
0,125 g oberflächenaktiver Stoff/Benetzungsmittel Surfynol^TM TG
1 g Dispergiermittel (Darvan^TM C, R. T. Vanderbilt
76 ml entionisiertes Wasser
Muster des netzartigen Polyester-Polyurethan-Schaumstoffs, auf den in Beispiel 1 verwiesen wurde, wurden wie in Beispiel 1 mit dem ZHA-15-Schlicker beschichtet. Die beschichteten Muster wurden bis zum "grünen" Zustand getrocknet und anschließend wie in Beispiel 1 wärmebehandelt, um organische Materialien zu entfernen, und danach bei 1400°C gesintert.
Abhängig von den verwendeten relativen Mengen von Zirkonoxid und Hydroxy-Apatit kann das Hydroxy-Apatit als kleine "Inseln" auf der Oberfläche der Verstrebungen erscheinen; dies ist in 3 dargestellt. Es wird ausreichend Hydroxy-Apatit oder anderes knochenleitendes Material verwendet, um die Oberfläche der Verstrebungen mit knochenleitenden Eigenschaften zu versehen.
Nach dem Abkühlen wurden die Muster mit dem HA-Schlicker beschichtet, getrocknet, zum Entfernen von organischen Materialien erhitzt und bei 1400°C gesintert. Die Verstrebungen der daraus resultierenden Struktur bestanden aus einem Kern von teilweise stabilisiertem Zirkonoxid-Verbundstoff mit 15 Volumenanteilen Hydroxy-Apatit und einer Oberflächenschicht aus Hydroxy-Apatit.
Beispiel 3
Eine "exoskelettale" Struktur wurde bereitgestellt, die, wie vorher beschrieben, aus einer offenporigen Struktur bestand, die an eine dichte Stütz-"Platte" gebunden war, die in einer Ausführungsform aus Zirkonoxid und in einer anderen Ausführungsform aus ZHA-15 bestand, wobei die offenporige Struktur gitterartigen Knochen simuliert, und die dichte Struktur kortikalen Knochen simuliert.
Stützplatten aus Zirkonoxid und ZHA-15 wurden mit Schlickerguss auf ebenen Stuckgips-Oberflächen jeweils unter Verwendung des Zirkonoxid-Schlickers von Beispiel 1 und des ZHA-15-Schlickers von Beispiel 2 hergestellt. Grüne netzartige Strukturen aus ZHA-15, wie sie in Beispiel 2 bereitgestellt wurden, wurden in dem nassen Schlicker jeder Ausführungsform positioniert, unmittelbar nachdem die letzteren gegossen wurden. Die sich daraus ergebenden Muster wurden getrocknet und erhitzt, und die Plattenabschnitte wurden beschnitten, wenn sie die "lederharte" Phase erreicht hatten. Die Trocknung erfolgte an der Luft und anschließend durch Trocknen in einem Ofen bei Temperaturen bis zu 100°C. Die Muster wurden weiter erhitzt, um organische Materialien zu entfernen, und jedes wurde als eine Einheit bei 1400°C gesintert. Nach dem Abkühlen wurde der poröse Abschnitt jedes Musters, der gitterartigen Knochen simuliert, nochmals mit dem ZHA-15-Schlicker beschichtet. Überschüssiger Schlicker wurde durch Druckluft entfernt, und die Muster wurden wieder getrocknet und eine Stunde lang bei 1400°C gesintert. Die sich daraus ergebenden Muster wiesen alle einen hochporösen Abschnitt auf, der gitterartigen Knochen nachahmt, der sicher an einen dichteren Plattenabschnitt, der kortikalen Knochen nachahmt, gebunden war und in 4 dargestellt ist.
Beispiel 4
Eine Hydroxy-Apatit enthaltende Suspension wurde angesetzt, indem Folgendes kombiniert und gemischt wurde:
20 g Hydroxy-Apatit
18 ml einer wässrigen Lösung, die 1% eines Schaumstoff-Stabilisators enthält (Lattice^TM NTC, FMC Corp.)
18 ml dreiprozentige Wasserstoffperoxid-Lösung
Muster von Zirkonoxid, die wie in Beispiel 1 vorbereitet und gesintert wurden, bildeten einen endoskelettalen Rahmen, und die Rahmenöffnungen wurden mit der Hydroxy-Apatit-Suspension gefüllt. Die Muster wurden mit einer Geschwindigkeit von 10°C pro Stunde auf eine Temperatur von 80°C erhitzt und zwei Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Das Erhitzen der Suspension verursacht, dass sich das Wasserstoffperoxid zersetzt und Sauerstoff-Gasblasen freisetzt. Diese Blasen verursachen, dass die Suspension aufgeschäumt wird und ansteigt. Bei weiterer Erhitzung stabilisiert sich die aufgeschäumte Struktur aus Hydroxy-Apatit. Die Muster wurden weiter erhitzt, um organische Materialien zu entfernen und wurden eine Stunde lang bei 1300°C gesintert. Die sich daraus ergebende, in 2 dargestellte Struktur umfasst einen Zirkonoxid-Rahmen mit Öffnungen, die teilweise mit einem hochporösen (etwa 50 Volumenanteile Porenraum) Hydroxy-Apatit-Schaumstoff gefüllt sind. Die Zwischenräume bzw. Öffnungen des Zirkonoxid-Rahmens bleiben offen und unverschlossen, wie dargestellt, und die Öffnungen des Zirkonoxid-Rahmens stehen mit den Poren der aufgeschäumten Hydroxy-Apatit-Beschichtung in Verbindung.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen, Anpassungen und Modifizierungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Ansprüche im Anhang abzuweichen.

Claims

Poröser Gegenstand, der als Knochenersatzmaterial verwendbar ist, der eine äußere Oberfläche aufweist, die ein Massevolumen umschließt, wobei der Gegenstand einen stützenden gesinterten, lasttragenden Rahmen mit Verstrebungen umfasst, die eine Vielzahl von Verbindungs-Zwischenräumen über das gesamte Massevolumen definieren, und eine poröse knochenleitende Anordnung, die von dem stützenden Rahmen getragen wird und innerhalb der Verbindungs-Zwischenräume bereitgestellt wird, wobei der Gegenstand Verbindungsöffnungen aufweist, die sich durch das Massevolumen erstrecken und sich durch die äußere Oberfläche öffnen, wobei die knochenleitende Anordnung zu den Verbindungsöffnungen hin bloßgelegt ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei sich die knochenleitende Anordnung durch das Massevolumen erstreckt.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs-Zwischenräume des stützenden Rahmens in der äußeren Oberfläche enden, und wobei die knochenleitende Anordnung sich von der äußeren Oberfläche nach innen in das Massevolumen erstreckt, aber nicht durch das gesamte Massevolumen.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die knochenleitende Anordnung als eine durchgehende Beschichtung auf den Verstrebungen getragen wird.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsöffnungen der knochenleitenden Anordnung in Verbindung stehen mit den Verbindungs-Zwischenräumen des stützenden Rahmens sich aber nicht koextensiv dazu erstrecken.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der stützende Rahmen ein Hohlraumvolumen aufweist, das wenigstens 50% des Massevolumens des Gegenstands beträgt.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der stützende Rahmen die in den Verstrebungen integrierte knochenleitende Anordnung umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 1, der in den Zwischenräumen einen Kalziumphosphat-Knochenzement enthält.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der ein vergleichsweise dichtes Strukturelement umfasst, das an einer Oberfläche des Massevolumens befestigt ist und eine Porosität von nicht mehr als 10% aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 9, wobei das Strukturelement einen Stab umfasst, der als Schaft verwendbar ist, der in einem intramedullären Kanal eines langen Knochens aufgenommen werden kann.
Gegenstand nach Anspruch 9, wobei ein Strukturelement eine Platte umfasst, die als Tibia-Einsatz einer Knieprothese verwendbar ist.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der stützende Rahmen Keramik ist.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ein knochenleitendes Material umfasst, das von dem stützenden Rahmen getragen wird und zu den Zwischenräumen hin bloßgelegt ist.
Gegenstandnach Anspruch 1, wobei der stützende Rahmen Zirkonoxid enthält.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die knochenleitende Anordnung eine keramische knochenleitende Anordnung ist, die an diskreten Stellen entlang der Verstrebungen getragen wird und zu den Verbindungs-Zwischenräumen bloßgelegt ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die knochenleitende Anordnung als eine im Wesentlichen durchgehende Beschichtung getragen wird, die auf den Verstrebungen ausgebildet ist, und wobei der stützende Rahmen und die knochenleitende Anordnung eine 3-3-Konnektivität aufweisen.
Gegenstand nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, wobei die keramische knochenleitende Anordnung einen Kalziumphosphat-Verbindung enthält.
Gegenstand nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine zweite poröse knochenleitende Anordnung, die von der ersten knochenleitenden Anordnung getragen wird.
Gegenstand nach Anspruch 18, wobei die ersten und zweiten porösen knochenleitenden Anordnungen jeweils ein knochenleitendes Material umfassen, wobei die Konzentration des knochenleitenden Materials in der zweiten Anordnung größer ist als die der ersten Anordnung.
Gegenstand nach Anspruch 18, wobei der stützende Rahmen Zirkonoxid enthält, die erste poröse knochenleitende Anordnung Hydroxy-Apatit enthält, und die zweite poröse knochenleitende Anordnung Hydroxy-Apatit in einer Konzentration enthält, die größer ist als die Konzentration des Hydroxy-Apatits in der ersten porösen knochenleitenden Anordnung.
Gegenstand nach Anspruch 20, wobei die ersten und zweiten porösen knochenleitenden Anordnungen Zirkonoxid enthalten.
Verfahren zum Ausbilden eines porösen Gegenstands gemäß den Ansprüchen 1 bis 21, wobei das Verfahren das Bereitstellen einer organischen offenporigen Struktur, das Beschichten von Oberflächen von Poren der Struktur mit einem keramischen Überzug, das Pyrolisieren der organischen Struktur zum Hinterlassen einer keramischen Struktur mit Verstrebungen, welche die Verbindungs-Zwischenräume definieren, und das Bereitstellen einer porösen knochenleitenden Anordnung innerhalb der Zwischenräume umfasst, die zu den Verbindungs-Zwischenräumen hin bloßgelegt ist, wobei Verbindungsöffnungen der knochenleitenden Anordnung mit den Verbindungs-Zwischenräumen der keramischen Struktur verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 22, umfassend den Schritt des Sinterns der keramischen Struktur.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Sinter-Schritt ausgeführt wird, bevor die knochenleitende Anordnung in den Verbindungs-Zwischenräumen bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Sinter-Schritt ausgeführt wird, nachdem die knochenleitende Anordnung in den Verbindungs-Zwischenräumen bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 22, umfassend den Schritt des Formens der organischen offenporigen Struktur zu einer vorgegebenen Konfiguration, bevor deren Poren mit dem keramischen Überzug beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 22, umfassend den Schritt des Formens der organischen offenporigen Struktur zu einer vorgegebenen Konfiguration, nachdem deren Poren mit dem keramischen Überzug beschichtet worden sind.
Verfahren nach Anspruch 22, umfassend den Schritt des Einführens eines Kalziumphosphat-Knochenzements in die Zwischenräume.