DE19755334A1 - Beschichtungsmaterial für Prothesen und hiermit beschichtetes Prothesenteil - Google Patents
Beschichtungsmaterial für Prothesen und hiermit beschichtetes ProthesenteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmaterial für Pro
thesen sowie ein hiermit beschichtetes Prothesenteil.
Bei Endoprothesen unterscheidet man grob zwischen zemen
tierten Prothesen und zementfrei implantierten Prothesen.
Bei den zementierten Prothesen wird ein Prothesenabschnitt
unter Verwendung einer Zementschicht fest mit der Wand
einer in einem Knochen erzeugten Kavität verbunden. Bei
zementfrei implantierten Prothesen wächst Knochenmate
rial gegen die Oberfläche der Prothese. Die Prothesen
sind im Hinblick auf hohe mechanische Belastbarkeit aus
einem Metall, in der Regel Titan, hergestellt.
Osteogene Zellen des Knochenmateriales haften jedoch
weniger gut an Metalloberflächen. Es wurde daher schon
vorgeschlagen, die Oberfläche von aus Metall hergestellten
Prothesen oder Implantaten einer Außenschicht aus Hydro
xylapatit zu versehen. Hydroxylapatit ist ein dem Knochen
material verwandtes anorganisches Material, welches die
Einwachskinetik des Implantats günstig beeinflußt. Durch
rasches Anwachsen osteogener Zellen an der beschichteten
Prothesenoberfläche wird die Mobilisierung von Patienten
nach Operationen beschleunigt.
Mit Hydroxylapatit beschichtete Prothesen haben jedoch
den Nachteil, daß zwischen der mineralischen Außenschicht
und dem metallischen Grundkörper der Prothese Risse oder
flächige Ablösungen auftreten können. Hierdurch wird die
Festigkeit der entsprechenden Implantate im Knochen negativ
beeinflußt.
Durch die vorliegende Erfindung soll ein Beschichtungs
material für Prothesen angegeben werden, welche einer
seits einen festen Verbund mit einer Prothesenober
fläche eingeht, andererseits ein rasches Anwachsen osteo
gener Zellen gewährleistet.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Be
schichtungsmaterial gemäß Anspruch 1.
Es wurde überraschend herausgefunden, daß spezielle orga
nische Polymere, die ein gutes Haftvermögen auf metalli
schen Oberflächen oder den Oberflächen von keramischen
Materialien oder Kunststoffverbundmaterialien aufweisen,
auch ein gutes Anwachsen von osteogenen Zellen ermöglichen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter
ansprüchen angegeben.
Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen
4 bis 7 sind im Hinblick darauf von Vorteil, an der un
mittelbaren Grenzfläche zum heranwachsenden Knochenmate
rial eine gewebefreundliche Oberfläche zu haben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er
läutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine seitliche Ansicht einer Oberschenkel-Schaft
prothese; und
Fig. 2 einen transversalen Schnitt durch den Schaft
abschnitt der in Fig. 1 gezeigten Prothese
nach Einführen bzw. Einwachsen in einen Ober
schenkelknochen in vergrößertem Maßstabe.
In Fig. 1 ist mit 10 insgesamt eine Oberschenkel-Schaft
prothese bezeichnet. Sie besteht aus einem aus Metall
gegossenen Prothesenteil 12, welches beim dargestellten
Ausführungsbeispiel im wesentlichen rechteckigen trans
versalen Querschnitt aufweist, sichelähnlich gebogen ist
und sich zum freien Ende hin verjüngt. Das Prothesenteil
12 trägt über einen angeformten Zapfen 14 eine aus Keramik
gefertigte Gelenkkugel 16 mit polierter Oberfläche.
Das Prothesenteil 12 besteht, wie in der Ausschnittver
größerung dargestellt, aus einem aus Titan gegossenen
Prothesengrundteil 18, auf welches eine Außenschicht 20
aus einem Kunststoffmaterial aufgebracht ist.
Die Außenschicht 20 ist in der Nachbarschaft ihrer Ober
fläche durch eine TCPL-Behandlung (tissue culture plasma-Be
handlung; Niederdruckplasmabehandlung) behandelt worden.
Durch diese Behandlung erhält die Oberfläche Modifikationen
und reaktive Zentren sowie biokompatibles Verhalten.
Dieser Teilbereich der Außenschicht 20 ist in der Zeichnung
als getrennte Zwischenschicht 22 wiedergegeben.
Auf der Zwischenschicht 22 ist eine Oberflächenschicht
24 aufgebracht, die ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial
besteht. Die Oberflächenschicht 24 hat ihrerseits durch
eine weitere TCPL-Behandlung eine Randschicht 26 erhalten,
die ähnliche physikalische Eigenschaften aufweist wie
die Zwischenschicht 22.
Als Materialien für die Außenschicht 20 kommen in Betracht:
Epoxidharze, Epoxidharze, die mit 0,1 bis 1,0 mol/mol Acetethylamin (AEM) modifiziert sind, vorzugsweise 0,3 bis 0,8 mol/mol AEM, nochmals vorzugsweise etwa 0,5 mol/mol AEM enthalten; Epoxidharze, die mit Chromschwefelsäure (CrSS) modifiziert wurden; Glutardialdehyd (GDA); Poly- (vinyl)acetate (PVAC), Poly(acrylnitril)e (PAN); Poly- (hydroxybutyrat)e (PHB); Polycarbonate (PA); Poly(oxy methylen) (POM); Poly(acrylat)e (PA); Poly(vinylchlorid)e (PVC); Poly(ethylen)e (PE); Acetylcellulosen; Nitrocellu losen; Polyethylenglykol-400-Diacryl (PEG4-D); Poly(methyl methacrylat)e (PMMA); Poly(vinylpyrolidon) (PVP).
Epoxidharze, Epoxidharze, die mit 0,1 bis 1,0 mol/mol Acetethylamin (AEM) modifiziert sind, vorzugsweise 0,3 bis 0,8 mol/mol AEM, nochmals vorzugsweise etwa 0,5 mol/mol AEM enthalten; Epoxidharze, die mit Chromschwefelsäure (CrSS) modifiziert wurden; Glutardialdehyd (GDA); Poly- (vinyl)acetate (PVAC), Poly(acrylnitril)e (PAN); Poly- (hydroxybutyrat)e (PHB); Polycarbonate (PA); Poly(oxy methylen) (POM); Poly(acrylat)e (PA); Poly(vinylchlorid)e (PVC); Poly(ethylen)e (PE); Acetylcellulosen; Nitrocellu losen; Polyethylenglykol-400-Diacryl (PEG4-D); Poly(methyl methacrylat)e (PMMA); Poly(vinylpyrolidon) (PVP).
Als Material für die Oberflächenschicht 24 eignen sich zu
nächst die schon im Zusammenhang mit der Außenschicht
20 aufgeführten Materialien (als dünnere Schicht aufge
bracht), darüber hinaus ferner folgende besonders gewebe
freundliche, insbesondere knochenfreundliche, Materialien:
Hydroxylapatit; Eiweiße, insbesondere Albumin, Trypsin,
Pepsin, Collagen.
Vorzugsweise ist die freie Oberfläche der Außenschicht
20 (und ggf. der Oberflächenschicht 24) durch eine TCPL-Handlung
modifiziert. Diese besteht darin, daß man die
Oberfläche einer Plasmabehandlung unterzieht, wobei das
Plasma mit z. B. 20-50% Sauerstoff angereichert ist.
Fig. 2 zeigt in der rechten Hälfte das Prothesenteil
12 unmittelbar nach dem Einsetzen in eine in der Spongiosa
28 eines Oberschenkelknochen 30 erzeugten Kavität 32.
Die linke Hälfte von Fig. 2 zeigt die Verhältnisse
nach dem Einwachsen des Prothesenteiles 12: Die zuvor
zwischen der Wand der Kavität 32 und der Außenfläche des
Prothesenteiles 12 liegenden Zwischenräume sind mit
nachgewachsenem Spongiosagewebe 34 ausgefüllt (dichter
gepünktelt dargestellt). Dieses haftet fest an der Ober
fläche des Prothesenteiles, so daß das Prothesenteil
fest mit dem Oberschenkelknochen 30 verbunden ist.
Eine in vitro-Prüfung der verschiedenen o.g. organischen
Polymere auf ihre Biokompatibilität mit Knochenzellen
wurde wie folgt durchgeführt:
Normale Zellkultur- Petrischalen (oberflächenbehandelte
Formteile aus Polystyrol (PS)) wurden auf der Innenseite
mit dem zu prüfenden Polymer bzw. den zu prüfenden Poly
meren (Außenschicht 20 und Oberflächenschicht 24) beschich
tet. Die Schichtoberfläche wurden dabei jeweils der oben
beschriebene sekundären Behandlung (z. B. Plasma, Säure)
unterworfen.
Die so präparierten Schalen wurden zusätzlich UV-steri
lisiert und mit Osteosarkom-Zellen SAOS-2 angeimpft. Die
Zellen wurden in normalem Vollmedium, angereichert mit
Serum (20% FCS in Dubl. mod. ess. Medium (DMEM)) mit
Antibiotika und Vitaminzusätzen für 7 Tage bei 37°C und
5% CO2 inkubiert. Die Vitalität der Zellen nach Inku
bation wurde im MTT-Assay (Formazanbildung) gemessen.
Beim MTT-Assay wird die Anzahl der Zellen über das von
den Mitochondrien erzeugte Stoffwechselenzym Dehydroge
nase gemessen. Dieses katalysiert mit einem im Assay
enthaltenen Teststoff derart, daß ein Farbumschlag erhalten
wird. Dessen Intensität ist ein Maß für die Vitalität der
Zellen und indirekt für die Anzahl der Zellen.
Das höchste Zellwachstum erhält man auf einer TCPL-be
handelten reinen Polystyrol-Schicht. Bezogen auf dieses
Material ist in der nachstehenden Tabelle das mit anderen
Materialien erhaltene Zellwachstum aufgeführt:
Relatives Zellwachstum von SAOS-2 Osteosarkom-Zellen auf
verschiedenen Kunststoffschichten
Aus obiger Tabelle ist gut ersichtlich, daß die Plasma
behandlung von Oberflächen, an welchen sich Zellen an
siedeln sollen, das Zellwachstum deutlich fördert (Ver
gleich von unbehandeltem und behandeltem Polystyrol).
Diese physikalische Oberflächenmodifikation kann z. T.
dadurch ersetzt werden, daß man moderat polare Kunststoffe
verwendet. Auch solche können noch ein Zellwachstum von
80% derjenigen des plasmabehandelten Polystyrols errei
chen, womit diese Kunststoff um rund 30% über unbehan
deltem Polystyrol liegen.
Claims (8)
1. Beschichtungsmaterial für Prothesen, insbesondere
aus Ti, Keramikmaterial oder Faser/Kunststoff-Verbund
material gefertigte Prothesen, dadurch gekennzeichnet,
daß es aus der nachfolgenden Gruppe von Materialien aus
gewählt ist: Epoxidharze, mit Acetethylamin oder CrSS
modifizierte Epoxidharze; Glutardialdehyd; Poly(vinylace
tat); Poly(acrylnitril)e; Poly(hydroxybutyrat)e; Poly-
(acrylat)e; Poly(oxymethylen)e; Poly(styrol)e; Poly(methy
len)e; Poly(ethylen)e; Paraffine; Poly(methylmetacrylat)e;
Acetylcellulosen; Nitrocellulosen; Poly(vinylpyrrolidon).
2. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial ein Epoxid
harz ist, welches mit 0,1 bis 1,0 mol/mol, vorzugsweise
0,3 bis 0,8 mol/mol, nochmals vorzugsweise etwa 0,5 mol/mol
Acetethylamingruppen modifiziert ist.
3. Prothesenteil mit einem zumindest an seiner Oberfläche
aus Metall, vorzugsweise Titan, oder einem Keramik
material oder einem Faser/Kunststoff-Verbundmaterial
bestehenden Prothesengrundkörper (18) und einer von diesem
getragenen Außenschicht (20), dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenschicht (20) aus einem Beschichtungsmaterial
nach Anspruch 1 oder 2 besteht.
4. Prothesenteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die freie Oberfläche der Außenschicht (20) durch
eine Plasmaentladung behandelt ist.
5. Prothesenteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Behandlungsplasma Sauerstoff enthält.
6. Prothesenteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Außen
schicht (20) mit Mikrowellen behandelt ist.
7. Prothesenteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (20) eine
Oberflächenschicht (24) aus einem Material trägt, welches
aus der nachstehenden Gruppe ausgewählt ist: ein Material,
aus welchem auch die Außenschicht (20) bestehen kann; Hydro
xylapatit; Eiweiße, insbesondere Albumin, Trypsin, Pepsin,
Collagen.
8. Prothesenteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß die freie Oberfläche der Oberflächenschicht
(24) durch Plasmaentladung behandelt ist.
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