DE4040850A1 - Verfahren zur festhaftenden beschichtung von titan-implantaten mit bioglaskeramiken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur festhaftenden Beschich­ tung von Titan-Implantaten mit Bioglaskeramiken, welche die Her­ stellung von bioaktiven und zugleich mechanisch hochstabilen Implantaten für den Knochenersatz auf verschiedenen chirurgischen bzw. orthopädischen Gebieten gestattet. Die Anwendung derartiger Implantate erstreckt sich auch auf spezielle Bereiche der Stoma­ tologie und Traumatologie. Zur Anwendung kommen das sich vielfach bewährte Titan als metallischer Grundkörper und verschiedene, handelsübliche, d. h. medizinisch getestete, bioaktive Silicat-Glas­ keramiken.

Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um die hohe mechani­ sche Stabilität von bioinerten Metallen mit den Vorzügen von biokombatiblen bzw. bioaktiven Oxidmaterialien in Form eines langzeitlich beständigen, aber auch biologisch aktivierenden Im­ plantats zu kombinieren und so für den lebenden Knochen die Voraussetzung für eine wahre Verbundosteogenese zu schaffen. Die bekannten Materialkombinationen und/oder ihre technologischen Verfahren zur Realisierung des Materialverbundes sind jedoch durch verschiedene z. T. entscheidende Nachteile gekennzeichnet, so daß sie in der implantologischen Praxis als unbefriedigend angesehen werden müssen oder ihr medizinisches Einsatzfeld äußerst begrenzt ist.

So sind z. B. aufwendige Klebetechniken für das Verbinden von kompakten Glaskeramik-Stücken mit metallischen Implantat-Grund­ körpern bekannt, die einerseits in medizinischer Hinsicht nicht unbedenkliche organische Kleber verwenden bzw. andererseits in der beliebigen geometrischen Ausformung des Implantatkörpers gemäß dem beabsichtigten Einsatz gewissen technischen Einschrän­ kungen unterliegen (DD-PS 2 82 179). Zum Teil werden auch zusätzlich technologisch aufwendige Preßformen verwendet (DE-PS 34 03 589). In der Patentschrift DE-PS 38 47 583 wird das iso­ statische Heißpressen von Hydroxylapatit auf einen Titan-Kern vorgeschlagen, wobei durch einen anschließenden Ionenbeschuß eine partielle Entwässerung erzielt wird. Hydroxylapatit ist jedoch eine Substanz, die resorbiert wird, so daß im medizini­ schen Einsatz nach kurzer Zeit jedoch nachteilig wieder das bio­ inerte Titan an den lebenden Knochen angrenzt.

In Patenten werden auch apparativ komplizierte und in der geomet­ rischen Ausformung des Implantatkörpers stark eingeschränkte und nur schwer reproduzierbare Schleudertechniken beschrieben (Er­ starren von Materialkombinationen unter der Wirkung von Flieh­ kräften, wobei z. T. auch Komposite mit Appatitteilchen Verwen­ dung finden; JP-P 62 795-83).

Darüber hinaus existieren auch Lösungsansätze, die durch extrem aufwendige Mehrschritt-Technologien mit Multischichtfolgen zur Materialparameter-Anpassung (DE-PS 35 16 411) bzw. mit kompli­ zierten Drahthilfsgeflechten (DE-PS 36 29 813) zur Schaffung einer haftfesten Verbindung gekennzeichnet sind.

Zur Beschichtung von in der Prothetik üblichen Metallen sind auch verschiedene Abscheidungsverfahren aus Gas- bzw. Dampfphase be­ schrieben. So entspricht es dem Stand der Technik, daß das zeit­ aufwendige Sputtern wohl das Aufbringen gut haftender Schichten erlaubt, deren Dicke jedoch nur im nm-Bereich liegt. Die Plasma-Sprüh­ technik gestattet einerseits das Auftragen von einigen um starken Oxidschichten (DÖRRE, Biomedizin. Techn. 34 (1989) 46), andererseits stellt sich jedoch nur bedingt eine hinreichende Stoß- und Haftfestigkeit ein.

Bisher wurden nur wenige Beschichtungstechniken beschrieben, die einen weitgehenden Erhalt der chemischen Zusammensetzung und des gewünschten Phasenbestandes des oxidischen Ausgangsmaterials ge­ währleisten (JP-P 1 69 547-86, DE-PS 37 11 426). Diese Verfahren sind jedoch nur auf den quasieinphasigen, von lebendem Gewebe re­ sorbierbaren und damit nur zeitlich begrenzt wirksamen Hydroxyl­ apatit beschränkt.

Als bisher ungelöst muß eine technologisch einfache Erstellung eines Verbundimplantats aus einem Titan-Kernkörper und einer festhaftenden, allseitigen, zugleich gleichmäßigen und langzeit­ stabilen Bedeckung (optimale Dicke: 50-200 µm) aus bioaktiven, z. T. vielkomponentigen bzw. mehrphasigen Silicat-Glaskeramiken im Sinne optimierter Kompositmaterialien wie ilmaplant ® L1 (THIEME et. al. Med. aktuell 14 (1988) 304; Information für Ärzte u. Apotheker; Werk für Techn. Glas Ilmenau) oder BIOVERIT ® I (DD-PS 2 37 728, Messeinformation, Jenaer Glas), aber auch Bioglas ® (DE-OS 28 18 630) bzw. Ceravital ® (DE-AS 23 26 100) an­ gesehen werden (s. u.a. ONDRACEK et al. CERAMIKA ACTA, Bologna 0 (1989) 7).

Ziel der Erfindung ist es, für die medizinische Prothetik ein Verfahren zu entwickeln, welches auf technologisch einfache Weise die allseitige Belegung von Titan-Implantatkörpern mit festhaf­ tender bioaktiver Glaskeramik ermöglicht. Durch eine neuartige Eigenschaftskombination von Bioaktivität, mechanischer und biolo­ gischer Langzeitstabilität einschließlich haftfester Verbindung Metall-Keramik und merklich erhöhter Anpassung der Implantatform an den medizinischen Einsatz sollen völlig neue Anwendungsgebiete für die plastische und prothetische Chirurgie erschlossen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein bioaktives und mechanisch hochbelastbares medizinisches Implantat mit optimal an den Ein­ satzzweck angepaßter Form zu erzeugen, welches sich durch einen haftfesten, feuchtestabilen und zugleich biologisch beständigen Verbund von dem vielfach bewährten Titan als Grundkörpermetall und bioaktiven Glaskeramiken mit Langzeitstabilität auszeichnet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der Titanoberfläche des Implantat-Grundkörpers aus einer nichtwäßri­ gen Suspension der gepulverten Bioglaskeramik eine spezifisch gewachsene Schicht elektrophoretisch abgeschieden und einer ther­ mischen Nachbehandlung unter definiertem Sauerstoffpartialdruck unterzogen wird. Unter derartigen Bedingungen bildet sich uner­ wartet aus dem mit Suspensionsträger-Flüssigkeit durchtränkten porösen Belag eine in sich stabile Glaskeramik-Schicht mit festhaftendem Verbund zum Titan-Grundkörper heraus.

Zu diesem Zweck wird zunächst aus dem glaskeramischen Material ein Pulver mit einer Körnung von vorzugsweise etwa 1 bis 8 µm hergestellt und daraus mit einer hinreichend hochohmigen organi­ schen Flüssigkeit eine stabile Suspension erzeugt, welche dann im elektrophoretischen Abscheidungsprozeß eingesetzt wird. Unerwar­ tet gewährleistet das Verfahren der elektrophoretischen Schicht­ bildung und/oder elektrochemischen Entladung an der Titan-Elek­ trode aus nichtwäßrigen Suspensionen mit einer speziellen thermi­ schen Nachbehandlung einen hochfesten Verbund von Titan-Grundkör­ per und mechanisch stabiler, bioaktiver Glaskeramik-Schicht.

Offensichtlich ergeben sich nur durch die Material-Kombination Titan/Silicat-Glaskeramik in Verbindung mit der Mehrschritt-Techno­ logie elektrophoretische Abscheidung/thermische Behandlung unter Sauerstoff die vorteilhaften Eigenschaften des Glaskeramik- Metall-Verbundes, wie mechanische Stabilität bzw. Haftfestigkeit und langzeitliche Bioaktivität der 50 bis 200 µm starken Bio­ glaskeramik-Schicht. Vorteilhaft erlaubt das Verfahren die Ver­ wendung von Glaskeramiken mit recht unterschiedlichen Komponenten und auch deutlich verschiedenen Volumenanteilen an Glasphase, was ebenso eine auf den speziellen Glaskeramik-Typ abgestimmte thermische Nachbehandlung der Schicht ermöglicht. Bei der elektrophoretischen Abscheidung bzw. thermischen Nachbehandlung sind jedoch erfindungsgemäß gewisse Grenzparameter etwa wie elektrische Mindestspannungen oder Maximalstromdichten bzw. Temperatur-und Sauerstoffpartialdruck-Bereiche zu beachten.

Das Wesen der Erfindung soll an den in Tab. 1 zusammengestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Zur Abscheidung auf Titan als Kernkörpermaterial werden die bioaktiven, langzeitstabilen Silicat-Glaskeramiken vom Mehrphasentyp wie z. B. ilmaplant ® L1 und BIOVERIT ® I ausgewählt. Beide Bioglaskeramiken enthalten SiO₂ und Al₂O₃ bzw. auch MgO.

Zunächst wird die Bioglaskeramik bis auf Korngrößen < 63 µm zerstoßen und zerrieben. Anschließend erfolgt ein Aufmahlen in einer Achatkugelmühle (1-2 h), wobei Korngrößen zwischen 1 und 25 µm erreicht werden.

Für die elektrophoretische Abscheidung werden die Titanoberflä­ chen vorzugsweise gesandelt oder mit Korund-Schleifpapier gerei­ nigt bzw. aktiviert. Der Elektrodenabstand liegt vorzugsweise im Bereich von wenigen Zentimetern (Ausführungsbeispiele: 2,0 ± 0,5 cm). Als Gegenelektrode dient rostfreier Stahl (V2A). Die organische Suspensionsträger-Flüssigkeit sollte in der Versuchsanordnung keine Stromdichte über 1 µA/cm² an der Titanelektrode zulassen. Titan kann als Elektrode für die elektrophoretische Abscheidung sowohl anodisch als auch katodisch geschaltet werden.

Zur Optimierung der Gefügestruktur bzw.- morphologie kann die thermische Nachbehandlung hinsichtlich der Verfahrensparameter des Temperatur-Zeitprogramms entsprechend der Zusammensetzung der Bioglaskeramik spezifisch gestaltet werden. Aufheiz- u. Abkühl­ geschwindigkeit sollen nicht größer als 100 K/h sein.

An der getemperten Schicht des Ausführungsbeispieles 5 wurde mittels Röntgen-Beugungsdiagnostik der gleiche Phasenabstand wie in der Ausgangskeramik festgestellt.

Claims (7)

1. Verfahren zur festhaftenden Beschichtung von medizinischen Titan-Implantaten oder einem beliebigen für den implantologi­ schen Einsatz geeigneten, titanüberzogenen Grundkörper mit einer bioaktiven, langzeitstabilen Silicat-Glaskeramik, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Titanoberfläche des Implan­ tat-Grundkörpers aus einer nichtwäßrigen Suspension der ge­ pulverten Bioglaskeramik eine spezifisch gewachsene Schicht elektrophoretisch abgeschieden und einer speziellen thermi­ schen Nachbehandlung unter definiertem Sauerstoffpartialdruck unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasanteile in der Bioglaskeramik von 1 bis 100 Vol.-% be­ tragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufmahlen der Bioglaskeramik bis zu 5 ma.-% eine aromatische oder aliphatische Säure zugesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtwäßriger Suspensionsträger eine hochohmige organische Flüssigkeit hinreichender Viskosität, vorzugsweise iso-Amylalkohol verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrophoretischen Abscheidung mit elektrischen Spannungen im Bereich von 40 bis 450 V gearbeitet wird, wobei die Stromdichten am Titan 2 mA/cm² nicht übersteigen sollte.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension vor oder auch während des elektrophoretischen Ab­ scheidungsprozesses zusätzlich mittels Ultraschallbehandlung stabilisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Nachbehandlung zur Schichtverfestigung bei einer Temperatur erfolgt, die im Bereich zwischen der Glastransfor­ mationstemperatur (Tg) der Glaskomponente der Bioglaskeramik und 950°C liegt, und unter einem Sauerstoffpartialdruck von 0,5 bis 20 kPa vorgenommen wird.