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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein implantierbares blattförmiges Material
mit einer Dicke von weniger als 1,0 mm, das zur Verstärkung von
Gewebe vorgesehen ist. Diese Materialien besitzen eine ausreichende
Festigkeit für
die jeweiligen Implantat-Anwendungen. Nach der Implantation in einen
Körper
begünstigt
das Material das Einwachsen in normales Körpergewebe und wird dadurch
mit dem anliegenden Gewebe verbunden, und schliesslich wird es mit
Gewebe ausgefüllt.
Demgemäss
können
diese Materialien als solche und selbständig wirken oder aber eine
Umgebung stabilisieren, mit der sie schliesslich verbunden werden;
beispielsweise mit Polymeren zwecks Ausfüllen von Knochenschäden, als
Ersatz von Sehnen, mit denen die Endbereiche dieser Ersatzmaterialien
verbunden werden, um den Ersatz der Sehne abzusichern, an implantierbare
Verschleissmaterialien zur Anwendung bei einer Erneuerung der Oberfläche von
Gelenken, oder bei anderen prosthetischen Gelenkimplantationen für das Knie,
die Hüfte
und andere Knochengelenke.
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Das
Dokument US-A-3'992'725 beschreibt eine
Materialzusammensetzung, die zur Implantation in vivo geeignet ist.
Diese besitzt eine elastische, faserige und poröse Struktur; mindestens ein
Anteil der bioverträglichen
Fasern der genannten Struktur weist eine kritische Oberflächenspannung
oberhalb 35 mN/m auf einer Skala auf, die sich von 20 bis 80 mN/m
erstreckt. Die Struktur enthält
bioverträgliche
Mittel zur Bindung der genannten Fasern in der porösen Struktur,
wobei grössere,
miteinander verbundene Leerräume
zwischen den Fasern vorhanden sind. Die Struktur besitzt ausreichende
Elastizität
und Dehnbarkeit, wenn sie implantiert wird, um diejenige Art eingewachsenen
Gewebes zu entwickeln, welche an der Stelle der Implantation für die mechanischen
Kräfte
verantwortlich ist.
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Die
typische Formulierung des genannten Materials wurde wie folgt angegeben:
80 Vol.-% Natriumchlorid, 10 Vol-% Kohlenstofffasern, 6 Vol.-% PTFE-Polymerfasern
und 4% eines teilchenförmigen PTFE-Kunstharzes.
Die Kohlenstofffasern im endgültigen
Material (welches zu 80% porös
ist, wenn der Bestandteil Natriumchlorid ausgelaugt ist) schaffen
den "Anteil der
Fasern der genannten Struktur",
welche eine Oberflächenspannung
aufweist, die grösser
ist als 35 mN/m. Die Kohlenstofffasern wurden jedoch im Verlaufe des
Herstellungsverfahrens sehr kurz und wandelten sich in eine disperse
teilchenförmige
Beschichtung auf einem Teil der PTFE-Fasern um. Diese Formulierung
fand eine verbreitete Anwendung bei chirurgischen Implantaten.
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Alternative
faserhaltige Materialien mit anderen Fasern als Kohlenstofffasern
wurden bereits angegeben: Fasern aus Zirkoniumoxid, Fasern aus Aluminiumoxid, "Whiskers" aus entweder Aluminiumoxid
oder Zirkoniumoxid, Edelstahldraht.
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Die
Offenbarung und die damit verbundenen Herstellungsverfahren gemäss der US-Patentschrift 3'992'725 ergaben brauchbare
Materialien mit einer Porosität
von 78 bis 82%, deren Porengrösse
zwischen 10 und 600 μm
lagen (siehe Spalte 2, Zeilen 58 bis 60 der Patentschrift). Diese
Porengrössenverteilung
ergab sich aus der Verwendung des flüchtigen Salzbestandteils, welcher
Teilchendurchmesser zwischen 10 und 600 μm aufwies. Diese Materialien
zeigten die mechanischen Eigenschaften eines steifen Schwammes bei
einer Dicke, welche wenige Millimeter überstieg. Ihre Eigenschaften
gestatteten eine weiterbreitete Verwendung zur Vergrösserung
des Knochenprofils der Gesichtsknochen. Wenn diese Erzeugnisse in
Blattform vorlagen, zeigten sie bei einer Dicke von weniger als
etwa 0,8 mm keine für
Implantatanwendungen ausreichende Widerstandsfähigkeit; die steifen schwammähnlichen
mechanischen Eigenschaften verhinderten eine Verwendung zur direkten
Vergrösserung
des weichen Gewebes, beispielsweise im Gebiet der Gesichtswangen
und bei der Rekonstruktion der Brust nach einer Mastektomie. Blätter mit
einer Dicke von weniger als 1,0 mm des Materials gemäss US-Patent
3'992'725 besitzen eine
Zugfestigkeit, die für
Anwendungen unzureichend ist, bei denen Belastungen auftreten, und
es besteht daher eine Notwendigkeit, diese Eigenschaften zu verbessern.
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Die
Veröffentlichung
EP-A-0'051'955 beschreibt ein
Material mit einer Porengrössenverteilung
von 80 bis 400 μm.
Es wurde überraschenderweise
gefunden, dass die engere Porengrössenverteilung der vorliegenden
Erfindung überragende
mechanische Eigenschaften von blattförmigen Materialien mit einer
Dicke von weniger als 1,0 mm ergibt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten
implantierbaren Materialzusammensetzung, die nicht nur das Einwachsen
von normalem Körpergewebe
begünstigt,
sondern darüber
hinaus eine ausgezeichnete Zugfestigkeit aufweist, wenn ein blattförmiges Gebilde
mit einer Dicke von weniger als 1,0 mm, insbesondere von weniger
als 0,8 mm, z.B. etwa 0,5 mm, hergestellt und/oder in eine monolithische
Form gebracht wird, welche die mechanischen Eigenschaften eines
weichen Schwammes aufweist.
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Weitere
erforderliche Eigenschaften einer solchen Zusammensetzung sind:
- – Eignung
zur Stabilisierung von Prothesen aus bioverträglichen Substanzen, beispielsweise
Metallen, Polymeren oder Elastomeren
- – Eignung
zur Volumenvergrösserung
in weichem Gewebe
- – Eignung
zur Verwendung bei dem orthopädischen
Wiederaufbau von Gelenken und deren Bestandteilen
- – Temperaturbeständigkeit,
so dass die Zusammensetzung nach den Verfahren im üblichen
Dampfautoklaven sterilisiert werden kann, ohne dass sie dadurch
beeinträchtigt
wird
- – Eignung
zur Implantation in einem Gewebe, in dem die Zusammensetzung eine
hohe Verschleissfestigkeit sowie niedrige Reibungswerte aufweist
- – Fähigkeit
zum Begünstigen
des Einwachsens von Gewebe und kein Risiko, nach der Implantation
durch faseriges Gewebe umschlossen zu werden.
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Viele
Jahre der Versuchsdurchführung
haben gezeigt, dass eine Porosität
von etwa 82% die höchstmögliche Grenze
bei der Herstellung von Materialien mit einer ausreichenden mechanischen
Integrität
ist. Obschon es möglich
ist, aus dem Material des Standes der Technik Blätter mit einer Dicke von 0,6
mm herzustellen, waren diese stets sehr zerbrechlich und daher von
keinem kommerziellen Interesse.
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Es
wurde nun unerwarteterweise entdeckt, dass einerseits eine zweckmässige höhere Porosität (87%) und
bedeutend weichere Produkte zum Ersatz von weichem Gewebe und andererseits
Blätter
mit einer Dicke von etwa 0,4 bis 0,5 mm und einer hohen Festigkeit
zur Verstärkung
von Gewebe hergestellt werden konnten, wenn die Teilchengrösse des
flüchtigen
Bestandteiles, nämlich
Salz, sehr eng gewählt
wird, und zwar im Bereich von 150 bis 300 μm. Dies ergibt die äquivalente
enge Porengrössenverteilung
in den Erzeugnissen. Die Bruchfestigkeit von Blättern mit einer Dicke von 1
mm wird von etwa 300 N/cm2 auf 600 N/cm2 gesteigert, weil die Porengrössenverteilung
von ursprünglich
10 bis 600 μm
auf 150 bis 300 μm
verringert wurde.
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Es
wurde ebenfalls überraschenderweise
gefunden, dass eine weitere Verbesserung der Zugfestigkeit von sehr
dünnen
Blättern
mit einer Dicke von 0,4 bis 0,5 mm dadurch erzielt werden kann,
dass nach Erhalt der gewünschten
Dicke des Blattes ein zweiter Sinterungsvorgang dadurch erzielt
wird, dass man ein Sandstrahlen durchführt. Diese zusätzlichen
Vorgänge
des Sandstrahlens und Sinterns können
nach dem Sintern in Schritt (f) der USA-Patentschrift Nr. 3'992'725 ausgeführt werden.
Die Festigkeit eines derartigen Blattmaterials beträgt etwa
300 N/cm2. Dies bedeutet, dass sich die
Zugfestigkeit in Bezug auf die Erzeugnisse des Standes der Technik
verdoppelt hat.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat demgemäss erarbeitet, dass durch zwei
unerwartet einfache Veränderungen
des Verfahrens stark verbesserte Produkteigenschaften erhalten wurden:
- (A) eine relativ enge Porengrössenverteilung
im Bereich von 150 bis 300 μm;
und
- (B) ein zusätzlicher
Sinterungsvorgang, wenn Blätter
mit einer Dicke von weniger als etwa 0,8 mm hergestellt werden.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile werden im Nachstehenden besprochen
und erläutert.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
bevorzugte blattförmige
Material zum Einwachsen in Gewebe besteht aus gesintertem Polytetrafluorethylen
mit Aluminiumoxidteilchen und einem beträchtlichen Leerraum, der eine
Porengrössenverteilung im
Bereich von 150 bis 300 μm
aufweist. Das Polytetrafluorethylen ist bereits für implantierbare
Artikel verwendet worden und hat sich als bioverträglich erwiesen,
d.h. es erzeugt keinerlei Entzündungen
im Gewebe des Wirtes. Das bevorzugt zu verwendende Material wird
von der Firma Du Pont Co. unter der Bezeichnung Teflon TFE vertrieben.
Hochreines Aluminiumoxidpulver (Typ RC-HP-DBM) hat sich ebenfalls
als biokompatibel erwiesen und wurde von der Firma Malakoff Industries,
Richmond, Virginia 23261 geliefert. Dieses Produkt weist die gewünschte Teilchengrösse von
etwa 0,5 bis 1,5 Mikron auf.
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Bei
implantierbaren Materialien hat die relative Oberflächenenergie
oder Benetzbarkeit einen Einfluss auf die Art und Weise, mit der
das Gewebe reagiert. Eine Anlagerung von Gewebeelementen an die
Oberfläche
eines implantierten Materials wird wesentlich vermindert, wenn die
Oberflächenenergie
verkleinert oder die Benetzbarkeit reduziert wird. Solche Materialien
mit niedriger Oberflächenenergie
werden allgemein im faserigen Gewebe eingeschlossen.
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Da
das Polytetrafluorethylen (nachstehend als PTFE abgekürzt) eine
niedrige Oberflächenenergie aufweist,
wird das Einwachsen in normales Körpergewebe begünstigt,
wenn die Oberflächenenergie
vergrössert
werden kann. Für
ein solches Einwachsen sollte die Zusammensetzung des Materials
einen bedeutenden Leerraumanteil aufweisen.
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Es
ist bekannt, dass Gewebeelemente mit Zellstruktur eine elektrische
Polarität
zeigen. Demgemäss wird
ein elektrostatisches Anhaften von zellhaltigen Elementen an der
Oberfläche
eines implantierten Materials auf ein Minimum reduziert, wenn das
implantierte Material selbst eine sehr niedrige Oberflächenenergie
zeigt (eine niedrige kritische Oberflächenspannung), d.h. elektrostatische
Anziehungskraft. Die implantierbaren Erzeugnisse des Standes der
Technik haben den Vorteil der Bioverträglichkeit von PTFE-Material
und der Polymereigenschaften dieses Materials ausgenutzt, wenn diese
Materialien zur Entwicklung hochporöser Strukturen dienen sollen,
und es wurde gleichzeitig die Wünschbarkeit
erkannt, das Einwachsen ins Gewebe und das Anhaften am implantierten
Material zu begünstigen,
indem wesentliche Mengen an Aluminiumoxid eingebracht wurden, dessen
Teilchen eine grosse Oberfläche
besitzen, wodurch eine relativ hohe Oberflächenenergie für eine elektrostatische
Anziehung von Gewebeelementen ausgebildet wurde. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird dies durch Einarbeiten wesentlicher
Mengen an Aluminiumoxid mit einer Oberflächenspannung in der Grössenordnung
von 50 mN/m erzielt. Auf diese Weise wird eine Implantatstruktur
geschaffen, welche gegenüber
zellhaltigen Gebilden und Gewebeelementen einen wesentlichen Prozentsatz
einer Oberfläche
anbietet, die eine relativ hohe kritische Oberflächenspannung aufweist.
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Die
bevorzugte Zusammensetzung des Materials der vorliegenden Erfindung
wird dadurch hergestellt, dass man in den nachstehend angegebenen
Mengenverhältnissen
Aluminiumoxidteilchen und PTFE sowohl als Teilchen als auch als
Fasern vermischt. Die bevorzugten Mengenverhältnisse von PTFE-Fasern zum Kunstharz
liegen vorzugsweise oberhalb 1:2 und unterhalb 2:1. Die PTFE-Fasern,
welche bevorzugt werden, haben eine Stranglänge bis zu etwa 5 cm.
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Um
bei der Bildung des bevorzugten Leerraumes behilflich zu sein, wird
zur obigen Mischung ein Material zugegeben, das in einem geeigneten
Lösungsmittel
löslich
ist, und zwar in einer Menge, welche den gewünschten Anteil an Leerraum
im Material erzeugt, vorzugsweise im Bereich von 70 bis 87% des
Volumens der fertigen Mischung. Falls Wasser als Lösungsmittel
einwirkt, kann als lösliches
Material ein gewöhnlicher Stoff
wie Natriumchloridkristalle mit einer Teilchengrösse im engen Bereich zwischen
150 und 300 μm
verwendet werden.
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Alternativ
können
andere Kombinationen aus löslichem
Material und Lösungsmittel
eingesetzt werden. Wenn beispielsweise Wasser das Lösungsmittel
ist, können
lösliche
Materialien aus allen wasserlöslichen
Salzen gewählt
werden, die bis zu Temperaturen von etwa 370°C thermisch stabil sind. Solche
Salze sind beispielsweise Natriumcarbonat, Calciumfluorid, Magnesiumsulfat
und andere. Es wird im allgemeinen bevorzugt, das System aus Wasser
und Natriumchlorid zu verwenden, da Natriumchlorid im Körper vollständig verträglich ist,
falls nach dem Auslaugen geringe Mengen im Material verbleiben,
welches nachstehend beschrieben wird.
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Eine
typische Formulierung enthält
80% Natriumchlorid im engen Teilchengrössenbereich von 150 bis 300
Mikron, 1,13 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen, 10 Vol-% PTFE-Kunstharzfasern
und 8,6 Vol.-% PTFE-Kunstharzteilchen.
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Die
Schritte, die bei der Herstellung dieser Materialien vorgenommen
werden, sind die folgenden:
- a) Gemischbildung:
Bei diesem Schritt werden das Polymer, das Aluminiumoxid und die
löslichen
Zusätze in
einem geeigneten organischen Lö sungsmittel
suspendiert, beispielsweise in einem gereinigten isoparafinischen
Lösungsmittel.
Es wird bevorzugt, dass der Aromatengehalt eines derartigen Lösungsmittels
weniger als 1 Gew.-% beträgt.
Die gebildete Aufschlämmung
wird mit sehr hoher Geschwindigkeit in einem Mischer mit grosser
Scherkraft zerteilt, beispielsweise einem Mischgerät nach Waring.
Das Verhältnis
von Lösungsmittel
zu trockenen Bestandteilen ist wichtig und muss an die Grösse des
verwendeten Mischgerätes
angepasst werden. Das Gesamtvolumen unseres Mischgerätes beträgt 1000
ml, und es werden 500 ml Lösungsmittel
zusammen mit 100 bis 150 g an trockenen Bestandteilen eingesetzt.
Das Vermischen wird zwischen 1 und 5 Minuten ausgeführt, je
nach den verwendeten Bestandteilen.
- b) Filtration: Die vermischte Aufschlämmung wird schnell auf ein
Vakuumfilter gegossen, beispielsweise einen Büchnertrichter, und die Filtration
dauert zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten, je nach den
verwendeten Bestandteilen. Das im Filterkuchen verbleibende restliche
Lösungsmittel
wird sorgfältig überwacht,
damit dessen Menge weniger als etwa 20 Gew.-% ausmacht.
- c) Kompression: Der Filterkuchen aus Schritt (b) wird zwischen
die Platten einer erwärmten
Presse (50°C bis
80°C) gebracht,
und eine Kompression wird mit Drücken
von 3,45 × 105 Pa bis 2,07 × 107 Pa
zwischen 1 und 5 Minuten angelegt, was wiederum von den jeweiligen
Bestandteilen abhängt.
Das anwesende restliche Lösungsmittel
im Filterkuchen, das nach der Kompression verbleibt, wird routinemässig überwacht, und
die Bedingungen werden so eingestellt, dass die Menge des Lösungsmittels
zwischen 6 und 16 Gew.-% liegt.
- d) Walzen: Der im Schritt (c) erhaltene komprimierte Filterkuchen
wird durch den Walzenspalt erhitzter Walzen geleitet, so dass die
Dicke des Kuchens in Schritten von etwa 0,05 cm vermindert wird,
bis die Dicke 1,5 bis 1,0 mm beträgt. Die Temperatur der erwärmten Walzen
sollte im Bereich von 38°C
bis 138°C
liegen. Walzen mit einer Temperatur in diesem Temperaturbereich
sind erforderlich, um eine Verdampfung des Trägerlösungsmittels zu unterstützen. Weiterhin
wird in diesem Schritt jeder Durchgang durch die Rollen senkrecht
zur Richtung des vorhergehenden Walzvorganges vorgenommen.
- e) Trocknen: Das fertiggestellte Material wird getrocknet, um
jegliches restliches Lösungsmittel
zu verdampfen, indem man es in einen Ofen bringt, der bei einer
Temperatur zwischen 150 und 177°C
gehalten wird, und zwar üblicherweise
während
etwa 8 Stunden.
- f) Sintern: Das getrocknete Material wird nun gesintert. Das
Sintern wird in einer Heisspresse bei Temperaturen zwischen 320°C und 360°F(C) und
einem Druck zwischen 3,45 × 105 bis 3,45 × 107 Pa
während
1 bis 30 Minuten, je nach der Dicke des Materials, ausgeführt. Alternativ
kann die Sinterung ausgeführt
werden, indem man das Ausgangsmaterial während einer Zeitdauer, die
sich über
mehrere Stunden erstrecken kann, auf Temperaturen zwischen 320°C und 360°C erhitzt.
- f') Sandstrahlen
(Option): Dieser Schritt wird zwecks Erhalt der gewünschten
Dicke des Blattes des Materials von vorzugsweise 0,4 bis 0,5 mm
ausgeführt.
- f'') Zweites Sintern
(Option): Unter den gleichen Bedingungen wie Stufe f.
- g) Auslaugen: Das Material wird ausgelaugt, um das wasserlösliche Füllmaterial
aufzulösen,
indem man das Material in einen Behälter bringt, welcher gereinigtes
Wasser enthält,
wobei sich ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Porosität entwickeln.
Das gereinigte Wasser wird mit einer kleinen Strömungsgeschwindigkeit durch
diesen Behälter
geführt,
um die grösste
Triebkraft einer Diffusion des gelösten Füllmaterials aus dem Blatt in
das auslaugende Wasser zu erhalten. Das Auslaugen lässt man
normalerweise für
eine Zeitdauer von 48 bis 96 Stunden ablaufen, je nach der Dicke
des Produktes (0,4 bis 10 mm). Eine längere Zeitdauer ist wahrscheinlich
für noch
dickeres Material erforderlich. Es wird bevorzugt, das gereinigte
Wasser anzuwärmen,
um die Auflösungsgeschwindigkeit
des Salzes zu erhöhen.
- h) Trocknen: Das ausgelaugte Material wird dann in einen Ofen
gebracht, der auf einer Temperatur zwischen etwa 71°C und 177°C gehalten
wird, um das im Blattmaterial verbleibende restliche Wasser abzutrocknen.
Dieser Trocknungsschritt kann darin bestehen, dass man das Material
24 Stunden bei 150°C
hält, um
jegliches restliches Lösungsmittel
zu verdampfen.
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Das
Material, welches bei den oben beschriebenen Schritten erhalten
wird, zeigt verschiedene wichtige Eigenschaften, welche für das Einwachsen
in Gewebe bedeutsam sind. Beim Schritt des Auslaugens werden Hohlräume im Material
erzeugt. Der enge Bereich der Teilchengrösse des flüchtigen Salzes ist für die überraschende
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Materials verantwortlich.
Ein Anteil der Hohlräume
besitzt eine Kugelform, da diese Hohlräume durch Auslaugen jeweils
eines kugelförmigen
Natriumchlorid-Kristalls aus dem Material gebildet werden. Zusätzlich entwickelt
das Material, welches wie beschrieben hergestellt wird, ebenfalls
dendritische Hohlräume,
welche unregelmässig
mit den kugelförmigen
Hohlräumen verbunden
sind, wodurch eine besonders wirksame offene Struktur für den Eintritt
und den Austritt von Körperflüssigkeiten
geschaffen wird, die zur Entwicklung und zur Reife von Gewebe in
den Hohlräumen
erforderlich ist. Die Festigkeit eines Materials in Form eines Blattes
mit einer Dicke von 0,4 bis 0,5 mm beträgt etwa 300 N/cm2.
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Weiterhin
zeigt das Material, welches diese Hohlräume unmittelbar umgibt, teilweise
die relativ hohe Oberflächenspannung
der Aluminiumoxidteilchen, die sich mit der Oberfläche der
Kunstharzfasern aus PTFE verbunden haben, wobei diese Fasern durch
die Kunstharzteilchen aus PTFE miteinander verbunden sind; es ist
ein Material entstanden, welches die erforderliche strukturelle
Integrität
aufweist, nachdem das lösliche
Material durch das Auslaugen entfernt worden ist.
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Es
wird angenommen, dass das Gewebe bei der Entwicklung und Reifung
von Gewebe in derartigen Hohlräumen
nicht so anfällig
für Infektionen
wie die Implantate des Standes der Technik ist, da eine wesentliche
Blutzufuhr entwickelt wird, um die normalen Körperfunktionen zur Bekämpfung von
Infektionen, die in diesem Material aktiviert werden, zu ermöglichen.
In früheren
Materialien für
Implantate erfordert das Auftreten einer Infektion in Verbindung
mit einer implantierten Vorrichtung im allgemeinen das Herausoperieren
der Vor richtung, wenn der normale Körpermechanismus zum Bekämpfen von
Infektionen nicht in der Lage ist, das infizierte Gebiet zu erreichen.
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Wegen
der Elastizität
und der Dehnbarkeit dieser Materialzusammensetzung sind zusätzlich die
Gewebe, welche sich im Material entwickeln, den normalen mechanischen
Kräften
an der Implantatstelle unterworfen, die zur Bildung der Gewebeart
beitragen, die an dieser Stelle erforderlich ist.
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Wegen
ihrer erhöhten
Festigkeit und wegen der Begünstigung
des Einwachsens von normalem Körpergewebe
können
die verbesserten Materialzusammensetzungen für ein grösseres Anwendungsgebiet vorgesehen
werden: Verstärkung
zur Behebung von Defekten im weichen Gewebe und Vergrösserung
von weichem Gewebe, Vergrösserung
von hartem Gewebe und teilweise oder vollständige Gelenkprothesen, Geburtenregelung
durch vas deferens oder Blockierung des Falopian-Kanals durch implantiertes
Material, Befestigung und Ersatz von Sehnen- und Ligamentprothesen
sowie andere Implantationsverfahren.
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Es
wurde gefunden, dass dieses grössere
Anwendungsgebiet dadurch möglich
ist, dass das enge Teilchengrössengebiet
des löslichen
Füllmaterials
mit unterschiedlichen Mengen der anderen Bestandteile kombiniert
wird. Beispielsweise wird die Kombination von Aluminiumoxid und
PTFE derart angepasst, dass ein Gleichgewicht aus mechanischem Verhalten
und Oberflächenenergie
erreicht wird.
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Bei
der Herstellung des Materials wird das Auswalzen fortgesetzt, bis
die Dicke des Materials in der Grössenordnung von 1,0 bis 1,5
mm liegt, wodurch eine höchstmögliche Festigkeit
erreicht wird. Falls ein dickeres Material gewünscht wird, insbesondere zur
Vergrösserung
des weichen Gewebes, so kann dies dadurch erreicht werden, dass
man die oben beschriebenen Schritte (a), (b), (c), (d) und (e) ausführt und
dann das getrocknete Material bis zum gewünschten Mehrfachen der Dicke
eines Einzelblattes übereinander schichtet.
Die geschichteten Lagen werden zwischen Aluminiumfolien gebracht
und zwischen die Platten einer Presse geschoben, die auf einer Temperatur
zwischen 327°C
bis 366°C
gehalten werden. Dann wird nach und nach im Verlaufe von einer Sekunde
bis zwei Minuten, je nach der Fläche
des Laminats, der Druck bis zu einem Enddruck von 6,81 × 106 Pa erhöht.
Dieser Enddruck wird während
einer Zeit, die gleich der Anzahl der Schichten mal 5 Minuten ist,
aufrecht erhalten, und dieser Zeitraum sollte 15 Minuten nicht notwendigerweise überschreiten.
Das laminierte Material wird dann ausgelaugt und getrocknet, wie
es oben in den Schritten (g) und (h) beschrieben ist.
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Spezifische
bevorzugte Formulierungen schliessen die folgenden Formulierungen
ein, von denen alle mit dem genannten flüchtigen Bestandteil, nämlich Natriumchlorid,
mit einer engen Teilchengrössenverteilung von
150 bis 300 μm
hergestellt werden:
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Es
wurde gefunden, dass die Formulierung A zum Ersatz von weichem Gewebe
zweckmässig
ist, beispielsweise in einer Rekonstruktion nach einer Mastektomie,
wobei die gewünschte
Form der Rekonstruktion aus dem Material der Formulierung A, wie
oben beschrieben, gebildet wird; diese Formulierung hat sich ebenfalls
bei der Vergrösserung
des weichen Gewebes des Wangenbereiches als wirksam erwiesen. Das
Material schafft eine ausreichende natürliche ästhetische weiche Struktur
und wird infolge des Einwachsens von Gewebe an der Implantationsstelle
festgehalten.
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Die
Formulierung B findet ihre Anwendung zur Verstärkung von repariertem Gewebe,
beispielsweise bei der Reparatur von Gewebebrüchen, Unterleibsschnitten,
Reapproximation von Brustfell und zum Verschliessen von Schäden, wie
der Ersatz der dura mater über
dem Gehirn und bei bestimmten chirurgischen Eingriffen an der Hand
und am Handgelenk, wobei das Material als eine Zwischenlage zwischen
aneinander gleitenden Gewebestrukturen wirkt. Bei den letzteren
beiden Anwendungen kann das Material in Form eines Laminates an
einem geeigneten Polymer oder Elastomer verwendet werden. Es kann
ebenfalls zwecks Verstärkung
bestimmter reparierter Gewebe in Sandwich-Konstruktionen mit geeigneten
metallischen Geweben eingesetzt werden. Diese Formulierung schafft
die erforderliche Zugfestigkeit bei Blattstärken, die nur etwa 0,4 mm betragen.
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Die
Formulierung C kann hauptsächlich
zur Erhöhung
des Profils von Gesichtsknochen verwendet werden, wo sie als eine
Auflage an der Stelle der Profilstörung implantiert wird.
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Die
oben genannten Bestandteile wurden in etwa 700 ml eines isoparaffinischen
Lösungsmittels
suspendiert und in einem Waringmischer 1 bis 2 Minuten lang vermischt.
Die vermischten Bestandteile wurden schnell auf einen Büchnertrichter
gegossen, und es wurde etwa 1 Minute lang abgesaugt. Der dadurch
erhaltene Filterkuchen wurde zwischen die Platten einer (auf 66°C) erwärmten Presse
gebracht und 1 Minute lang mit einem Druck von 3,45 × 106 Pa komprimiert. Die Menge an isoparaffinischem
Lösungsmittel
im Produkt wurde bei diesem Schritt zu 11,5 Gew.-% gemessen. Das
Produkt wurde dann nach dem Verfahren verwalzt, welches oben unter
dem Schritt (d) beschrieben ist, wobei die Walzentemperatur 41°C betrug.
Das gewalzte Material wurde 8 Stunden bei 150°C getrocknet und dann durch
Kompression unter einem Druck von 3,45 × 106 Pa
während
6 Minuten bei 350°C
gesintert. Dieses Produkt ist nun nach der betreffenden Beschreibung zur
Weiterverarbeitung zu Fertigprodukten geeignet. Ein Beispiel ist
die Laminierung an ein fluoriertes Ethylen-Propylen-Polymer in einer
auf 300°C
erhitzten Plattenpresse während
5 Minuten unter einem Druck von 6,9 × 104 Pa.
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Während in
der vorstehenden Beschreibung die bevorzugte Materialzusammensetzung
der vorliegenden Erfindung vorgestellt wurde, können auch andere Materialien
verwendet werden. Jedes beliebige chemisch stabile perfluorierte
Hochpolymer, beispielsweise Polyhexafluorpropylen oder ein Copolymer
aus Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen, welches unter der Bezeichnung
TEFLON FEP von der Firma Du Pont handelsüblich ist, kann als geeignetes
Grundmaterial eingesetzt werden, aus dem ein poröses implantierba res Material
gebildet werden kann. Andere geeignete Materialien sind hochmolekulare
Polyethylene, welche keine Additive enthalten, und Polyesterpolymere
wie Polyethylen-terephthalat. Die zu verwendenden bevorzugten Materialien
haben die folgenden Eigenschaften: Sie sind biokompatibel (geeignet
für eine
Implantation in vivo), sie zeigen keinerlei chemische Migration
nach dem Implantieren, sie sind stabil bei der Sterilisierung im
Autoklaven, sie gestatten die Entwicklung einer Porosität zum Einwachsen,
und sie sind elastisch.
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Es
können
beispielsweise Polyesterfasern verwendet werden, die von der Firma
Du Pont Co. unter der Handelsbezeichnung DACRON vertrieben werden.
Eine typische Formulierung enthält
4,5 g Graphitfasern, 2,52 g der oben genannten Faserflocken aus
Polyester, 2,76 g des Kunstharzes TEFLON TFE-6 und 52,1 g Salz.
Diese Formulierung wurde gemischt, filtriert und in Übereinstimmung
mit den oben beschriebenen Schritten weiterverarbeitet, mit der
Abweichung, dass während
1 Minute eine Kompressionssinterung bei 276°C vorgenommen wurde.
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Während es
bevorzugt ist, dass das Additiv aus Aluminiumoxidteilchen besteht,
kann eine Kombination von faserförmigem
mit pulverförmigem
Kohlenstoff oder Metall (ein Metall, das zur Implantation geeignet ist)
oder anderen Fasern wie keramischen Fasern als Additiv verwendet
werden, unter der Voraussetzung, dass die innere Oberflächenspannung
des Materials ausreichend hoch bleibt, damit es vom Blut stark benetzt werden
kann und dadurch für
ein Einwachsen von Geweben geeignet ist.
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Es
folgen nun Beispiele anderer Materialzusammensetzungen der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Fasern aus Zirkoniumoxid wurden von der Mond Division der Firma
Imperial Chemical Industries erhalten, wo sie unter dem Handelsnamen
SAFFIL vertrieben werden. Sie bestehen aus Zirkoniumoxid. Der Durchmesser
der Fasern beträgt
3 ± 2
Mikron.
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Die
verwendeten Fasern aus Aluminiumoxid waren Aluminiumoxidfasern der
Marke SAFFIL.
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Die
Einkristall-Fasern (Whiskers) aus Siliciumcarbid und Aluminiumoxid
können
von der Firma General Technology Corporation in Reston, VA, als
Typ 6B erhalten werden und haben einen Durchmesser im Bereich von
2 bis 30 μm
und eine Länge
zwischen 20 und 1000 μm.
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Der
verwendete Draht aus rostfreiem Stahl hatte eine Länge von
ungefähr
1/4 Zoll (5 bis 6 mm) und einen Durchmesser von 0,005 Zoll (0,127
mm).
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Die
Fasern aus Polytetrafluorethylen, Polyester und Polyaramid wurden
von der Firma Du Pont Company of Wilmington, DEL., unter den Handelsmarken
Teflon, Dacron bzw. Nomex bezogen.
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Es
wurde weiterhin gefunden, dass bei den obigen Zusammensetzungen
mit Polyester und Polyaramid eine besonders starke Mischarbeit angewendet
wurde, um eine vollständige
Vermischung der Komponenten zu erzielen und eine Herstellungszusammensetzung
zu vermeiden, bei der nicht alle Fasern vollständig in die Struktur integriert
waren. Um dieses besonders starke Vermischen zu vermeiden, wurde
die folgende Zusammensetzung erzeugt:
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Wie
aus der Tabelle hervorgeht, ist diese Zusammensetzung praktisch
die gleiche wie die vorstehend beschriebene Formulierung, wobei
jedoch Polytetrafluorethylen-Kunstharz zugegeben wurde. Es wird
angenommen, dass dieses Kunstharz als Mischzusatz dient, welcher
ein mechanisches Vermischen der Polyesterfasern und der Aluminiumoxidteilchen
und ihre Vereinigung mit dem Salz und einem flüssigen organischen Lösungsmittel
vermittelt, wobei eine praktisch homogene Mischung entsteht. Obschon
verbesserte Formulierungen auch ohne die Verwendung solcher Mischzusätze erzeugt
werden können,
erleichtern diese Zusätze
bedeutend die Herstellung einer geeigneten Zusammensetzung.
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Auch
wurde anstelle des Polytetrafluorethylens ein hochmolekulares Polyethylen-Kunstharz
wie beispielsweise das Kunstharz, das unter dem Handelsnamen Hyfax
1900 von der Firma Hercules, Inc. In Wilmington, DEL., vertrieben
wird, zusammen mit den Polyester- und den Polyaramidfasern als verstärkender
Zusatz verwendet. Solche Zusammensetzungen wurden bei einer Temperatur
von 232°C
gesintert.
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Aus
dem Vorstehenden kann entnommen werden, dass die verbesserten Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung aus vielen verschiedenen Materialien
hergestellt werden können,
unter der Voraussetzung, dass solche Materialien biokompatibel sind,
dass ein flüchtiger
Bestandteil (Salz) mit einem Teilchengrössenbereich von 150 bis 300
Mikron verwendet wird, und dass eine faserige poröse Struktur
erhalten werden kann, bei der mindestens ein Teil der Fasern eine
kritische Oberflächenspannung
innerhalb des bevorzugten Bereichs aufweist, so dass sie für Blut benetzbar
sind und dadurch die Erleichterung des Einwachsens lebenden Gewebes
sichern, wenn sie in einem menschlichen Körper implantiert werden.
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Die
Zusammensetzung enthält
einen Bestandteil (beispielsweise Aluminiumoxidteilchen), welcher
die erhöhte
kritische Oberflächenspannung
liefert, sowie Polymerfasern, die zusammen mit einem geeigneten flüchtigen
Material wie einem Salz zu einer biegsamen, elastischen und festen
porösen
Zusammensetzung verbunden werden, wobei das flüchtige Material den geregel ten
Anteil und die Grösse
der Porosität
liefert, indem es am Anfang in die Struktur eingearbeitet und nach
dem Sintern aus dieser wieder herausgelöst wird.
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Wie
gezeigt werden konnte, können
die Komponenten, welche die Benetzbarkeit für Körperflüssigkeiten sichern, aus der
Gruppe teilchenförmiger
oder faseriger biokompatibler Materialien ausgewählt werden, und sind beispielsweise
glasiger Kohlenstoff, rostfreier Stahl, Siliciumkarbid, keramische
Stoffe wie Aluminiumoxid, tribasisches Calciumphosphat und Zirkonoxid,
sowie andere Materialien, welche biokompatibel sind, unter der Voraussetzung,
dass sie die erforderliche hohe kritische Oberflächenspannung aufweisen und
unter annehmbaren Bedingungen sterilisierbar sind.
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Der
Binder kann ein Polytetrafluorethylen, ein Polyester, ein Polyethylen,
ein Polyaramid oder auch ein anderes Material sein, das biokompatibel
ist, die Fasermaterialien miteinander verbindet, sowie in Übereinstimmung
mit annehmbaren Verfahren im Operationsbereich sterilisierbar ist.
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Die
verbesserte Stoffzusammensetzung der vorliegenden Erfindung bildet
eine dreidimensionale Struktur, die im wesentlichen isotrop ist,
d.h. praktisch gleichförmige
Eigenschaften in allen drei Dimensionen aufweist. Die Stoffzusammensetzung
besitzt weiterhin eine ausreichende Elastizität und Dehnbarkeit, so dass nach
dem Implantieren die darin wachsenden Gewebe den Kräften an
der Implantationsstelle unterworfen sind und die Tendenz haben,
sich mit derjenigen Art von Gewebe zu verbinden, die an einer solchen
Stelle in Abhängigkeit
von solchen Kräften
gebraucht wird.
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Bei
allen oben beschriebenen Zusammensetzungen, welche von der bevorzugten
Zusammensetzung abweichen, wurden die vorstehend beschriebenen Schritte
beim Verfahren zur Herstellung der bevorzugten Zusammensetzungen
ausgeführt,
wobei nur eine Veränderung
der Temperatur zwecks Anpassung an die verschiedenen Bindematerialien
vorgenommen wurde. Beispielsweise betragen die Sintertemperaturen
für den Polyester
als Bindematerial etwa 345°C,
wenn Polyaramidfasern vorhanden sind.
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Die
Stabilisierung orthopädischer
Anwendungen kann dadurch erzielt werden, dass man das erfindungsgemässe Material
am Befestigungsteil der Prothese anbringt. Ein typisches Beispiel
dieser Stabilisierung ist die Verbindung des Materials zur Begünstigung
eines Einwachsens mit dem Schaft einer Prothese des Oberschenkelgelenkkopfes.
Auch können
solche Materialien in die konvexe Oberfläche einer Prothese der Hüftknochenpfanne
eingearbeitet werden. Die Verbindung mit einer metallischen Prothese
kann vorzugsweise über
eine dünne
Schicht von fluoriertem Ethylenpropylen (Du Pont, TEFLON FEP) an
das Material vorgenommen werden, bevor der Hauptanteil des Salzes
daraus herausgelöst
wurde. Das kann dadurch geschehen, dass man das Material eine kurze
Zeit auf destilliertem Wasser schwimmen lässt, um sicherzustellen, dass
sich das Bindemittel mit der Stoffzusammensetzung vereinigt. Eine
solche Bindemittelschicht erzeugt die Bindung an die Metallprothese.
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Es
wird bevorzugt, die Materialien der vorliegenden Erfindung mit einem
Artikel aus Metall oder Polymer oder mit einem geeigneten Verschleissmaterial
zu verbinden, indem für
eine Bindung des Bindematerials an das Substrat eine geeignete Form
zur Erzeugung des notwendigen Druckes und der erforderlichen Temperatur
verwendet wird. Nach dem Verformen wird das Salz aus den Materialien
durch Eintauchen der Prothese in gereinigtes Wasser ausgelaugt.
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Zwecks
Verformung des wachstumsbegünstigenden
Materials zu speziellen Formen wird bevorzugt, dass das Ausgangsmaterial
vor dem Sintern unter Druck und bei Temperaturen bis zu 204°C verformt
wird. Um die Anatomie resezierter Knochengelenke und von entferntem
Gewebe zu imitieren, können
komplexe Formen erzeugt werden.
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Die
Stabilisierung orthopädischer
Artikel mit dem das Einwachsen begünstigenden Material beruht
auf dem Einwachsen von Gewebe in das Material und nicht etwa auf
einer Maskierung des Artikels. Implantate in Tiere haben gezeigt,
dass sich während
der dritten, vierten und fünften
Woche loses, unreifes Collagen überall im
Material (3000 μm
in radialer Dimension) entwickelt. Gleichzeitig wurde festgestellt,
dass sich dichtes, reifes Collagen aus der Peripherie des Implantats
in Richtung des Mittelbereiches entwickelt hatte. Es be steht daher eine
sichere Tendenz, dass sich die Tiefe des reifen Collagens nach der
Implantation mit der Zeit verstärkt.
Es scheint, dass die relativ schnelle Entwicklung von losem, unreifem
Collagen in situ als unmittelbare Folge der Hämatome fortschreitet, die sich
in den implantierten Materialien bei der Implantation nicht vermeiden
lassen.
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Solche
tierischen Implantate zeigen linear Entwicklungsgeschwindigkeiten
von reifem Collagen zwischen 40 und 120 μm pro Woche.
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Teilweise
und vollständige
Gelenkprothesen sind möglicherweise
durch die Verwendung der verbesserten Stoffzusammensetzungen der
vorliegenden Erfindung zu erhalten. Die Baublöcke solcher zusammengesetzter
Strukturen enthalten die Stoffzusammensetzung, welche im Vorstehenden
als Bindematerial beschrieben wurde, beispielsweise das Produkt
TEFLON FEP von Du Pont, metallische Prothesenteile, und ein Verschleissmaterial
wie das Produkt TEFLON TFE von Du Pont mit einem inerten Material
und faserigen Materialien, wie nachstehend beschrieben wird.
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Mit
diesen Baublöcken
kann das wachstumsbeschleunigende Material der vorliegenden Erfindung üblichen
metallischen Prothesen zur Stabilisierung solcher Artikel zugegeben
werden und kann zusammen mit anderem Material für einen teilweisen und vollständigen Ersatz
von Gelenken verwendet werden. Typische Beispiele einer stabilisierenden
Verwendung solcher Materialien sind eine Oberschenkelkopfprothese,
bei der das wachstumsbeschleunigende Material an den Schaft der
Metallprothese gebunden ist. Eine Prothese der Hüftgelenkpfanne, bei der das
wachstumsfördernde
Material mit der konvexen Seite der Prothese verbunden ist, wäre eine
weitere Art einer Vorrichtung, die durch das Wachstum von Gewebe
in das Material stabilisiert wird, welches mit der Pfanne verbunden
ist. Eine weitere mögliche
Verwendung des wachstumsfördernden Materials
zur Stabilisierung könnte
bei Gebissen aus einem einzigen Zahn oder mehreren Zähnen vorliegen, die
gegenüber
dem Zahnfleisch und dem Kieferknochen stabilisiert sind.
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Eine
partielle Gelenkprothese kann an einem Knie erhalten werden, indem
man das wachstumsfördernde
Material nach der minimal erforderlichen Resektion auf der Kniescheibe
anbringt, wobei das Verschleissmaterial (was nachstehend beschrieben
wird) unter Verwendung von üblichen
Bindemitteln oben auf das wachstumsfördernde Material aufgebracht
wird. Diese laminierte Struktur wird auf geeignete Weise an Ort und
Stelle gehalten, beispielsweise indem man das wachstumsfördernde
Material bis über
die Gelenkfläche hinaus
sowohl seitlich als auch im Mitelbereich zwecks Vernähen an der
Stelle des Implantats überstehen lässt. Ein ähnliches
Implantat am Oberschenkelbereich des Kniegelenkes, das zum Schienbeinimplantat passt,
kann eingesetzt werden, wobei eine vollständige Gelenkprothese entsteht.
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Bei
teilweisen oder vollständigen
Gelenkprothesen ist es wichtig, dass die implantierte Vorrichtung eine
gleichförmige
Befestigung, passende Friktions- und Verschleisseigenschaften und
ungefähr
die Ausdehnung und die Festigkeit des resezierten Gewebes aufweist.
Sämtliche
Materialien sollten biokompatibel sein, keine chemische Wanderung
zeigen, wenn sie implantiert sind, und zur Sterilisierung im Autoklaven
stabil sein. Die zusammengesetzte Struktur für eine teilweise oder vollständige Gelenkprothese
sollte ungefähr
die Elastizität
des normalen Gelenkes besitzen. Wenn eine zusätzliche Elastizität gewünscht wird,
kann eine Schicht aus Silikonkautschuk mit medizinischer Reinheit
zwischen dem wachstumsfördernden
Material und dem Verschleissmaterial angeordnet werden.
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Eine
weitere mögliche
Verwendung des wachstumsfördernden
Materials gemäss
der vorliegende Erfindung zwecks Implantation in Menschen sind prosthetische
Sehnen. Bei solchen prosthetischen Sehnen wird das wachstumsfördernde
Material mit den Enden eines gestreckten Organs mit geeigneten mechanischen
Eigenschaften und Oberflächeneigenschaften
und von ungefähr
der Länge
der zu ersetzenden Sehne verbunden. Ein geeignetes Konstruktionsorgan
ist in der Patentschrift
US 4'445'690 geoffenbart.
Das wachstumsfördernde
Material an den Enden dient zur Bildung des Stumpfes der entfernten
Sehne nahe an dem Punkt, bei dem die Sehne mit einem Ende in den
Muskel eintritt und sich mit dem anderen Ende am Knochen verbindet.
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Eine
Massnahme bei der Verwendung des wachstumsfördernden Materials, die seine
Verwendung erleichtert, wenn es mit anderen Materialien zu verbinden
ist, besteht darin, das Salz im Material lediglich an der Oberfläche herauszulösen, welche
zu verbinden ist, bis die Verbindung vollständig ist. Diese oberflächliche Auslaugung
wurde dadurch erzielt, dass man das ebene Material, welches das
Salz enthält,
während
einer kurzen Zeit auf destilliertem Wasser schwimmen lässt, beispielsweise
20 Minuten lang. Die Bindung wird dann ausgeführt, sowie eine etwaige Verformung,
die an der laminierten Struktur nötig ist, um sie zur Implantation vorzubereiten.
Wenn diese Verformung vollständig
ist, wird der Rest des Salzes aus dem Material herausgelöst.
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Bevorzugte
Zusammensetzungen von Verschleissmaterialien zur Implantation sind
in den USA-Patentschriften Nr. 4'188'532 und 4'209'480 beschrieben worden.
Das verbesserte wachstumsfördernde
Material der vorliegenden Erfindung enthält Bestandteile mit einer Oberflächenspannung
oberhalb 3,5 × 10–4 N/cm
in einem Bereich, der sich von 2 bis 8 × 10–4 N/cm
erstreckt.