WO2012126448A1 - Method for producing a structured coating on ceramic implants - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a structured coating on at least part of the surface of a ceramic implant, for example as an artificial joint replacement, in particular of an implant to be placed in a bone, in which the implant surface is abraded.
- Implant compatibility at the interface implant / adjacent tissue has the
- Implant surface is very important. The success and speed of osseointegration are significantly influenced by the surface of the implant. For cementless implants, there may be reduced adhesion, proliferation and proliferation of osteoblasts due to insufficient macro- and microstructuring of the surface. The formation of a connective tissue push between the implant and the bone prevents the integration of the bone on the implant surface and thus leads to a reduced secondary stability and consequently to an early failure of the implant. On the other hand, an ideal implant surface can be used to optimize the biological reactions between the implant and the bone and thus to achieve a higher functional load on the implants. Therefore, in both cementless and cemented implants, a structured surface is essential for a permanent bond between the implant and the bone surface.
- oxide ceramics are increasingly used.
- a roughening of the surface of these ceramic implants is desirable.
- this is technically not solved sufficiently until today, but it may in the usual Oberlächenbearbeitungsreaen to a formation of cracks in the material and thus lead to a reduction of the breaking strength of the ceramic.
- the object of the invention is to design a method for producing a structured coating of the type mentioned above such that a permanent connection is created between the surface of a ceramic implant and the surrounding tissue or the bone cement.
- the invention solves this problem in that, in such a method, an abrasive treatment of the ceramic surface is first carried out, then a thin layer of silicate glass is applied, which is solidified in a ceramic fire, and that the layer thus produced is finally processed abrasive and functionalized , In this way, not only an optimal functionalization of that part of the implant surface, which is to connect after implantation with the surrounding tissue, achieved, but it is at the same time substantially facilitated by the coating with a glass matrix, the structure of the surface.
- the method according to the invention is on the bone-side Surface of the implant or at least on portions thereof applied a thin layer of a ceramic solder and this is then subjected to a ceramic fire, whereby a glass-ceramic layer is produced.
- This produced by the ceramic fire glass-ceramic layer is firmly anchored by diffusion with the substrate and thus forms a solid bond with the im lantat.
- the layer can be sanded, acid etched or by a combination of both abraded or subtractive processed and roughened with it. This increases the direct contact with the contact surface to the bone or it results from a
- Functional layer for example of titanium powder by means of plasma spray technology and / or of
- a silicate ceramic solder is used, through which a thin glassy layer can be produced, which leads after the ceramic firing to a diffusion-anchored glass-ceramic layer on the thus coated surface of the implant and then, for example, with a commercial
- Hydrofluoric acid preparation can be etched structure.
- a leucite-reinforced glass ceramic is achieved, which is achieved in an advantageous manner in that the solder used is finely dispersed leucite (K [AlSi206]) is added.
- the implant to be conditioned further consists of an oxide ceramic.
- the implant anchoring at the implant / adjacent tissue interface is sustainably improved, thereby significantly increasing the speed of Osseo integration.
- it is further provided in an advantageous embodiment of the method according to the invention in addition to the surface topography, to additionally optimize the surface of the implant by chemical modification by means of a coating, for example by means of titanium plasma spraying (TPS) forms a stable titanium layer on the previously structured ceramic surface.
- TPS titanium plasma spraying
- the chemical composition of the implant surface is to be further optimized by a final coating with calcium phosphate, this phase being replaced shortly after the implantation by newly forming bone tissue.
- FIG. 1 shows a femoral component of an artificial knee joint as an example of a cementless insertable implant in perspective view
- FIG. 2 is a schematic representation of the femur fixed on the femur
- Figures 3 to 7 are schematic representations of a vertical section through the surface of an implant according to FIG l in different phases of the surface conditioning.
- FIG. 1 shows a femoral knee joint implant 1 in perspective
- the bone-side surface 2 of the implant is first roughened by sandbars according to the method shown in Figures 3 to 7, so that the in Fig. 4 structure shown with a surface 4 is formed.
- a very thin layer 5 of a silicate glass is applied to the surface 4, in the case of the exemplary embodiment described here, this is done by spraying.
- This layer 5 is converted by a ceramic fire to a diffusion layer which diffuses into the implant 1, as indicated by the dotted line 4 'in Fig. 5.
- this layer 5 is given a surface structure 6, as shown in FIG.
- the implant 1 can be inserted into the bone 3 with a suitable khoch cement, usually based on polymethyl methacrylate (PMMA).
- PMMA polymethyl methacrylate
- the structure 6 significantly improves the adhesion of the bone cement to the implant 1.
- additional finely dispersed leucite ⁇ K [AlSi206]) are introduced.
- the generated surface structure 6 is provided with a thin layer of titanium, for example by means of a plasma spray technique.
- This layer 7 can finally be provided with a calcium phosphate phase.
- the implant 1 in the relevant bone in the case described here in the bone 3, is used.
- the structured layer 7 promotes colonization with bone cells and consequently the ingrowth of the implant 1 into the surrounding bone tissue, wherein the applied calcium phosphate phase is replaced within a short time by newly forming bone tissue.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung einer Process for producing a
strukturierten Beschichtung auf structured coating on
keramischen Implantaten ceramic implants
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf zumindest einem Teil der Oberfläche eines keramischen Implantates, beispielsweise als künstlichem Gelenkersatz, insbesondere eines in einem Knochen zu platzierenden Implantates, bei dem die Implantatoberfläche abrasiv bearbeitet wird. The invention relates to a method for producing a structured coating on at least part of the surface of a ceramic implant, for example as an artificial joint replacement, in particular of an implant to be placed in a bone, in which the implant surface is abraded.
Der künstliche Gelenksersatz ist heute eine zuverlässige Operation mit guten Standzeiten bei einer Verwendung von Implantaten auf metallischer Basis . Auf der anderen Seite weisen keramische Biomaterialien als Implantatwerkstoffe deutliche Vorteile hinsichtlich ihrer Bioverträglichkeit und ihres Abriebverhaltens auf. Jedoch ist ein bisher nicht zufriedenstellend gelöstes Problem bei Implantaten auf Keramikbasis, die direkt in einem Knochenlager verankert werden sollen, unter anderem auch solchen für den künstlichen Knie- oder Hüftgelenkersatz, die Lockerung von zementfrei eingesetzten Implantaten auf Grund einer mangelnden knöchernen Integration der glatten, maschinierten Keramikoberfläche im Vergleich beispielsweise zu einer rauh gestrahlten Titanoberfläche. Artificial joint replacement today is a reliable operation with good service life when using metal-based implants. On the other hand, ceramic biomaterials as implant materials have clear advantages in terms of their biocompatibility and their abrasion behavior. However, a hitherto unsatisfactorily solved problem with ceramic-based implants intended to be anchored directly in a bone bed is, inter alia, those for the artificial knee or Hip replacement, the relaxation of cement-free implants due to a lack of bony integration of the smooth, machined ceramic surface compared for example to a rough blasted titanium surface.
Für die Implantatverankerung und dieFor implant anchoring and the
Implantatverträglichkeit an der Grenzfläche Implantat/angrenzendes Gewebe hat dieImplant compatibility at the interface implant / adjacent tissue has the
Implantatoberfläche eine große Bedeutung. Der Erfolg und die Geschwindigkeit der Osseointegration werden maßgeblich durch die Oberfläche des Implantates beeinflusst. Bei zementfreien Implantaten kann es aufgrund einer unzureichenden Makro- und Mikrostrukturierung der Oberfläche zu einer reduzierten Anhaftung, Ausbreitung und Proliferation von Osteoblasten kommen. Die Bildung einer Bindegewebsschiebt zwischen dem Implantat und dem Knochen verhindert die Integration des Knochens an der Implantatoberfläche und führt damit zu einer verminderten SekundärstabiIitat und in der Folge zu einem frühzeitigen Versagen des Implantats. Mithilfe einer idealen Implantatoberfläche können andererseits die biologischen Reaktionen zwischen Implantat und Knochen optimiert und damit eine f ühzeitigere funktionelle Belastung der Implantate erreicht werden. Daher ist sowohl bei zementfreien als auch bei zementierten Implantaten eine strukturierte Oberfläche für einen dauerhaften Verbund zwischen dem Implantat und der Knochenoberfläche von essentieller Bedeutung. Bei zementfrei eingesetzten Implantaten, wie dem künstlichen Gelenkersatz von Hüft-, Knie-, Schulter-, Sprung- und Fingergelenken, oder auch bei Implantaten für die Wirbelsäule, finden Oxidkeramiken zunehmend Verwendung. Hierbei ist eine Aufrauhung der Oberfläche dieser keramischen Implantate anzustreben. Dies ist jedoch bis heute technisch nicht hinreichend gelöst, vielmehr kann es bei den gängigen Ober lächenbearbeitungsprozessen zu einer Bildung von Rissen im Material und somit zu einer Verminderung der Bruchfestigkeit der Keramik kommen. Implant surface is very important. The success and speed of osseointegration are significantly influenced by the surface of the implant. For cementless implants, there may be reduced adhesion, proliferation and proliferation of osteoblasts due to insufficient macro- and microstructuring of the surface. The formation of a connective tissue push between the implant and the bone prevents the integration of the bone on the implant surface and thus leads to a reduced secondary stability and consequently to an early failure of the implant. On the other hand, an ideal implant surface can be used to optimize the biological reactions between the implant and the bone and thus to achieve a higher functional load on the implants. Therefore, in both cementless and cemented implants, a structured surface is essential for a permanent bond between the implant and the bone surface. For cementless implants used, such as the artificial joint replacement of hip, knee, shoulder, jump and finger joints, or even for implants for the spine, oxide ceramics are increasingly used. In this case, a roughening of the surface of these ceramic implants is desirable. However, this is technically not solved sufficiently until today, but it may in the usual Oberlächenbearbeitungsprozessen to a formation of cracks in the material and thus lead to a reduction of the breaking strength of the ceramic.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine dauerhafte Verbindung zwischen der Oberfläche eines keramischen Implantates und dem umgebenden Gewebe bzw. dem Knochenzement entsteht. The object of the invention is to design a method for producing a structured coating of the type mentioned above such that a permanent connection is created between the surface of a ceramic implant and the surrounding tissue or the bone cement.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass bei einem derartigen Verfahren zunächst eine abrasive Bearbeitung der Keramikoberfläche erfolgt, anschließend eine dünne Schicht eines silikatischen Glases aufgetragen wird, die in einem keramischen Brand verfestigt wird, und dass die so erzeugte Schicht abschließend abrasiv bearbeitet und funktionalisiert wird. Auf diese Weise wird nicht nur eine optimale Funktionalisierung desjenigen Teiles der Implantatoberfläche, die sich nach erfolgter Implantation mit dem umgebenden Gewebe verbinden soll, erreicht, sondern es wird durch die Beschichtung mit einer Glasmatrix zugleich die Strukturgebung der Oberfläche wesentlich erleichtert. The invention solves this problem in that, in such a method, an abrasive treatment of the ceramic surface is first carried out, then a thin layer of silicate glass is applied, which is solidified in a ceramic fire, and that the layer thus produced is finally processed abrasive and functionalized , In this way, not only an optimal functionalization of that part of the implant surface, which is to connect after implantation with the surrounding tissue, achieved, but it is at the same time substantially facilitated by the coating with a glass matrix, the structure of the surface.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird auf der knochenseitigen Oberfläche des Implantats oder zumindest auf Teilbereiche derselben eine dünne Schicht eines Keramiklotes aufgetragen und diese wird anschließend einem keramischen Brand unterzogen, wodurch eine glaskeramische Schicht erzeugt wird. Diese durch den keramischen Brand erzeugte glaskeramische Schicht ist durch Diffusion mit dem Substrat stoffschlüssig verankert und bildet somit einen festen Verbund mit dem Im lantat . Anschließend kann die Schicht durch Sandstrahlen, Säureätzen oder durch eine Kombination von beiden abrasiv bzw. subtraktiv bearbeitet und damit aufgerauht werden. Dadurch vergrößert sich bei direkter Einbringung die Kontaktfläche zum Knochen oder es resultiert daraus eineIn a preferred embodiment of the method according to the invention is on the bone-side Surface of the implant or at least on portions thereof applied a thin layer of a ceramic solder and this is then subjected to a ceramic fire, whereby a glass-ceramic layer is produced. This produced by the ceramic fire glass-ceramic layer is firmly anchored by diffusion with the substrate and thus forms a solid bond with the im lantat. Subsequently, the layer can be sanded, acid etched or by a combination of both abraded or subtractive processed and roughened with it. This increases the direct contact with the contact surface to the bone or it results from a
Oberflächenvergrößerung der Keramik, welche dann eine stabile und haftfeste Aufbringung einer osteokonduktiv oder bioaktiv wirksamenSurface enlargement of the ceramic, which then a stable and adherent application of an osteoconductive or bioactive effect
FunktionsSchicht, beispielsweise von Titanpulver mittels Plasma-Spraytechnik und/oder vonFunctional layer, for example of titanium powder by means of plasma spray technology and / or of
Calciumphosphat , ermöglicht. Calcium phosphate.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein silikatisches Keramiklot verwendet, durch das eine dünne glasige Schicht erzeugt werden kann, die nach dem Keramikbrand zu einer diffusions erankerten glaskeramischen Schicht auf der so beschichteten Oberfläche des Implantates führt und die anschließend beispielsweise mit einem handelsüblichenPreferably, in the method according to the invention a silicate ceramic solder is used, through which a thin glassy layer can be produced, which leads after the ceramic firing to a diffusion-anchored glass-ceramic layer on the thus coated surface of the implant and then, for example, with a commercial
Flußsäurepräparat strukturgeätzt werden kann. Besonders vorteilhaft im Hinblick auf das Erzielen einer optimalen Osseointegration bei einem zementfreien Implantat ist es dabei, wenn es sich bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Schicht um eine leuzitverstärkte Glaskeramik handelt, was in vorteilhafter Weise dadurch erreicht wird, dass dem verwendeten Lot feindisperses Leuzit (K[AlSi206]) zugesetzt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung besteht ferner das zu konditionierende Implantat aus einer Oxidkeramik. Hydrofluoric acid preparation can be etched structure. In the case of the layer produced by the method according to the invention, it is particularly advantageous with regard to achieving optimum osseointegration in the case of a cementless implant that a leucite-reinforced glass ceramic is achieved, which is achieved in an advantageous manner in that the solder used is finely dispersed leucite (K [AlSi206]) is added. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the implant to be conditioned further consists of an oxide ceramic.
Durch die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Optimierung der Implantatoberfläche wird die Implantatverankerung an der Grenzfläche Implantat/angrenzendes Gewebe nachhaltig verbessert und dadurch die Geschwindigkeit der OsseoIntegration maßgeblich erhöht. Um diese Osseointegration noch weiter zu beschleunigen, ist in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ferner vorgesehen, neben der Oberflächentopografie die Oberfläche des Iraplantates zusätzlich auch durch eine chemische Modifizierung mittels einer Beschichtung beispielsweise mittels Titan-Plasma-Sprayen (TPS) zu optimieren, durch die sich eine stabile Titanschicht auf der zuvor strukturierten keramischen Oberfläche bildet. Schließlich ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens( nach der Erfindung vorgesehen, die chemische Zusammensetzung der Implantatoberfläche weiterhin durch eine abschließende Beschichtung mit Calciumphosphat zu optimieren, wobei diese Phase bereits kurze Zeit nach der erfolgten Implantation durch sich neu bildendes Knochengewebe ersetzt wird. By optimizing the implant surface provided in the method according to the invention, the implant anchoring at the implant / adjacent tissue interface is sustainably improved, thereby significantly increasing the speed of Osseo integration. In order to further accelerate this osseointegration, it is further provided in an advantageous embodiment of the method according to the invention, in addition to the surface topography, to additionally optimize the surface of the implant by chemical modification by means of a coating, for example by means of titanium plasma spraying (TPS) forms a stable titanium layer on the previously structured ceramic surface. Finally, in a particularly preferred embodiment of the method ( according to the invention), the chemical composition of the implant surface is to be further optimized by a final coating with calcium phosphate, this phase being replaced shortly after the implantation by newly forming bone tissue.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:
Fig. 1 eine femorale Komponente eines künstlichen Kniegelenks als Beispiel für ein zementfrei einsetzbares Implantat in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 eine schematische Darstellung der am Oberschenkelknochen fixierten femoralen1 shows a femoral component of an artificial knee joint as an example of a cementless insertable implant in perspective view, Fig. 2 is a schematic representation of the femur fixed on the femur
Knieendop ot esen-Komponente Knee end component
Figuren 3 bis 7 schematische Darstellungen eines vertikalen Schnitts durch die Oberfläche eines Implantats gemäß Fig. l in verschiedenen Phasen der Oberflächenkonditionierung. Figures 3 to 7 are schematic representations of a vertical section through the surface of an implant according to FIG l in different phases of the surface conditioning.
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt ein femorales Kniegelenkimplantat 1 in perspektivischerThe illustration according to FIG. 1 shows a femoral knee joint implant 1 in perspective
Darstellung, das im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels aus einer Oxidkeramik besteht. Representation, which consists of an oxide ceramic in the case of the embodiment shown here.
Zur besseren Integration des zementfreien Implantates in das Knochengewebe des Oberschenkelknochens 3 bzw. zur Erzielung einer höheren Knochenzementhaftung am Implantat wird gemäß dem in den Figuren 3 bis 7 gezeigten Verfahren die knochenseitige Oberfläche 2 des Implantates zunächst durch Sandstahlen leicht aufgerauht, so dass die in Fig. 4 dargestellte Struktur mit einer Oberfläche 4 entsteht. Anschließend wird gemäß Fig. 5 auf die Oberfläche 4 eine sehr dünne Schicht 5 eines silikatischen Glases aufgetragen, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels geschieht dies durch Sprühen. Diese Schicht 5 wird durch einen keramischen Brand zu einer Diffusionsschicht umgewandelt, die in das Implantat 1 hineindiffundiert, wie dies durch die gepunktet dargestellte Linie 4' in Fig. 5 angedeutet ist. Durch ein abtragendes Verfahren, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels einer Kombination aus Sandstrahlen und Säureätzen, erhält diese Schicht 5 eine Oberflächenstruktur 6, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Anschließend kann das Implantat 1 mit einem geeigneten Khochenzement, üblicherweise auf der Basis von Polymethylmetacrylat (PMMA) , in den Knochen 3 eingesetzt werden. Bei zementierten Implantaten verbessert die Struktur 6 signifikant die Haftung des Knochenzementes am Implantat 1. Um die Rauheit der Oberfläche 6 der Schicht 5 noch zu erhöhen und damit die Festigkeit der Verbindung von Implantat und Knochen bzw. Implantat und Knochenzement weiter zu steigern, kann in das Lot zusätzlich feindispers verteiltes Leuzit {K[AlSi206]) mit eingebracht werden. For better integration of the cementless implant in the bone tissue of the femur 3 or to achieve a higher bone cement adhesion to the implant, the bone-side surface 2 of the implant is first roughened by sandbars according to the method shown in Figures 3 to 7, so that the in Fig. 4 structure shown with a surface 4 is formed. Subsequently, according to FIG. 5, a very thin layer 5 of a silicate glass is applied to the surface 4, in the case of the exemplary embodiment described here, this is done by spraying. This layer 5 is converted by a ceramic fire to a diffusion layer which diffuses into the implant 1, as indicated by the dotted line 4 'in Fig. 5. By a removing process, in the case of the embodiment of a combination of sandblasting and acid etching described here, this layer 5 is given a surface structure 6, as shown in FIG. Subsequently, the implant 1 can be inserted into the bone 3 with a suitable khoch cement, usually based on polymethyl methacrylate (PMMA). In the case of cemented implants, the structure 6 significantly improves the adhesion of the bone cement to the implant 1. In order to further increase the roughness of the surface 6 of the layer 5 and thus further increase the strength of the connection of the implant and bone or implant and bone cement, it is possible to increase this Lot additional finely dispersed leucite {K [AlSi206]) are introduced.
Ist eine zementfreie Implantation vorgesehen, so wird in einem weiteren, in Fig. 7 dargestellten Schritt, die erzeugte Oberflächenstruktur 6 beispielsweise mittels einer Plasma-Spraytechnik mit einer dünnen Schicht 7 aus Titan versehen. Diese Schicht 7 kann abschließend noch mit einer Calciumphosphat-Phase versehen werden. Durch die Konditionierung der Implantatoberfläche mit einer Schicht auf der Basis eines silikatischen Glases kann außerdem körpereigenes Hydroxylapatit (Ca5 (OH) (P04) 3) freigesetzt werden, das diesen Prozess zusätzlich begünstigt . If a cement-free implantation is provided, then in a further step shown in FIG. 7, the generated surface structure 6 is provided with a thin layer of titanium, for example by means of a plasma spray technique. This layer 7 can finally be provided with a calcium phosphate phase. By conditioning the implant surface with a layer based on a silicate glass, the body's own hydroxyapatite (Ca5 (OH) (P04) 3) can be released, which additionally favors this process.
Auch in diesem Fall wird das Implantat 1 in den betreffenden Knochen, im hier beschriebenen Fall in den Knochen 3 , eingesetzt . Die strukturierte Schicht 7 fördert die Besiedelung mit Knochenzellen und in der Folge das Einwachsen des Implantates 1 in das umgebende Knochengewebe, wobei die aufgebrachte Calciumphosphat-Phase innerhalb kurzer Zeit durch sich neu bildendes knocheneigenes Gewebe ersetzt wird. Also in this case, the implant 1 in the relevant bone, in the case described here in the bone 3, is used. The structured layer 7 promotes colonization with bone cells and consequently the ingrowth of the implant 1 into the surrounding bone tissue, wherein the applied calcium phosphate phase is replaced within a short time by newly forming bone tissue.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 12712559 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12712559 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |