DE2416087B2 - Synthetisches Material auf der Grundlage von Hydroxylapatit bzw. Whitlockit - Google Patents

Synthetisches Material auf der Grundlage von Hydroxylapatit bzw. Whitlockit

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Description

Es ist bekannt, daß der Ersatz von beschädigten Körpergewebe und Knochen durch synthetisches Material möglich ist. Sterilisiertes Tier- oder Humanknochengeweba ist nicht befriedigend wegen der Probleme mit der restlichen organischen Materie, ,'welche immunologische Reaktionen hervorruft Ein : anderer Weg zur Reparatur oder zum Ersatz gebrochener Knochen oder beschädigter Gelenke bestand darin, prothetische Implantate aus mit Körpergewebe verträglichen Materialien herzustellen, die akzeptable mechanische Eigenschaften aufweisen. Schrauben, Stifte, Nägel und andere Materialien oder Formen, welche aus hochpolierten Legierungen, wie Vitallium, einer Kobalt-Chrom-Legierung mit der ungefähren Zusammensetzung 65% Kobalt, 35% Chrom und 5% Molybdän, sind weitverbreitet angewendet worden, jedoch verursachen diese Implantate oft Entzündungen und eine übermäßige Entwicklung von Fasergewebe. Die Korrosion des Metalls und das Unvermögen, eine langwährende mechanische Befestigung auszulösen, sind weitere Nachteile. Versuche zur Erhöhung des Grades an Gewebebindung mittels Ansintern einer Schicht aus Metallkügelchen an der äußeren Oberfläche, wie der äußeren Oberfläche eines Vitalliumlegierung-Implantats, sind unternommen worden. Gesinterte Titanfaserablagerungen sind ebenfalls verwendet worden. Andere potentielle prothetische Materialien umfassen phosphathaltige rekristallisierte Gläser, Phosphat-gebundenes Aluminiumoxid und poröse Keramikmaterialien. Die Schwierigkeiten bei der Regelung der Porengröße und insbesondere bei der Regelung der Größe der Verbindungen zwischen benachbarten Poren sind die hauptsächlichen Beschränkungen gewesen bei der Herstellung und Anwendung poröser Keramikmaterialien als prothetische Materialien.
Die Patentliteratur beschreibt viele Materialien und Hersteilungsweisen für solche Materialien, welche zur Herstellung prothetischer Ausrüstungen und anatomischer Ersatzmaterialien vorgeschlagen werden, siehe z. B. die US-PS 26 88 139,30 41 205,33 14 420,33 87 925, 34 00 719, 35 26 005, 35 26 906, 35 63 925, 36 05 123 und 36 62 405. Die Offenbarungen dieser Patentschriften seien hier einbezogen und Teil der vorliegenden Beschreibung.
. Studien über Implantat- oder prothetische Materialien haben gezeigt, daß Porenverbindungen zwischen 100 und 299/μηι (Mikron) notwendig sind für die Entwicklung von Haversian-Systemen und der anastomotischen Blutversorgung, welche für eine Knochenernährung wesentlich ist. Optimale Porengroßen für das Hineinwachsen osteoider Zellen und Fasergeweben sind entsprechend 40-100 μπι und 5—15 μπι. Obwohl eine gleichmäßige Porengröße und Permeabilität schwierig in synthetischen Materialien zu erhalten ist, sind Materialien, welche eine gleichmäßige Porengröße und Permeabilität besitzen, in der Natur ziemlich verbreitet Zum Betspie! sind die meisten Echinoderm-Skelette durch eine ausgeprägte dreidimensionale Porenfensterstruktur gekennzeichnet, siene Science 166, 1147 (1967). Die Offenbarungen dieses Aufsatzes seien hier einbezogen und Teil dieser Beschreibung. Dieser Aufsatz beschreibt die MikroStruktur von Echinoderm-Skeletten, welche — wie oben angegeben
ίο — durch eine ausgeprägte dreidimensionale Porenfensterstruktur gekennzeichnet sind, die eine periodische minimale Flächenverteilung liefert Eine solche Flächenstruktur unterteilt den Raum in zwei ineinandergreifende Regionen, von welchen jede einen einzelnen vielfach
ii verbriiekten Bereich darstellt Nach diesem Aufsatz liefert die Flächenstruktur, welche den Zwischenflächenbereich zwischen der festen Calzitphase und der organischen Materialkomponente bildet, einen größtmöglichen Kontakt für das Kristallwachstum. Die beschriebene MikroStruktur scheint für Echinoderm-Skelett- bzw. -Gerüstmaterialien einzigartig zu sein.
Andere poröse Gerüstmaterialien von marinen wirbellosen Lebewesen und Untersuchungen über solche Materialien zeigen, daß eine beträchtliche Vielfalt von Mikrostrukturen als Grundlage zur Herstellung synthetischer Implantatmaterialien mittels Strukturreplikation dienen könnte. In der schwebenden eigenen Anmeldung Sen No. 291, 547 vom 25. September 1972 von Eugene W. White, Jon N. Weber und Rodney A. White ist vorgeschlagen worden, in negativer oder positiver Form die Mikrostrukturen eines solchen porösen Gerüstmaterials in anderen Materialien zu replizieren oder duplizieren, weiche hierdurch einen gewissen Grad an BioverträgJichkeit
r> besitzen wurden; in dtr Tat führt die Duplizierung jener Naturmaterialien mit einer erwünschten MikroStruktur zu einem anderen Material, welches bessere physikalische und/oder chemische Eigenschaften zur Verwendung als Biomaterialien besitzt. Die Offenbarungen der
4» obengenannten Patentanmeldung seien hier einbezogen und Teil der vorliegenden Beschreibung.
Von diesen anderen porösen Gerüst- bzw. Skelettmaterialien ist das vieversprechendste die gewöhnliche skleraktiniarrische riffbildende, in Kolonien auftretende
v> Koralle Pontes, deren Skelett aus strahlenförmig abgehenden Clustern nadeiförmiger Aragonit-Kristalle (Sklerodermite) aufgebaut ist. Die kleinen (weniger als 2 mm) Korallite, welche ohne coeosteum eng miteinander vereinigt sind, haben sowohl perforierte Skelett-
■50 wände als auch septa mit Perforationen.
Untersuchungen über die Mikrostrukturen von echinoiden Gerüstcalziten, Porites-Skelettaragonit und Humanknochenmaterial zeigten, daß mit Ausnahme eines größeren Grades an Orientierung der Poren in
γ, dem echinoiden Gerüstcalzit und dem Porkss-Skelettaragonit die großen Mikrostrukturmerkmale dieser drei Materialien ähnlich sind. Im Humanknochen liegt das Porenvolumen im Bereich von etwa 90% in Regionen niedriger Verkalkung bis zu 10% in den am stärksten
bo verkalkten Bereichen. Es schien daher möglich, aus dem Tierreich eine MikroStruktur auszuwählen, welche im wesentlichen derjenigen von menschlichem Knochen entspricht Die Nachteile einer direkten Verwendung von natürlich vorkommenden Skelettmaterialien als Knochenimplantat- oder -ersatzmaterialien und andere prothetische Ausrüstungen sind jedoch die geringe Festigkeit und hohe Löslichkeit des Carbonatmaterials, wie Calzits und Aragonits, welche die Masse der
3 4
vorgenannten marinen Skelettmaterialien bilden. Im Erfindung ist die Fähigkeit, solche Materialien zu einer
Falle des Hydroxylapatits von Humanknochen, welcher großen Vielfalt von Kompositmaterialien, die bislang
einen wesentlichen Prozentgehalt an CO3 enthalt, siehe nicht verfügbar waren, umzuwandeln. Die Auswahl der
E. D. Pellegrino et at, Trans. Am. Clin. Climatol. Assoc. mit den synthetischen Materialien dieser Erfindung
76,181 (1965), sowie von Wirbeltierknochen besteht die 5 gemeinsam genutzten Materialien sollte so erfolgen,
Schwierigkeit und bestehen die Nachteile in der daß die A"sgestaltung der erhaltenen Kompositstruktur
Entfernung der restlichen organischen Materie aus und/oder des erfindungsgemäß hergestellten syntheti-
diesen, weiche gegenläufige immunologische Reakti- sehen Grundmaterials optimiert wird. Derartige andere
onen hervorrufen kann. Materialien, die mit den synthetischen Materialien
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 10 dieser Erfindung gekoppelt oder zusammengestellt
synthetisches Material auf der Grundlage von Hydroxy- werden, umfassen Metalle, organische Polymere und
!apatit bzw. Whitlockit so herzustellen, daC sie als Kollagen.
Biomaterial insbesondere als Material für Humankno- Bei der Herstellung der synthetischen Materialien
chenimplantate geeignet ist. Zur Lösung dieser Aufgabe dieser Erfindung ist es erwünscht, bevor die natürlich
wird das im Anspruch angegebene synthetische 15 vorkommenden porösen Carbonatskelettmaterialien
Material vorgeschlagen. dem hydrothermalen chemischen Austausch mit einem
Obwohl bei der vorliegenden Beschreibung der Phosphat unterworfen werden, zunächst das poröse Erfindung die Betonung hinsichtlich der Anwendung dar Carbonat-Skelettmaterial durch Entfernung irgendwelspeziell hergestellten synthetischen Materialien als eher organischer Materie hieraus zu präparieren. Eine _Biomiterialien gesetzt worden ist, sind die Materialien 20 geeignete Technik zur Entfernung von organischem ': s ^dieser Erfindung auch verwendbar zur Herstellung von -Material aus dem porösen Skelettmaterial besteht im j "Spezialfiltem, K^talysatorträgern, Mitteln zur Immobi- Eintauchen in eine verdünnte (etwa 5%) wäßrige lisierung und/oder Stabilisierung katalytischer Agen- Lösung von Natriumhypochlorit. Gewöhnlich ist eine tien, einschließlich Enzymen, zur Durchführung spezifi- Eintauchzeit von etwa JO Stunden zur Entfernung scher chemischer Reaktionen und zur Herstellung 25 praktisch der gesamten organischen Materie zufriedenanderer spezieller Ausrufungen oder Strukturen, stellend. Danach wird das Material gespült, vorzugswei- < weiche eine poröse MikroStruktur mit einer Porengröße se in entionisiertem Wasser, und getrocknet, wie bei * im Bereich von etwa 5—500 Mikron erfordern. einer Temperatur von etwa 9O0C. Jede geeignete
Die wie oben angedeutet erfindungsgemäß herge- Technik zur Entfernung von organischem Material, wie stellten synthetischen Phosphatmaterialien sind insbe- jo die in Science 119,771 (1954), beschriebene Technik zur sondere als Biomaterialien zum Einsatz bei der Entfernung organischer Materie aus tierischem Kno-Herstellung prothetischer Ausrüstungen oder zur chenmaterial, kann angewendet werden. Gegebenen-Verwendung als Implantate in menschlichem hartem falls kann das organofreie Carbonat-Skelettmaterial % Gewebe und ähnlichem brauchbar. Die Materialien nach Umwandlung mittels hydrothermalen chemischen '" dieser Erfindung, insbesondere jene aus porösem js Austausche mit einem Phosphat zu Hydroxylapatit oder Carbonat-(Aragonit-) Gerüstmaterial von Meeresiebe- Whitlockit, wenn es nicht bereits ausgeformt ist, zu einer v/esen kommen, da sie überwiegend aus Hydroxylapatit gewünschten Form oder Struktur ausgeformt werden, CaI0(PO4)I1(OH)Z mit etwas vorliegendem Carbonat zum Beispiel zu Zylindern, Schrauben, Muttern, Bolzen, " (COj) bestehen, der Zusammensetzung der anorgani- Stiften, flachen oder gebogenen Platten und ähnlichem,
sehen Komponente von menschlichem Hartgewebe, 40 Die Umwandlung eines porösen Carbonat-Skelettd. h. Humanknochen nahe. Tatsächlich scheint es, als materials in die speziellen synthetischen Materialien seien die erfindungsgemäß hergestellten Materialien die dieser Erfindung wird durch eine hydrothermale menschlichem Hartgewebe am nächsten kommenden, chemische Austauschoperation oder -reaktion bei einer verglichen mit einem ansonsten noch verfügbaren erhöhten Temperatur, wie einer Temperatur im Bereich Material. 4r> von etwa 10O0C bis 6000C, mehr oder weniger, bei
Materialien dieser Erfindung besitzen eine Mikro- entsprechend hohen Drucken, wie einem Druck im
struktur, welche porös, vollständig untereinander Bereich von etwa 0,1 Kilobar bis 5 Kilobar, durchge-
verbrückt ist und sich der gleichen Porengröße wie führt. Gewöhnlich ist der hydrothermale chemische
Humanknochen annähert, was ein Eindringen von Austausch des Carbonat-Skelettmaterials mit dem
Körperflüssigkeiten und Blutzellen hierein erlaubt. ->« Phosphat im wesentlichen vollständig innerhalb eines
Erfindungsgemäße Materialien können hergestellt wer- Zeitraums im Bereich von etwa 1 Stunde bis zu etwa 2
den, die für Wurzelteile von Zahnimplantaten und Wochen je nach den vorliegenden Temperaturen und
Kieferrestaurierungen geeignet sind, wo sie ein rasches Drucken, der Konzentration des Phosphats während
Einwachsen von Zahnwurzel- und Hartgewebe zulas- der hydrothermalen Reaktion und der Natur des
sen. 55 Phosphats und der Carbonat-Skelettmaterialien.
Da die synthetischen Materialien dieser Erfindung bei Die chemischen Reaktionen, welche bei der Umerhöhten Temperaturen und Drucken hergestellt Wandlung des Carbonat-Skelettmaterials in ein entsprewerden, werden die erhaltenen hergestellten Materia- chendes Hydroxylapatit-Skelettmaterial erfolgen, sind lien während ihrer Herstellung sterilisiert und können in den folgenden chemischen Gleichungen zur Erläutenatürlich auch erneut sterilisiert werden. Ein anderes to rung wiedergegeben:
Merkmal der speziellen synthetischen Massen dieser
I lOCaCO, + öiNH^HPO^ + 2H2O —> Ca^PO4MOH2) + ofNH^COj + 4H2CO,
CO3 CO3
Koralle HO-Apatit
(Porites) mit etwas substituiertem CO3
Aragonit-Kristallstruktur
; 5 6
II 10CaCO3 + 6(NH4J2HPO4 + Ca(OH)2 -+ Ca10(PO4WOH)2 + 6(NH,)2CO3 + CaCO3 + 3H5CO3
I 1
Co3 CO3
III 9CaCO3+ CaHPO4^H2O+5(NH4J2HPO4+ H2O -» Ca10(PO4WOH)2 + 5(NH4J2CO3 + 4H2CC),
I I
CO3 CO,
IV 9CaCO3 + 3[3CaO-P2O5] + 2H2O -* CaI0(PO4WOH)2 + 8CaCO3 + IH2CO3
CO3 CO3
V 1OCaCO3 + 2CaHPO4-2H2O +4H3PO4 -» Ca10(PO4WOH)2 + 2CaCO3 + 8H2CO3 + 2H2O
Sl Il
,!... CO3 CO3
ΐ VI 10CaCO3 + 3Ca(H2PO4)J-H2O —> Ca10(PO4WOH)2 + 3CaCO3 + 7H2CO3
|! Il
Co3 co3
§ VH 1OCaCO3 + 3[3CaOP2O5] +2CH3COOH
—> Cai0(PO4)6(OH)2 + 8CaCO3 + Ca(CH3COO)2 + H2C3
1 I
CO3 CO3
In sämtlichen obigen Gleichungen bedeutet COA daß 35 Wenn das Carbonat-Skelettmaterial magnesiumrei-
etwas Carbonat in der Struktur, Hydroxylapatit und eher Calzit ist, z. B. über etwa 3% Mg aufweist, wie er
Whitlock'it, substituiert ist Die Menge kann annähernd sich von den Calzitgerüsten der Acanthaster planci
gleich derjenigen in Humanknochen sein, wie im ableitet, wird nach der hydrothermalen chemischen
Bereich oberhalb etwa 0,5% bis 4 Gew.-% CO3. Die Austauschreaktion erfindungsgemäß Whitlockit er-
Mikrostruktur des erhaltenen gebildeten Hydroxylapa- 40 zeugt, wie durch die folgende chemische Gleichung
tiimaterials ist im wesentlichen die gleiche wie die des wiedergegeben wird: Aragonitquellenmaterials.
Vm 3CaCO3+ 2(NH4J2HPO4 —>■ 2[Ca3(PO4J2]+(NH4J2CO3 + 2H2CO3 Calzit Whitlockit
Die Mikrosti'uktur des erhaltenen Whitlockit-Skelett- rial in das entsprechende Hydroxylapatit-Skelettmate-
materials ist sehr ähnlich, obwohl etwas feiner, 50 rial und magnesiumhaltiges Calzitcarbonat-Skelettma-
derjenigen des ursprünglichen Calzitcarbonat-Skelett- terial in Whitlockit umgewandelt, wohingegen reiner
materials, aus welchem er stammt Calzit, wie Calzitkristall, in Hydroxylapatit überführt
Die volle Erklärung für das beobachtete Phänomen, wird.
daß Hydroxylapatit aus Aragonit-CaCO3 durch hydro- Bei der hydrothermalen chemischen Reaktion zur
fthermalen chemischen Austausch mit einem Phosphat 55 Umwandlung des Carbonat-Skelettmaterials in das
gebildet wird, während Whitlockit aus CaIzH-CaCO3 entsprechende Hydroxylapatit- oder Whitlockit-Ske-
rgebildet wird, liegt noch nicht vor. Es scheint jedoch, daß lettmaterial können variierende Anteile des Reagens
:dort, wo das poröse Carbonat-Skelettmaterial aus verwendet werden. Es äst jedoch erwünscht, daß die
einem Calzit aufgebaut ist, welcher magnesiumreich ist, notwendigen stöchiometrischen Mengen der Reagen-
jf wie die Calzitgerüste von Acanthaster planci, das 60 tien vorliegen, um die angestrebte hydrothermale
S Vorliegen von Magnesium einen Faktor darstellt; in der Reaktion vollständig ablaufen zu lassen, d. h. die
Tat ist Magnesium eindeutig mit Whitlockit verbunden. praktisch vollständige Umwandlung des Carbonat-Ske-
Es wurde gefunden, daß bis zu 17 Atomprozent !««materials in das entsprechende Hydroxylapatit- oder
Magnesium anstelle von Ca im Whitlockit vorliegen, Whitlockit-Materia! zu erreichen. Bei Ausführung der
während seine feste Lösung in Hydroxylapatit sehr 65 hydrothermalen chemischen Reaktionen gemäß dieser
beschränkt ist. Bei einer hydrothermalen chemischen Erfindung ist es nützlich, einen Oberschuß des
Austauschreaktion unter Verwendung des gleichen Phosphatreagens vorzulegen. Allgemein werden befrie-
Phosphatreagens wird Aragonitcarbonat-Skelettmate- digende Ergebnisse bei der erfindungsgemäßen Herstel-
lung von Hydroxylapatit- und Whitlockitmaterialien erhalten, wenn das reagierende Carbonat-Korallenskelettmaterial, der Phosphatdonor, z. B. (NHi)2HPO4, und Wasser in den relativen Gewichtsanteilen von entsprechend 1:1:4 zugegen ist. Wenn die vorgenannten Materialien in den vorerwähnten Anteilen zugegen sind und die hydrothermale chemische Austauschreaktion bei einer Temperatur von etwa 275°C und einem Druck von 1 Kilobar und für einen Zeitraum von etwa 24 Stunden erfolgt, wird praktisch vollständige Umwandlung eines Aragonkcarbonat-Skelettmaterials in das entsprechende Hydroxylapatit-Skelettmaterial bei einer gewissen Substitution von Carbonat bewirkt Das erhaltene hergestellte Hydroxylapatitmaterial wird dann erwünschtermaßen gewaschen zwecks Entfernung eines wasserlöslichen Rückstandes, wie durch eine Anzahl von Waschungen, z.B. 5 Waschungen, durch Kochen in entionisiertem Wasser für etwa 5 Minuten pro Waschung, einschließlich Dekantieren des Waschwassers nach jeder Waschung.
Verschiedene im wesentlichen wasserlösliche Phosphate können als phosphatlieferndes Reagens bei der hydrothermalen chemischen Ausiauschreaktion verwendet werden, um die speziellen Materialien dieser Erfindung herzustellen. Zu solchen geeigneten Phosphaten zählen die Alkaliphosphate, wie Natriumorthophosphate und Kaliumorthophosphate. die Ammoniumorthophosphate, eingeschlossen die sauren Phosphate und gemischten Phosphate. Brauchbar sind auch die Calciumorthophosphate und die sauren Phosphate wie auch Orthophosphorsäure, einschließlich ihrer Hydrate und Derivate,uund Gemische einer schwachen Säure, wie Essigsäure, mit einem Phosphat
Zu brachbaren Orthophosphaten und sauren Phosphaten bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung zählen Li3(PO4), LiH2(PO4), Na3(PO4), Na2HPO4, Na3H3(PO4J2, NaH2(PO4), Na4H5(PO4J3, NaH5(PO4J2, K3PO4, K2HPO4, K7H5(POi)4, K5H4(PO4)J, KH2(PO4), KHs(PO4)2,(NH4)3PO4NH4)2HPO4,NH4H2 PO4, NH4H5(PO4J2, NH4H8(PO4J3 und ihre Hydrate und gemischten Salze, speziell die K-, NH4- und Na-Orthophosphate und sauren Phosphate, einschließlich auch Rb- und Cs-Orthophosphate und sauren Phosphate. Neben den vorerwähnten sind auch brauchbar die Calciumorthophosphate 2 CaO-P2O5, CaHPO4, Ca4P2O9, Ca(H2PO4J2 und CaO-P2O5.
Nach Beendigung der hydrothermalen chemischen Austauschreaktion ist, wie durch Prüfung, einschließlich optischer Mikroskopie und abtastender Elektronenmikroskopie, gezeigt worden ist die erhaltene dreidimensionale, vollständig durchdringende poröse Struktur die gleiche wie die ursprüngliche Carbonatstruktur, von welcher sie abstammt Die ursprüngliche Calciumcarbonat(Aragonit)kristallstruktur des erhaltenen hergestellten Materials fehlt, wie durch Röntgenbeugung und optische Mikroskopie bestimmt wurde.
Wie angegeben, können verschiedene poröse Carbonat-Skelettmaterialien, insbesondere poröse Carbonat-Skelettmaterialien von Meereslebewesen, bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung verwendet werden. Insbesondere brauchbar ist wegen der riesigen zur Verfugung stehenden Mengen das Carbonat-Skelettmaterial der skleractinianischen Koralle Porites, worin das Skelettmaterial aus dem Carbonat Aragonit zusammengesetzt ist Andere Korallen der Arten Goniopora, Alveopora, Acropora und anderer können bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung geeigneterweise als Quelle für das Carbonat-Skelettmaterial zum Umwandlung in Hydroxylapatit mittels hydrothermaler chemischer Austauschreaktion mit einem Phosphat verwendet werden. Wo das Carbonat-Skelettmaterial aus einem marinen Calzitcarbonat-Skelettmaterial aufgebaut ist, wie echinoidem Gerüstcalzit, worin der Calzit eine wesentliche Menge an damit vergesellschaftetem Magnesium enthält, wird nach hydrothermalem chemischem Austausch mit einem Phosphat Whitlockit erzeugt und die Calzitstruktur fehlt, wie durch Röntgenbeugung ermittelt wurde. Wenn jedoch ein poröses CaJzitcarbonat-SkeJettmaterial verwendet werden soll, das praktisch frei von Magnesium ist, wird das erhaltene Calzitcarbonat-Skelettmaterial eher in Hydroxylapatit als in Whitlockit umgewandelt Beide Materialien, Hydroxylapatit und Whitlockit, sind jedoch brauchbare Materialien, wobei der Hydroxylapatit für die Hersteilung einer prothetischen Ausrüstung und ähnlicher bevorzugt wird.
Die erfindungsgemäß hergestellten synthetischen Materialien Hydroxylapatit und Whitlockit sind, wie gefunden wurde, mindestens so fest wie das ursprüngliche Carbonat-Skelettmaterial, von welchem sie abstammen, während gleichzeitig Humanknochengewebe sowohl hinsichtlich der Chemie als auch MikroStruktur nachgeahmt wird. Da Hydroxylapatit härter (Mohs-Härte=5) als sowohl Aragonit (Mohs-Härte=3,5—4) als auch Calzit (Mohs-Härte=3) ist werden Strukturen hergestellt, welche stärker als das ursprüngliche Material sind, von welchem sich solche Strukturen ableiten, während die MikroStruktur des Quellenmaterials erhalten bleibt Es wurde außerdem gefunden, daß, wenn das Carbonat-Skelettmaterial aus magnesiumhaltigem Calzitcarbonat aufgebaut ist, wie dem Skeiettmaterial der asteroiden Acanthaster planci, und dieses Material erfindungsgemäß durch hydrothermalen chemischen Austausch unter Bildung von Whitlockit Ca3(PO4J2 umgewandelt wird, hat das erhaltene hergestellte synthetische Material feinere Mikroporen, während die MikroStruktur seines Calzitcarbonat-Quellenmaterials im wesentlichen erhalten bleibt, womit eine Technik zur Regelung der Porengröße gegeben ist
Die folgenden Erläuterungen dienen der Veranschaulichung dieser Erfindung. Es wurden Schnitte der massiven skieraciinianischen Koralle Pontes und Gerüste der asteroiden Acanthaster planci als Ausgangsmaterialien verwendet um entsprechende Aragonit- und Calzitpolymorphe des Calciumcarbonate vorzulegen. Für den chemischen Austausch dieser Carbonatmaterialien mit einem Phosphat wurden
so hydrothermale Techniken angewendet Teile der Porites-Koralle und des Acanthaster planci-Gerüstes wurden zusammen mit abgewogenen Mengen der Reagentien und Wasser (das Carbonatquellenmaterial war vollständig in die erhaltene wäßrige Lösung getaucht) in einem Goldrohr verschlossen, auf erhöhte Temperaturen und Drucke für Zeitspannen erhitzt die von 12 Stunden bis zu 1 Woche variierten, und das erhaltene Reaktionsprodukt abgekühlt und geprüft Nach der Prüfung wurde gefunden, daß ein im wesentlichen vollständiger Ersatz des Aragonits durch Phosphatmaterial erreicht worden war. Die porösen, untereinander verbrückten Strukturen der Quellenmaterialien blieben gewahrt Zum Beispiel ersetzte Hydroxylapatit das ursprüngliche Porites-Aragonitcarbonat und behielt dessen Struktur.
Typische Versuchsbedingungen für die zur Herstellung von Hydroxylapatit und Whitlockit durchgeführten Austauschreaktionen sind in der folgenden Tabelle 1
030 108/191
angegeben. Gemäß der praktischen Durchführung dieser Erfindung fanden die folgenden Austauschreaktionen statt:
10CaCG3+6(NH4)2HPO4+2 H2O-Porites-Aragonit
10
H2CO3
Apatit
3 CaCOj+2 (NH4J2HPO4-Acanthaster planci
2[Ca3(PO4)2]+2(NH4)2CO3+2 H2CO3
Whitlockit
Tabelle 1
Hydrothermaler Phosphataustausch an der Koralle (Porites) und Echinoderm-Gerüstmateriaj (Acanthaster pJanci)
Probe Nr. Reagens Temperatur Druck Zeit
c· kp/cm2 Stdn.
Koralle
! (NH4)2HPO4 250 1050 24
2 (NH4J2HPO4 260 1050 12
3 (NH4J2HPO4 + Ca(OH)2 250 1050 24
4 (NH4J2HPO4 + Ca(OH)2 260 1050 48
5 (NH4)2HPO4 + Ca(OH)2 350 1050 24
6 (NH4)2HPO4 + Ca(OH)2 270 1050 24
7 (NH^)2HPO4 260 1050 24
8 (NH4J2HPO4 180 1050 24
9 (NH4)2HPO4 260 1050 48
Gerüsipanzer
1 (NH4)2HPO4 260 1050 24
2* (NH4)2HPO4 260 560 24
3* (NIL)7HPO4 + Ca(OH)2 260 1050 24
Seeigel (Diadema statt Acanthasler planci)
Bei den oben angedeuteten Tests war das Hauptaugenmerk darauf gerichtet, daß im Austauschverfahren die poröse KcraHstnsktisr in den erhaltenen gebildeten Hydroxylapatit- und Whitlockitmaterialien erhalten gebilieben war- Da es gewisse Kristalistrukturähnlichkeiten zwischen Aragonit und Apatit gibt, begünstigen diese Ähnlichkeiten offensichtlich die erwünschte morphologische Preservation. Das Acanthaster-Gerüstmaterial besteht aus Einzelkristallcalzit, was nach hydrothermalem Phosphataustausch gemäß dieser Erfindung zu einem geordneten epitaktischen Wachstum von Einkristall-Whitlockit führen könnte. Da die äußere Morphologie rhomboedrisch ist, ähnlich derjenigen des Calzits, Und seine Raumgruppe ebenfalls derjenigen des Calzits ähnlich ist, ist ebenfalls eine Struktur- oder morphologische Regelung möglich.
Synthetische Materialien dieser Erfindung sind insbesondere als prothetische Materialien nicht nur wegen ihrer chemischen und physikalischen Verwandtschaft zu Humanknochengewebe, sondern auch weil die Materialien dieser Erfindung mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Porengröße und einer Porengröße innerhalb eines ausgewählten Bereiches hergestellt werden können, brauchbar. Die Gleichmäßigkeit der Porengröße ist von übergeordneter Wichtigkeit in Verbindung mit prothetisehen Materialien^ die für das Einwachsen lebender Materie verwendet werden, ζ. Β die Reparatur beschädigter Knochen- oder Knorpelteile. Da der Wachstumprozeß von der äußsren Region des Implantats beginnen muß, wurden Poren eines Durchmessers kleiner als ein bestimmtes Minimum, z. B. etwa 5—15 Mikron, verhindern, daß die inneren w Regionen mit den notwendigen Nährstoffen zum Einwachsen versorgt werden, obwohi die mittfere Porengröße theoretisch groß genug für eine Osteonbildung sein mag. Somit liefern die erfindungsgemäß hergestellten synthetischen Materialien ideale Materials lien für prothetische Ausrüstungen, weiche bei Endoprothesen, beim Ersatz von massivem hartem Gewebe, percutanen nichtorthopädischen Implantaten, Zahnfixationen und allgemein für beliebige prothetische Anwendungen verwendbar sind, wo eine Fixierung von erstrangiger Wichtigkeit ist, aa durch die Auswahl eines geeigneten Quellenmaterials die synthetischen Materialien dieser Erfindung mit einer gewünschten Porengröße für optimale Ergebnisse hergestellt werden können.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Synthetisches Material auf der Grundlage von Hydroxylapatit bzw. Whitlockit, dadurch gekennzeichnet, d :fl das Material durch Umsetzung des porösen Aragonitcalciumcarbonat- bzw. Calcitcalciumcarbonatskelettmaterials von Meereslebewesen mit einem Phosphat bei einer Temperatur von 100° bis 6000C und einem Druck von 106 bis 7032 kp/cm2 in einer Zeitspanne von 1 Stunde bis 2 Wochen hergestellt worden ist
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