DE69127447T2

DE69127447T2 - Innige mischung von galcium- und phosphat-quellen als hydroxyapatit-vorläufer

Info

Publication number: DE69127447T2
Application number: DE69127447T
Authority: DE
Inventors: Brian Mountain View Ca 94040 Barr; Brent R. Scotts Valley Ca 95066 Constantz; Kevin Fremont Ca 94538 Mcvicker
Original assignee: Norian Corp
Current assignee: Norian Corp
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-05
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2011-07-06
Also published as: EP0541687A1; CA2088169C; JPH05509284A; EP0541687A4; ATE157329T1; DE69127447D1; JP2004224696A; WO1992002453A1; JP3748567B2; CA2088169A1; EP0541687B1

Description

Technisches Gebiet

Das Gebiet betrifft die Herstellung von Calciumphosphat- Produkten, die sich in situ bilden können.

Hintergrund

Hydroxyapatit ist ein natürlich auftretendes Calciumphosphat- Mineral, welches der hauptsächliche Bestandteil von Knochen ist. Hydroxyapatit ist lediglich eines von einer Anzahl von Calciumphosphat-Mineralien, wobei die Verhältnisse von Calcium und Phosphat sich unterscheiden und die Kristallstrukturen genauso wie die physikalischen Charakteristika sich unterscheiden. Zusätzlich enthalten viele Calciumphosphat- Mineralien untergeordnete Mengen anderer Ionen wie Carbonat, Magnesium, Fluorid und ähnliches.
Apatit ist ein allgemeiner Begriff für einen weiten Bereich von Verbindungen, die durch die allgemeine Formel M²&spplus;&sub1;&sub0;(ZO&sub4;³&supmin;)&sub6;Y&supmin;² dargestellt werden, wobei M ein Metallatom ist, insbesondere ein Alkali- oder Erdalkalimetallatom, und ZO&sub4; ein Säure-Radikal ist, wobei Z Phosphor, Arsen, Vanadium, Schwefel oder Silizium sein kann oder als Gesamtheit oder teilweise durch Carbonat (CO&sub3;&supmin;²) substituiert sein kann. Y ist ein Anion, insbesondere Halogenid, Hydroxy oder Carbonat.
Hydroxyapatit erhält wesentliche ökonomische Bedeutung im Hinblick auf sein Auftreten als Baustein in Knochen, Zähnen und einigen Invertebraten-Skeletten. Es gibt zahlreiche Situationen, in denen Knochen gebrochen, zerstört, abgebaut, zu brüchig geworden oder anderen zerstörenden Wirkungen ausgesetzt worden ist. In zahlreichen dieser Situationen wäre es wünschenswert, in der Lage zu sein, die Knochenstruktur zu ersetzen oder die Knochenstruktur zu festigen. Bei der Bereitstellung von Materialien als Substitut für natürlichen Knochen existiert eine Anzahl von Beschränkungen hinsichtlich der Art und Zusammensetzung des Materials.
Das Material sollte physiologisch verträglich sein, um die Bildung von Gerinnseln, Ausbruch von entzündlichen Reaktionen usw. zu vermeiden. Das Calciumphosphat kann in einer im wesentlichen nicht resorbierbaren Form in vivo (d.h. Apatit) vorliegen, insbesondere wo Fluorid anwesend ist, oder in einer besser resorbierbaren Form, wenn Carbonat anwesend ist oder das Ca:P-Verhältnis niedrig ist (d.h. Bruschit). Zusätzlich muß das Material fest und nicht bröckelig sein. Darüber hinaus sollte eine starke Adhäsion zwischen dem Material und Restknochen bestehen. Es ist weiter wünschenswert, daß das Material die natürliche Rolle von Knochen erfüllen kann wie Aufnahme von Stammzellen, was das Remodellieren durch Osteoklasten ermöglicht, gefolgt von neuem Knochenwachstum, und natürlichen metabolischen Calciumaustausch mit natürlichem Knochen.
Neben den biologischen und physiologischen Betrachtungen gibt es zusätzliche Betrachtungen hinsichtlich der Frage, wie das Material hergestellt wird, und der Leichtigkeit, mit der es in eine gewünschte Form gebracht werden kann. Insbesondere ist ein Material besonders wünschenswert, das als Flüssigkeit injiziert werden kann, um Hohlräume zu füllen und einen Bereich, dem harten Knochen fehlt, komplett ausfüllen zu können. Daher besteht ein grundsätzliches Interesse daran, ein fließfähiges Material zur Verfügung zu haben.
Wenn das Material in situ plaziert werden soll, muß eine Vielzahl weiterer Betrachtungen angestellt werden. Beispielsweise sind die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion zur Bildung von Hydroxyapatit auftritt, genauso wie die Änderung in der Reaktionsenthalpie wichtig. Wenn die Reaktion stark exotherm ist, kann sie vom Patienten nicht toleriert werden. Die Form, in der sie eingeführt wird, muß in der Umgebung stabil sein, in dier sie eingeführt wird, so daß nicht nur das Endprodukt stabil sein muß, sondern auch die Zwischenprodukte, wenn die Reaktion zur Bildung von Hydroxyapatit auftritt.
Es war daher bisher schwierig, physiologisch einsetzbare Formen von Hydroxyapatit und/oder anderen Calciumphosphat- Mineralien bereitzustellen. Hauptsächlich fehlte den Hydroxyapatiten und weiteren Calciumphosphat- Knochenpfropfteilen, die verfügbar waren, eine oder mehr der Eigenschaften, die für ein einsetzbares Implantat notwendig sind, und haben daher keine allgemeine Akzeptanz gefunden.

Relevante Literatur

Patente von Interesse schließen US-Patent Nr. 3 787 900; 3 913 229; 3 679 360; 4 097 935; 4 481 175; 4 503 157; 4 612 053; 4 659 617; und 4 693 986 ein. Vergleiche auch Arends und Jongebloed, Rec. Trav. Chim. Pays-Bas (1981) 100:3-9. Die Verwendung von Calciumphosphat als ein Versiegelungs-Füll- Material ist beschrieben in Chohayeb et al., J. Endodontics (1987) 13:384 - 387. Vergleiche auch Ohwaki et al., 13th Ann. Mtg. of the Soc. for Biomaterials, June 2 - 6, 1987, New York, NY, Seite 209, Mannes, Mrs. Int'l. Mtg. on Adv. Mats. (1989) 13:15-25. Andere Referenzen von Interesse schließen Ceramic Fabrication Processes (Ed. C. Greskovih) Academic Press, 1976, Seiten 15-33; Introduction to Processes of Ceramic Processing(Ed. J. S. Reed) John Wiley & Sons, 1988, Seiten 255-276; Ceramic Processing Before Firing, P. Somasundaran, John Wiley & Sons, 1978, Seiten 105-123; Hogg, Am. Ceramic Soc. Bull. (1981) 60 [2], 206-211; Inorganic Phosphate Materials, 8.2.5. Mechanochemistry (Ed. M. Chikazawa), Kodansha, 1989, Seiten 212-214, Milewski, Adv. Ceram. Materials (1986) 1 [1] 36-41; und Stan, Am. Ceram. Soc. Bull. (1986) 65 [9], 1293-96 ein.
Aus EP-A-0 347 028 ist bekannt, daß Calciumphosphat- Mineralzusammensetzungen hergestellt werden können durch Vormischung der festen Komponenten vor Zugabe der flüssigen Bestandteile, insbesondere wenn Phosphorsäurekristalle als Quelle für saures Phosphat verwendet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wurde nun gefunden, daß, falls eine Calciumquelle, die Tetracalciumphosphat als Hauptbestandteil der Mischung umfaßt, und eine saure Quelle für Phosphat, bevorzugt mit mindestens zwei Protonen pro Phosphatgruppe, mechanisch innig gemischt und unter spezifischen Bedingungen gemahlen werden, die eine mechano-chemische Reaktion bewirken, ein Produkt erhalten wird, das zur Bildung eines Calciumphosphat-Produktes mit hoher Festigkeit und verbesserten mechanischen Eigenschaften mit weiteren Materialien kombiniert werden kann. Die mechanisch induzierte Reaktion reduziert den Wasserbedarf während der Bildung eines fließfähigen Calciumphosphat-Zements oder Calciumphosphat/Biopolymer-Komposits. Daher stellt die Erfindung ein Verfahren wie in den beigefügten Ansprüchen definiert bereit.

Beschreibung spezieller Ausführungsformen

Es werden Verfahren und Zusammensetzungen für die Herstellung von knochenartigen Materialien bereitgestellt, die Strukturen umfassen, welche den natürlich auftretenden physiologisch verträglichen Calciumphosphat-Mineralien analog sind, insbesondere Hydroxyapatit einschließlich carbonathaltiger und fluoridhaltiger Derivate. Die Hydroxyapatit-Zusammensetzung wird im wesentlichen in zwei Schritten gebildet: ein erster Schritt, welcher das mechanische innige Mischen und Vermahlen der Ca-Quelle einschließlich Tetracalciumphosphat und einer Phosphorsäurequelle umfaßt, die im wesentlichen frei ist von ungebundenem Wasser, wünschenswerterweise mit mindestens zwei Protonen pro Phosphat und nicht mehr als etwa einem Hydratationswasser pro Molekül, und zusätzlich von weiteren wahlweisen Additiven; und einen zweiten Schritt, welcher das Mischen mit Wasser und gegebenenfalls weiteren Additiven zur Bereitstellung des Endproduktes beinhaltet, welches sich zu einem Calciumphosphat-Mineral setzt, z.B. einem Hydroxyapatit, mit wünschenswerten mechanischen Eigenschaften.
Der erste Schritt beinhaltet das mechanische Mischen der primären Calciumquellen. Die saure neutralisierende Phosphatquelle ist frei von ungebundenem Wasser und kann ortho-Phosphorsäurekristalle oder Monocalciumphosphat- Monohydrat (Ca(H&sub2;PO&sub4;)&sub2;) H&sub2;O oder eine andere saure Calciumphosphatquelle allein oder in Kombination sein, z.B. Monetit. Zusätzlich zum Tetracalciumphosphat beinhaltet die Calciumquelle Gegenionen wie eine Carbonatquelle, z.B. Calciumcarbonat, oder eine Phosphatquelle, eine Base wie Calciumoxid oder Calciumhydroxid, eine Fluoridquelle wie Calciumfluorid oder ähnliches. Das Verhältnis von Calcium zu Phosphat ergibt Stöchiometrien im Bereich von 1,25 : 1 bis 2 : 1, was die bevorzugte Bildung einer Anzahl stabiler Verbindungen einschließlich Monetit, Bruschit, Octacalciumphosphat, Calcium-vermindertem Hydroxyapatit, stöchiometrischem Hydroxyapatit (1,67 : 1) oder Kompositen der vorstehend genannten Mineralien zusätzlich zu verschiedenen metastabilen amorphen Calciumphosphaten ermöglicht. Durch Kontrolle des Calcium-zu-Phosphat-Verhältnisses und damit der End-Zementzusammensetzung ist es möglich, die Resorptionsgeschwindigkeit es Zements bei Einführung in den Körper maßzuschneidern. Die Resorptionsgeschwindigkeiten variieren von so gering wie sechs Wochen bis zu so viel wie 18 Monaten.
Die Reaktion des Calciumoxids mit der sauren Phosphatquelle resultiert in einer exothermen Reaktion. Wenn die Mischung zum Setzen in situ als Knochenersatz verwendet werden soll, sind hohe Temperaturen nicht wünschenswert. In wünschenswerter Weise sollte die auftretende Temperatur unterhalb einer Schmerz hervorrufenden Temperatur liegen, im allgemeinen geringer als 60ºC. Im allgemeinen liegt die Menge an Calciumoxid oder Calciumhydroxid im Bereich von etwa 0 bis 30 Gew.-%, gewöhnlich 5 bis 30 Gew.-% und bevorzugt etwa 5 bis 15 Gew.-% des Trockengewichts.
Calciumcarbonat bietet einige neutralisierende Wirkung und wesentliche Pufferwirkung (z.B. HCO&sub3;)-, resultiert jedoch in der Bildung von Kohlendioxid. Das Gas muß entweichen und kann im Aufbau von hohen Drücken in einem geschlossenen Mahlsystem resultieren. Daher ist es bei Verwendung von Calciumcarbonat oder anderen Carbonaten wesentlich, daß Mittel zur Druckreduktion bereitgestellt werden, oder daß ein System verwendet wird, das erhöhte Drücke aufrechterhalten kann. Üblicherweise ist Calciumcarbonat in etwa 0 bis 40 Gew.-% und bevorzugt etwa 2 bis 18 Gew.-% des Trockengewichts anwesend.
Das Tetracalciumphosphat bildet den Hauptanteil der Mischung, im allgemeinen im Bereich von etwa 55 bis 75 Gew.-%, üblicherweise von 60 bis 70 % des Trockengewichts.
Die Säurequelle beträgt im allgemeinen etwa 15 bis 35 Gew.-%, üblicherweise 15 bis 25 Gew.-%.
Die Fluoridquelle wird im allgemeinen, wenn überhaupt, in relativ kleinen Mengen vorhanden sein, im allgemeinen im Bereich von 0 bis 4 Gew.-%, üblicherweise von etwa 2 bis 4 Gew.-% und bevorzugt von etwa 3 bis 4 Gew.-% des Trockengewichts.
Die trockenen Bestandteile werden kombiniert, insbesondere als Pulver oder kleine Partikel, wobei die Partikelgröße der Partikel nicht entscheidend für diese Erfindung ist, und wobei jedoch bestimmte Bereiche bevorzugt sind. Im allgemeinen sind die Partikel kleiner als etwa 500 µ, üblicherweise kleiner als etwa 250 µ und können im Schnitt von etwa 50 Angstrom bis 200 µ reichen. Da kleine Mengen von feinem Pulver die Durchschnittsgröße verfälschen, versteht sich, daß bei Bezug auf die mittlere Partikelgröße die Partikel gemeint sind, die zumindest etwa 80 Gew.-% der Komponenten ausmachen, üblicherweise mindestens etwa 90 Gew.-%.
Die Rohmaterial-Partikelgröße vor dem Mahlen oder mechanochemischen Mischen kann variiert werden, um die besonderen chemischen Reaktionenswege innerhalb des Mahlgefäßes auszuwählen. Durch Verminderung der Pulvergröße wird die wirksame Oberfläche erhöht, was eine Veränderung der Anfangszusammensetzung der Reaktionsprodukte ermöglicht und daher die Endpulver-Produktzusammensetzung und damit die mechanischen, physikalischen und Mischungseigenschaften beeinflußt.
Kleine Mengen organischer Polymere, insbesondere Proteine, im wesentlichen wasserfrei, können vor Beendigung des mechanischen Mischens in die Mischung gegeben werden. Eine Liste von Proteinen wird nachstehend angegeben. Die Menge an Additiv liegt im allgemeinen zwischen 1 bis 40 Gew.-%, üblicherweise 1 bis 25 Gew.-% der anorganischen Materialien. In wünschenswerter Weise wird das Polymer vor dem Mahlen zu den anorganischen Materialien gegeben, gemischt, während das Raumgewicht des Materials im wesentlichen aufrechterhalten wird, und dann in die Mahlvorrichtung gegeben. Da das Raumgewicht normalerweise während des Mahlens wesentlich vermindert wird, sollten Mahlkörper dementsprechend entfernt werden.
Die besondere Weise, in der die verschiedenen Bestandteile kombiniert werden, ist für diese Erfindung nicht kritisch, so lange inniges Mischen auftritt, und Teilreaktion kann zwischen den Bestandteilen ohne vollständige Reaktion eintreten. Techniken, die verwendet werden können, schließen Kugelmahlen, Brabender-Mischen, Walzen zwischen einer oder zwei Walzen in einem flexiblen Behälter oder ähnliches ein. Verschiedene Ausrüstung kann verwendet werden, einschließlich Kugelmühlen, Planetenmühlen, Zentrifugenmühlen, Mechanofusionssystemen, Luftpulverisatoren, Strahlmühlen, Vibrationsmühlen, Kolloidmühlen, Attritionsmühlen, Scheibenmühlen und ähnlichem.
Der Verlauf des Mischens kann durch Entnahme von Aliquots und Tests verfolgt werden, um zu sehen, ob die Aliquots beim Mischen mit einem wäßrigen Medium die gewünschten physikalischen Eigenschaften zeigen, durch Abbrechen des Mischens, wenn unerwünschtes Zusammenbacken auftritt, oder durch Bestimmung der Zusammensetzung durch XRD oder FTIR. In Abhängigkeit von der Natur des Mischens, der Effizienz des Mischens, der Partikelgröße der verschiedenen Bestandteile, den besonderen Bestandteilen und ähnlichem, kann das Mischen so kurz wie 0,5 Stunden dauern, üblicherweise nicht mehr als etwa 24 Stunden. Bei Verwendung einer Kugelmühle können verschiedene Parameter optimiert werden. Beispielsweise können die folgenden Gleichungen für die Geschwindigkeit der Oberflächenproduktion in m²/gh verwendet werden:
Geschwindigkeit =
Geschwindigkeit = cpD1/2 bd&supmin;²
Geschwindigkeit = cpD1/2 bd&supmin;¹
wobei d der Mahlkörper(Kugel)durchmesser ist, D der Mühlendurchmesser ist, p die Kugeldichte ist, b der Partikeldurchmesser ist und c eine Konstante ist. Es wird im allgemeinen argumentiert, daß die Mahlgeschwindigkeit direkt mit dem Durchmesser der Mühle und umgekehrt proportional mit dem Mediendurchmesser variiert. Die Beladung der Mühle sollte etwa 50 % des Mühlenvolumens sein. Die Medien sollten so klein wie möglich sein, jedoch mindestens etwa 25 mal die Beladungsgröße. Die Beladung sollte mindestens etwa gleich dem Hohlraumvolumen zwischen den Mahlkörpern sein, bevorzugt in leichtem Überschuß. Die Mühlenrotation sollte etwa 60 bis 70 % der kritischen Geschwindigkeit 54,2/r1/2 sein, wobei r der Radius der Mühle im Fuß ist.
Während des Mahlens können die Wände periodisch abgekratzt werden, um das Mahlen/Mischen zu fördern. Die Mahlkörper sollten unter den Mahlbedingungen stabil und inert sein, wobei verschiedene Mahlkörper verfügbar sind, z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Wolframcarbid, Borcarbid usw.
Das Mischen wird fortgesetzt, bis mindestens etwa 50 % der Säurequelle unter Bildung einer partiell neutralisierten Mischung von Calciumphosphat-Phasenverbindungen reagiert hat, einschließlich amorphen Calciumphosphaten, die sich qualitativ von den Anfangsbestandteilen unterscheiden können.
Es wird gefunden, daß bei Durchführung des innigen Mischens unter Auftreten einer Partialreaktion eine Anzahl von Vorteilen auftritt. Zunächst treten bei Zugabe der Mischung zum Wasser üblicherweise keine Zwischenprodukte auf, die Wasser als Hydratationswasser entfernen. Daher muß weniger Wasser zugefügt werden, um eine bearbeitbare Mischung bereitzustellen. Diese geringere Menge an Wasser, die zugefügt werden muß, resultiert in verbesserten mechanischen Eigenschaften des Endprodukts. Zusätzlich wird die Reaktion zwischen der Base und der Säure offensichtlich verlangsamt, während die Setzzeit reduziert wird. Auf diese Art erhält man schneller ein stabileres Produkt. Dies kann sehr wichtig sein, wenn die Umgebung, in die die Zusammensetzung eingeführt wird, eine wesentliche Menge Flüssigkeit enthält wie Blut, das fließen kann und die Eigenschaften der Zusammensetzung verändern oder die Zusammensetzung wegerodieren kann, bevor sie sich setzt.
Wenn die Mischung einmal gebildet ist, kann sie während langer Zeiten ohne Änderung der Zusammensetzung oder Eigenschaften gelagert werden. In wünschenswerter Weise wird sie in einer wasserfreien Umgebung und einem wasserdichten Behälter gelagert. Falls notwendig, kann das Produkt in Übereinstimmung mit üblichen Wegen sterilisiert werden unter Verwendung von Ethylenoxid, erhöhten Temperaturen, Gamma-Bestrahlung usw.
Die trockene Zusammensetzung wird mit einem physiologisch verträglichen Schmierstoff kombiniert, in bequemer Weise einem wäßrigen Schmierstoff, z.B. sterilem Wasser. Das verwendete Wasser ist im wesentlich rein, wie doppel destilliert, deionisiert oder ein Äquivalent davon. Andere Hydroxyl- Materialien, die wassermischbar und pharmakologisch verträglich sind und nicht mit der Calcium-Mineralbildung interferieren können, finden ebenfalls Anwendung. Beispielsweise können Polyole wie Ethylenglykol, Propylenglykol oder Glycerol in geringen Mengen Anwendung finden, weniger als 10 Vol.-%.
Beim Mischen mit dem Schmierstoff kann eine Vielzahl weiterer Materialien verwendet werden. Verschiedene Füllstoffe können eingesetzt werden, insbesondere Sand oder Kies in einer Partikelgröße im Bereich von etwa 10 bis 250 m. In wünschenswerter Weise sind die Partikel dicht, gesintert und physiologisch verträglich, insbesondere Calciumphosphat- Partikel. Von besonderem Interesse sind trockene Calciumphosphat-Partikel von etwa 25 bis 100 m Größe. Die Menge der Partikel oder des Aggregats liegt im allgemeinen, falls verwendet, bei mindestens etwa 50 Gew.-% und nicht mehr als etwa 90 Gew.-%, üblicherweise nicht mehr als 80 Gew.-% und bevorzugt etwa 65 bis 75 Gew.-% der Endmischung. Das Aggregat wird so ausgewählt, daß es eine starke Bindung mit der Calciumphosphat-Matrix bildet, die Kompressionsfestigkeit der Zusammensetzung erhöht und physiologisch verträglich ist.
In vielen Situationen kann eine breite Vielfalt von Additiven im Medium eingeschlossen sein, um spezifische Eigenschaften bereitzustellen. Eine Gruppe von Additiven ist Protein. Knochen-assoziierte Proteine können zugegeben werden, um die physikalischen Eigenschaften der Zusammensetzung zu modifizieren, die Resorption, Angiogenese, den Zelleintritt und die -proliferation, die Mineralisierung, die Knochenbildung, das Wachstum von Osteoklasten und/oder Osteoblasten oder ähnliches zu fördern. Proteine von besonderem Interesse sind die verschiedenen Typen von Collagen, insbesondere Typ I. Weitere Proteine schließen Osteonectin, Knochen-Sialoproteine (Bsp), alpha-2HS- Glykoproteine, Knochen-Gla-Protein (Bgp), Matrix-Gla-Protein, Knochen-Phosphoglykoprotein, Knochen-Phosphoprotein, Knochen- Proteoglykan, Protolipide, morphogenetisches Knochen-Protein, aus Plättchen gewonnenen Wachstumsfaktor (platelet-derived growth factor) und Skelettwachstumsfaktor ein. Weitere mit anderen Teilen der Anatomie von Menschen oder anderen Säugern verbundene Proteine beinhalten mit Knorpeln verbundene Proteine, wie Chondro-calcinierendes Protein; mit Dentin verbundene Proteine, wie Phosphoryn, Glycoproteine und Gla- Proteine, oder mit Schmelz verbundene Proteine wie Amelognin und Enamelin.
Andere Proteine von Interesse schließen Fibrin, Fibrinogen, Keratin, Tubulin, Elastin und ähnliches ein. Blutproteine können verwendet werden, einzeln oder gemeinsam, in Plasma oder Serum, z.B. Serumalbumin.
Alternativ kann wie zuvor angegeben, das Protein mit der Säurequelle und der Ca-Quelle vor dem Mahlen oder dem Härten zur Erzeugung einer innigen Mischung und Kombination mit dem anorganischen Bestandteil des Zements kombiniert werden. Bei Zugabe nach dem Mahlen variieren die Proteine im allgemeinen von etwa 0,1 bis 5, üblicherweise 0,2 bis 2 Teilen Protein, bezogen auf Calciumphosphat-Mineral als wäßrige Dispersion oder Lösung. Üblicherweise ist das Protein in 1 bis 80 Gew.-% der wäßrigen Dispersion anwesend. Die Menge an als Proteindispersion zugegebenem Wasser wird in Kombination mit dem Schmierstoff zugegeben, wobei die Gesamtmenge an Wasser innerhalb der Gesamtmenge des Schmierstoffs liegt.
Wenn das Protein vor dem Mahlen zugegeben wird, werden die Mineralpulver/Kristalle ausgewogen und gemahlen, z.B. mit einem Mörser und Pistill. Das Protein, z.B. Collagen, wird allmählich und behutsam mit dem Mineralpulver gemischt, so daß das Mineralpulver das Protein überzieht und das Schüttvolumen des Proteins erhalten wird. Das Komposit-Material wird dann behutsam gemahlen, während der Hauptanteil des Schüttvolumens des Komposits aufrechterhalten wird. Dieses Kompositmaterial wird in ein Mahlgefäß mit geeigneter Mahlkörperbeladung für das Schüttvolumen gegeben. Nach 2 bis 4 Stunden muß zur Anpassung an das abnehmende Schüttvolumen die Hälfte der Mahlkörper entnommen werden, wenn das Kugelmahlen fortschreitet. Das Material wird während etwa 8 bis 24 Stunden gemahlen.
Verschiedene weitere Additive können zugesetzt werden, um die physikalische Struktur des Endprodukts zu modifizieren. Verschiedene wasserlösliche physiologisch verträgliche Materialien können in geringen Mengen eingeschlossen sein, z.B. Calciumcarbonat, Calciumsulfat und NaCl (Halit). Zucker wie Sucrose, Glucose oder Fructose können zur Erhöhung der Porosität eingeschlossen sein. Das Gewicht an Zucker übersteigt üblicherweise nicht 5 Gew.-% der Gesamtfeststoffe.
Die Menge an Schmierstoff, die verwendet wird, beträgt im allgemeinen etwa 15 bis 70, üblicherweise etwa 25 bis 45 Gew.- % der Gesamtzusammensetzung. Bevorzugt werden geringere Mengen Wasser verwendet, um höhere Kompressionsfestigkeit und begleitende mechanische Eigenschaften zu gewährleisten. Die Menge an Wasser, die verwendet wird, wird unter Bezug auf die Menge an Wasser berechnet, das durch Reaktion der trockenen Bestandteile gebildet wird, so daß bei Bezugnahme auf die Gesamtmenge an Schmiermittel dieses das durch die Reaktion produzierte Wasser genauso wie das zu der Mischung gegebene Wasser beinhaltet.
Die trockenen Bestandteile und das nasse Schmiermedium werden kombiniert und gründlich gemischt, um eine im wesentlichen gleichmäßige Dispersion der trockenen Bestandteile im Schmiermittel zu gewährleisten. Wenn die Mischung gleichmäßig dispergiert ist, kann sie dann durch Kneten, Walzen, Beschallen oder ähnliches mechanisch dispergiert werden. Während des Mischens sollte jedes Gas, das sich bildet, abgelassen werden, und das Produkt kann dann zu jeder geeigneten Form geformt werden. Das Mischen mit dem Schmiermittel erfolgt während einer relativ kurzen Zeit, üblicherweise nicht weniger als etwa 0,5 Minuten und nicht mehr als etwa 5 Minuten, üblicherweise nicht mehr als etwa 3 Minuten. Wenn das Produkt in situ eingeführt werden soll, kann es an die geeignete Stelle unter Verwendung einer Spritze oder eines Katheters injiziert werden, oder in geeigneter Weise durch andere Mittel gepackt werden.
Das Produkt setzt sich dann, wobei während dieser Zeit Kristalle wachsen und das Produkt eine einzelne zusammenhängende Masse wird. Während das Produkt fast sofort härten kann, sollte der Reifungsprozeß üblicherweise mindestens 2 Minuten, üblicherweise etwa 8 Minuten und nicht mehr als 30 Minuten und üblicherweise nicht mehr als etwa 25 Minuten dauern. Alternativ härtet das Material in natürlicher Weise im Laufe der Zeit, wenn es in eine Stelle eingeführt wird, wo es bleiben soll.
Die physikalischen Eigenschaften des Endproduktes können in Abhängigkeit von den besonderen Ionen variiert werden, die bei der Bildung des Produktes verwendet werden. Die Mikrostruktur kann ebenfalls verändert werden, da die Form und Größe der Kristalle und resultierender Änderung der mechanischen und biologischen Eigenschaften des Produkts variiert werden kann. Die Volumenpermeabilität kann im Hinblick auf die besondere Anwendung geändert werden, wo ein permeables oder impermeables Produkt gewünscht wird. Die Oberfläche kann ebenfalls modifiziert werden, wenn eine große Oberfläche wünschenswert ist, beispielsweise bis zu etwa 10² m/gm, um die Proteinbindung zu erhöhen, insbesondere von geladenen Proteinen.
Die erfindungsgegenständlichen Produkte können für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden, wie für jede Form von Bindegewebsersatz, einschließlich Knochenzement, als prothetisches initiiertes Implantat, prothetisches orthopädisches oder dentales Implantat, Wurzelkanalfüllstoff, prophylaktische Injektion zur Verstärkung schwacher osteoporotischer Knochen, Knochenverbindungen oder Vehikel zum Medikamententransport. Die Zusammensetzung kann als Paste verwendet werden, die auf die Oberfläche zum Ankleben oder um eine Struktur an Ort und Stelle zu halten appliziert wird.
Die Gegenstandszusammensetzung kann mit anderen Materialien zur Gewährleistung spezifischer Typen von Eigenschaften verwendet werden. Verschiedene Additive können eingesetzt werden, die zusätzliche Zugfestigkeit oder Bruchfestigkeit verleihen, erhöhte Flexibilität gewährleisten oder ähnliches. Beispielsweise können faserige Materialien eingesetzt werden, sowohl organische als auch anorganische, wie Siliciumcarbid- Fasern, Hydroxyapatit-Fasern, mineralisierte Collagen-Fasern, metallische Fasern oder ähnliches. Vergleiche beispielsweise US-Patent Nr. 4 503 157.
Wenn eine poröse Struktur gewünscht wird, können verschiedene Additive eingesetzt werden, die ausbluten, um die Porosität in der Mischung zu gewährleisten, zusätzlich zu der Porosität, die bei der Freisetzung von Gas erzielt wird, welches sich bei der Reaktion zur Herstellung des Produktes bildet. Aggregate löslicher Materialien oberhalb 25 Vol.-% entwickeln im allgemeinen verbundene Tunnel für Knocheneinwachstum. Üblicherweise beträgt das Aggregat weniger als etwa 50 Vol.-%. Porosität kann auch durch die speziellen verwendeten Anionen und Kationen erzielt werden, wenn Alkalimetallsalze gebildet werden, die sich leicht in dem Medium lösen, in dem es härtet. Durch Zugabe von Calciumchlorid und Natrium- oder Kaliumhydroxid wird das resultierende Salz wasserlöslich, und seine Auflösung resultiert in Gängen durch die Struktur. Auf ähnliche Weise können verschiedene wasserlösliche Fasern, Partikel oder ähnliches in der Kompositstruktur eingeschlossen sein, die ebenfalls ausbluten können und so die Porosität gewährleisten. Daher ermöglicht die Methode zur Herstellung die Variation der Eigenschaften des Endproduktes.
Die Viskosität des Produkts kann in Abhängigkeit von der Anwendung variiert werden. Durch Variation der Produktzusammensetzung, des Prozentsatzes an Feststoffen und die Gegenwart von weiteren Additiven kann die Viskosität so ausgewählt werden, daß die zu behandelnde Stelle leicht erreicht werden kann. Durch Erhöhung der Menge an Schmierstoff in der Paste, die Raum im Endprodukt einnimmt, resultiert der Verlust an Schmierstoff in einem Hohlraum oder einer Pore. Die Verwendung von fließfähigen Materialien wie Smektit-Ton (z.B. Bentonit) kann die Absenkung der Flüssigkeitsmenge ermöglichen, beläßt jedoch den Ton im Endprodukt. Gasentwicklung von der Oberfläche kann auch Hohlräume im kristallisierenden Produkt erzeugen. So kann die Porosität durch Einstellung der Menge an Nährstoff und der Gasentwicklung kontrolliert werden. Beispielsweise kann mit Calciumcarbonat als Calciumquelle die Porosität durch Verwendung von verdünnter Salzsäure als Schmierstoff reduziert werden, wobei die Reaktion der Säure mit dem Carbonat in Gasentwicklung vor der Verdickung der Paste resultiert. Daher wird das Kohlendioxid vor der Produktbildung entweichen, resultierend in niedriger Porosität, während weniger bis gar kein Carbonat im Endprodukt enthalten ist. Im allgemeinen nimmt mit Zunahme der Porosität die Kompressionsfestigkeit des kristallisierenden Materials ab.
Falls gewünscht, können sehr hohe Kompressionsfestigkeiten erzielt werden, üblicherweise mehr als 5000 psi, bevorzugt mehr als 10000 psi und optimal mehr als 15000 psi. Die endgültigen Kompressionsfestigkeiten können im wesentlichen innerhalb weniger als etwa 8 Stunden, bevorzugt weniger als etwa 4 Stunden erzielt werden. Die Zeit bis zu der Hälfte der endgültigen Kompressionsfestigkeit kann geringer sein als 5 Stunden, bevorzugt geringer als 3 Stunden.
Zusätzlich kann durch Anwesenheit verschiedener Proteine im Schmiermittel die physikalischen Eigenschaften des Produkts variiert werden. Bei Zugabe von Collagen zu der Paste wird die Kristallographie des Endprodukts im wesentlichen nicht beeinträchtigt, während die mechanischen Eigenschaften sich deutlich ändern. Das Material erscheint viskoelastisch eher als linear-elastisch und spröde und scheint abriebfester zu sein. Diese Eigenschaften zeigen erhöhte Bruchfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
Kombinationspackungen (Kits) können zur Herstellung der Gegenstandszusammensetzungen bereitgestellt werden. So können die trockenen Bestandteile gemischt und in einem versiegelten Container wie zuvor angegeben bereitgestellt werden. Das Schmiermittel kann als separater Behälter angeboten werden, bequemerweise eine Spritze, wobei die Spritze zur Zugabe des Schmiermittels zu den trockenen Bestandteilen verwendet werden kann, die trockenen Bestandteile gemischt werden und dann in die Spritze aufgezogen werden zur Verabreichung an der gewünschten Stelle. Wenn das Produkt für andere als in situ- Anwendung verwendet werden soll, können die nassen und trockenen Bestandteile gemischt werden und das Produkt geformt und zum Endprodukt gehärtet werden.
Die folgenden Beispiele werden als Illustrationen und nicht als Beschränkung angeboten.

Experimente

Eine Anzahl von trockenen Formulierungen mit den in der folgenden Tabelle angegebenen Zusammensetzungen wurden hergestellt. Tabelle 1
Jede der obigen Formulierungen wurde in einer Aluminiumoxid/Siliziumoxid-Mühle mit 0,5" x 0,5" Aluminiumoxid-Zylindern kugelgemahlen, wobei die Behälter 25 bis 50 Vol.-% gefüllt waren. Das Mahlen wurde üblicherweise während 16 Stunden fortgesetzt. In vielen Fällen wurde einiges Verbacken beobachtet, insbesondere an der Oberseite des Behälters. Die Dichtung an der Oberseite des Behälters zum Verschließen des Deckels wurde eingeschnitten, um die Freisetzung von Gas zu ermöglichen. Das Mischen stand bei etwa 50 Upm statt.
Nach Beendigung des Mahlens wurde die Zusammensetzung mit Wasser kombiniert, wobei im allgemeinen etwa 0,35 Teile Wasser auf 1 Teil Feststoffe verwendet wurde. Zur Herstellung von Proben wurden 5 g der festen Mischung mit 1,75 g deionisiertem Wasser kombiniert und die Mischung während etwa 5 Minuten geknetet. Die Zusammensetzung wurde in eine Form gegeben, zum Setzen stehengelassen und die Probe für die Untersuchung der Zugfestigkeit entnommen. In einigen Fällen konnten die Proben nicht leicht aus der Form entnommen werden, was die beobachteten Zugeigenschaften beeinträchtigt hätte. Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse an, wobei die Ergebnisse als Durchschnitt von 3 bis 4 Bestimmungen an verschiedenen Proben derselben Zusammensetzung angegeben sind. Tabelle 2
Eine beträchtliche Variation wurde bei den Ergebnissen beobachtet, wobei in Beispiel 3 die Variation von 5002 bis 11158 reichte, während in Beispiel 1 die Variation von 5620 bis 11794 reichte. Während also Proben erhalten werden können, deren Kompressionsfestigkeit deutlich höher als 10000 psi liegt, sind die Gründe dafür, warum andere Proben aus derselben Zusammensetzung nicht dieselben Eigenschaften aufweisen, gegenwärtig nicht verstanden. Mit jeder Probe sind jedoch Produkte mit Eigenschaften von wesentlich mehr als 10000 psi Kompressionsfestigkeit erzielbar.
Zementpulver wurden hergestellt unter Verwendung einer Anfangspulvermischung aus folgenden Zusammensetzungen: 0,1937 Cao, 50,52 g Ca&sub4;(PO&sub4;)&sub2;O, 6,56 g CaCO&sub3;, 17,39 g Ca(H&sub2;PO&sub4;)&sub2; H&sub2;O und 0,3242 g Na&sub2;SiF&sub6;. Vier Pulver wurden produziert, wobei nur die Ca&sub4;(PO&sub4;)&sub2;O (CT)-Partikelgröße vor dem Mahlen während 15 Stunden in einem Mahlgefäß mit Al&sub2;O&sub3;-Mahlkörpern geändert wurde. Die resultierenden Pulver wurden durch XRD analysiert und im hydratisierten Zustand für p beim Mischen, Setzzeit beim Eintauchen in Serum bei 37ºC und Festigkeit nach 24 Stunden getestet. Zusätzlich wurde ein CaCO&sub3;-Aggregat (100 m) nach dem Mahlen zu einer Formulierung in zwei Volumenprozent zugegeben, und die Wirkung auf pH und Festigkeit festgestellt.
Die physikalischen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Tabelle 3 Eigenschaften von Zement entsprechend CT-Partikelgröße oder Aggregat-Zugabe
Durch XRD wurde bestimmt, daß die feinere CT-Partikel bevorzugt gegenüber CaCO&sub3;-Basen reagierten, während größeres Anfangs-CT die Abnahme an CaCO&sub3; ermöglichte. Diese Variationen hatten einen deutlichen Effekt sowohl auf die Festigkeit als auch auf die Setzzeit des Materials nach Mischen mit H&sub2;O.
Aggregatzugabe bewirkte, daß der pH beim Mischen leicht höher war als der der Zementmatrizes allein. Die Setzzeit wurde leicht erhöht, während die Kompressionsfestigkeit signifikant fiel. Da CaCO&sub3; in vivo schnell resorbiert wird, wobei eine poröse harte Matrix zurückbleibt, ist dieser Abfall der Festigkeit nicht von großer Bedeutung.
In der nächsten Studie wurden vier Proben aus Monetit oder Ca(H&sub2;PO&sub4;)&sub2; H&sub2;O ("MCPM") (vollständig angefeuchtet) und Tetracalciumphosphat ("CT") mit einem Gesamt-Ca/P-Verhältnis von 1,67 : 1 hergestellt.
Das Monetit und MCPM stammten von J.T. Baker. Die Herstellung war wie folgt: (A) Monetit und CT (45-90 µ) in einer Flasche durch heftiges Schütteln gemischt; (B) Monetit und CT (45-90 µ) in einem 0,33 L Mahlgefäß mit Al&sub2;O&sub3;-Stäben gemahlen und während 6 Stunden kugelgemahlen. Die Wände wurde in einstündigen Intervallen abgekratzt; (C) Monetit wie in (B) gemahlen, gefolgt von Mischen mit -45 m CT durch heftiges Schütteln; und (D) MCPM und CT (45 bis 90 m) gemeinsam wie in (B) beschrieben gemahlen.
Die Setzzeit wurde unter Verwendung der Gillmore-Nadelmethode unter Verwendung eines 0,25lb-Gewichts bestimmt. Die Probe wurde unter Verwendung von 1 g Pulver und 0,38 ml Wasser hergestellt, die in einem Mörser mit Pistill während 2 Minuten gemischt wurden, die Mischung wurde in eine 1 x 12 x 25 mm- Form transferiert und die offene Oberfläche glattgestrichen. Das Ganze wurde sofort in einen Befeuchter bei 37ºC und 98 % Feuchtigkeit plaziert, und die Probe alle 4 Minuten getestet, wobei die Testzeit so kurz wie möglich gehalten wurde, bis der Nadeleindruck nicht länger sichtbar war.
Zur Bestimmung der Kompressionsfestigkeit wurden die gemahlenen Proben mit deionisiertem Wasser wie oben beschrieben gemischt und dann in eine 6 mm Durchmesser, 12 mm Höhe Form aus rostfreiem Stahl gegeben (Formentferner angewendet). Nach Packen der Form wurde die Probe während weniger Sekunden unter einer 6 kg Last komprimiert, wieder aufgefüllt und erneut unter einer 6 kg Last komprimiert. Die Formen wurden dann überfüllt, zwischen feuchtes Filterpapier plaziert, in kleine Kunststoffbeutel eingesiegelt und die Beutel in dem oben beschriebenen Befeuchter plaziert. Das Packen erforderte 6 bis 9 Minuten. Jedes Material wurde nach 1, 3 und 24 Stunden Setzzeit getestet, um die Wirkung der Mahlvorgeschichte auf die Entwicklung der Kompressionsfestigkeit im Lauf der Zeit zu zeigen. Nach Entfernen aus dem Befeuchter wurden die Proben zur Entfernung von überflüssigem Material leicht mit Sand geschmirgelt(150 Sand), die Probe aus der Form entnommen, gewogen, gemessen und dann auf einer Instron Model 4202 Maschine bei 0,1 in/min. Vorschubgeschwindigkeit getestet. Die Proben wurden in der Mitte der Maschinenplatten plaziert und die Maximallast bestimmt.
Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse an:
D schien die maximale Kompression in etwa 4 Stunden zu erreichen, während B und C ihre maximale Festigkeit bei mehr als etwa 20 Stunden zu erreichen schienen.
Eine Collagen-haltige Formulierung wurde wie folgt hergestellt. Eine Pulvermischung aus CaO (0,27 g), Ca&sub4;(PO&sub4;)&sub2;O (50,53 g), CaCO&sub3; (6,56 g), Ca(H&sub2;PO&sub4;)&sub2; H&sub2;O (17,39 g) und Na&sub2;SiF&sub6; (0,32 g) wurden mit einem Pistill gemischt, 13,24 g Collagen zugegeben und die Mischung in einem Mörser mit Pistill gemischt, während das Schüttvolumen aufrechterhalten wurde, dann in eine Kugelmühle (00 Gefäßgröße) mit sphärischen Mahlkörpern gegeben und während 16 Stunden gemahlen. 250 ml Medien wurden nach etwa 4 Stunden entfernt.
Wie aus den obigen Ergebnissen offensichtlich hervorgeht, bietet die erfindungsgegenständliche Zusammensetzung zahlreiche Vorteile. Zunächst können die trockenen Bestandteile als trockenes Pulver bereitgestellt werden, das vorgemischt ist, so daß es dem Anwender in einer Form geliefert werden kann, die leicht anwendbar ist. Durch Aufnehmen des trockenen Pulvers und Mischen mit einem geeignetn Schmiermittel, das ebenfalls bereitgestellt werden kann, kann die Mischung leicht zu einer Paste geformt werden und wie gewünscht angewendet werden. Das Produkt bietet hervorragende Zugeigenschaften und setzt sich schnell zu einem harten Produkt in einer Vielzahl von Umgebungen. Die Zusammensetzung ist physiologisch verträglich und kann daher als fließfähiges Produkt verwendet und an verschiedenen Stellen des Körpers eingeführt werden.
Da die Erfindung nun vollständig beschrieben ist, wird es für den Fachmann offensichtlich, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Produktes zur Herstellung eines Calciumphosphat-Mineralproduktes, welches umfaßt:

inniges mechanisches Mischen von mindestens einer Tetracalciumphosphat umfassenden Calciumquelle und einer sauren Phosphatquelle, die frei ist von ungebundenem Wasser, zur Herstellung eines trockenen Produktes für die Kombination mit einem Schmierstoff, um mit im wesentlichen vollständiger Reaktion der Reaktanten ein festes Produkt zu bilden,

dadurch charakterisiert, daß das Tetracalciumphosphat mindestens 55 Gew.-% der Mischung ausmacht und daß das Mischen stattfindet, bis mindestens 50 % der Säurequelle unter Bildung einer partiell neutralisierten Mischung von Calciumphosphat-Phasenverbindungen reagiert hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch charakterisiert, daß die Calciumquelle auch mindestens eine weitere basische Calciumverbindung umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch charakterisiert, daß die saure Phosphatquelle ortho-Phosphorsäure-Kristalle oder Mono-Calciumphosphat oder dessen Monohydrat ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch charakterisiert, daß ein organisches Polymer in im wesentlichen wasserfreier Form nicht später als bei Beendigung des Mischens zugefügt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch charakterisiert, daß die Reaktanten ein Calcium-zu- Phosphat-Molverhältnis von etwa 1,25 - 2,0 zu 1 ergeben.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch charakterisiert, daß die Reaktanten Pulver mit einer Größe von weniger als etwa 500 Mikron sind.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch charakterisiert, daß der Schmierstoff, der nach dem Mischen zugegeben wird, wäßrig ist und ein Protein umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch charakterisiert, daß ein Protein in im wesentlichen wasserfreier Form nicht später als bei Beendigung des Mischens zugegeben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch charakterisiert, daß das organische Polymer ein Protein ist.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das herzustellende Calciumphosphat-Mineralprodukt Hydroxyapatit ist und wobei die Calciumquelle und die saure Phosphatquelle mechanisch unter Mahlen gemischt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Tetracalciumphosphat 55 bis 75 Gew.-% der Mischung beträgt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch charakterisiert, daß das Protein Collagen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch charakterisiert, daß die Reaktanten eine untergeordnete Menge von mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus Calciumoxid und Calciumcarbonat, umfassen.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch charakterisiert, daß das mechanische Mischen Kugelmahlen ist.

15. Nach dem Verfahren aus Anspruch 1 hergestellte Zusammensetzung.

16. Nach dem Verfahren aus Anspruch 10 hergestellte Zusammensetzung.

17. Verfahren zur Herstellung einer Carbonat-substituierten Hydroxyapatit-Zusammensetzung, wobei das Verfahren umfaßt:

Bilden eines trockenen Produktes durch inniges mechanisches Mischen von Calciumquellen und einer sauren Phosphatquelle, die frei von ungebundenem Wasser ist,

wobei die Calciumquellen Calciumcarbonat und Tetracalciumphosphat umfassen,

Kombinieren dieses trockenen Produktes mit einem Schmierstoff zur Herstellung einer Zusammensetzung, die sich zu einem festen Produkt verfestigt, zur Herstellung einer Carbonat-substituierten Hydroxyapatit- Zusammensetzung,

dadurch charakterisiert, daß das Tetracalciumphosphat mindestens 55 Gew.-% der Mischung beträgt und daß das mechanische Mischen stattfindet, bis mindestens 50 % der Säurequelle unter Bildung einer partiell neutralisierten Mischung von Calciumphosphat-Phasenverbindungen reagiert hat.