DE4040850A1 - Bonding bioactive silicate glass ceramic onto titanium@ implant - by electrophoretic sepn. from non aq. suspension of powdered bio glass and heating - Google Patents

Bonding bioactive silicate glass ceramic onto titanium@ implant - by electrophoretic sepn. from non aq. suspension of powdered bio glass and heating

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Abstract

In prodn. of firmly bonded bioactive, stable silicate glass ceramic onto medical Ti implants or Ti-coated units suitable for implanting, (a) a specifically adjusted layer is deposited electrophoretically on the Ti surface from a non-aq. suspension of powdered bioglass ceramic, then (b) heated under defined partial pressure of O2. Amt. of glass in the bioglass ceramic is pref. 1-100 vols.%. Up to 5 wt.% aromatic or aliphatic acid is added during grinding of the bioglass ceramic. Non-aq. carrier for the suspension is a highly resistive organic liq. with adequate viscosity, pref. isoamyl alcohol. Electrophoretic sepn. is at 40-450 V, and current density on the Ti not above 2 mA/cm2. Suspension may be stabilised by ultrasonic treatment before or during the electrophoretic sepn. (b) Bonding of the layer is pref. at between the Tg of the glass component of the bioglass ceramic and 950 deg.C, and at a partial pressure of O2 of 0.5-20 kPa. USE/ADVANTAGE - Process is simple and shape of the implant can be adjusted as needed. Implants are used in bone replacement, and in stomatology and traumatology.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur festhaftenden Beschich­ tung von Titan-Implantaten mit Bioglaskeramiken, welche die Her­ stellung von bioaktiven und zugleich mechanisch hochstabilen Implantaten für den Knochenersatz auf verschiedenen chirurgischen bzw. orthopädischen Gebieten gestattet. Die Anwendung derartiger Implantate erstreckt sich auch auf spezielle Bereiche der Stoma­ tologie und Traumatologie. Zur Anwendung kommen das sich vielfach bewährte Titan als metallischer Grundkörper und verschiedene, handelsübliche, d. h. medizinisch getestete, bioaktive Silicat-Glas­ keramiken.The invention relates to a method for adhering coating processing of titanium implants with bioglass ceramics, which position of bioactive and mechanically highly stable Implants for bone replacement on various surgical or orthopedic areas. The application of such Implants also extend to specific areas of the stoma tology and traumatology. There are many applications proven titanium as a metallic base body and various commercially available, d. H. medically tested, bioactive silicate glass ceramics.

Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um die hohe mechani­ sche Stabilität von bioinerten Metallen mit den Vorzügen von biokombatiblen bzw. bioaktiven Oxidmaterialien in Form eines langzeitlich beständigen, aber auch biologisch aktivierenden Im­ plantats zu kombinieren und so für den lebenden Knochen die Voraussetzung für eine wahre Verbundosteogenese zu schaffen. Die bekannten Materialkombinationen und/oder ihre technologischen Verfahren zur Realisierung des Materialverbundes sind jedoch durch verschiedene z. T. entscheidende Nachteile gekennzeichnet, so daß sie in der implantologischen Praxis als unbefriedigend angesehen werden müssen oder ihr medizinisches Einsatzfeld äußerst begrenzt ist.Various approaches are known to the high mechani stability of bioinert metals with the advantages of biocompatible or bioactive oxide materials in the form of a long-term stable, but also biologically activating Im to combine plantats and thus for the living bones To create the prerequisite for true composite osteogenesis. The known material combinations and / or their technological However, there are procedures for realizing the composite material through various z. T. marked disadvantages, making them unsatisfactory in implantology practice must be viewed or their medical field of application is extremely limited.

So sind z. B. aufwendige Klebetechniken für das Verbinden von kompakten Glaskeramik-Stücken mit metallischen Implantat-Grund­ körpern bekannt, die einerseits in medizinischer Hinsicht nicht unbedenkliche organische Kleber verwenden bzw. andererseits in der beliebigen geometrischen Ausformung des Implantatkörpers gemäß dem beabsichtigten Einsatz gewissen technischen Einschrän­ kungen unterliegen (DD-PS 2 82 179). Zum Teil werden auch zusätzlich technologisch aufwendige Preßformen verwendet (DE-PS 34 03 589). In der Patentschrift DE-PS 38 47 583 wird das iso­ statische Heißpressen von Hydroxylapatit auf einen Titan-Kern vorgeschlagen, wobei durch einen anschließenden Ionenbeschuß eine partielle Entwässerung erzielt wird. Hydroxylapatit ist jedoch eine Substanz, die resorbiert wird, so daß im medizini­ schen Einsatz nach kurzer Zeit jedoch nachteilig wieder das bio­ inerte Titan an den lebenden Knochen angrenzt.So z. B. elaborate adhesive techniques for connecting compact glass ceramic pieces with metallic implant base bodies known, on the one hand not in medical terms use harmless organic glue or on the other hand in any geometric shape of the implant body  certain technical restrictions according to the intended use subject to changes (DD-PS 2 82 179). In part, too additionally used technologically complex molds (DE-PS 34 03 589). In the patent DE-PS 38 47 583 iso static hot pressing of hydroxyapatite on a titanium core proposed, with a subsequent ion bombardment partial drainage is achieved. Is hydroxyapatite however, a substance that is absorbed so that in medicine After a short time, however, the organic inert titanium adjacent to the living bones.

In Patenten werden auch apparativ komplizierte und in der geomet­ rischen Ausformung des Implantatkörpers stark eingeschränkte und nur schwer reproduzierbare Schleudertechniken beschrieben (Er­ starren von Materialkombinationen unter der Wirkung von Flieh­ kräften, wobei z. T. auch Komposite mit Appatitteilchen Verwen­ dung finden; JP-P 62 795-83).Patents are also complicated in terms of equipment and geometized form of the implant body severely restricted and described spinning techniques that are difficult to reproduce (Er staring at material combinations under the action of fleeing forces, z. Some also use composites with appetite particles find dung; JP-P 62 795-83).

Darüber hinaus existieren auch Lösungsansätze, die durch extrem aufwendige Mehrschritt-Technologien mit Multischichtfolgen zur Materialparameter-Anpassung (DE-PS 35 16 411) bzw. mit kompli­ zierten Drahthilfsgeflechten (DE-PS 36 29 813) zur Schaffung einer haftfesten Verbindung gekennzeichnet sind.In addition, there are also solutions that are extremely elaborate multi-step technologies with multi-layer sequences for Adjustment of material parameters (DE-PS 35 16 411) or with compl graced wire auxiliary braids (DE-PS 36 29 813) to create a adhesive connection are marked.

Zur Beschichtung von in der Prothetik üblichen Metallen sind auch verschiedene Abscheidungsverfahren aus Gas- bzw. Dampfphase be­ schrieben. So entspricht es dem Stand der Technik, daß das zeit­ aufwendige Sputtern wohl das Aufbringen gut haftender Schichten erlaubt, deren Dicke jedoch nur im nm-Bereich liegt. Die Plasma-Sprüh­ technik gestattet einerseits das Auftragen von einigen um starken Oxidschichten (DÖRRE, Biomedizin. Techn. 34 (1989) 46), andererseits stellt sich jedoch nur bedingt eine hinreichende Stoß- und Haftfestigkeit ein.Also for coating metals common in prosthetics various deposition processes from gas or vapor phase wrote. So it corresponds to the state of the art that the time elaborate sputtering probably the application of well adhering layers allowed, but whose thickness is only in the nm range. The plasma spray on the one hand, technology allows the application of some um thick oxide layers (DÖRRE, Biomedizin. Techn. 34 (1989) 46), on the other hand, however, there is only a sufficient one Impact and adhesive strength.

Bisher wurden nur wenige Beschichtungstechniken beschrieben, die einen weitgehenden Erhalt der chemischen Zusammensetzung und des gewünschten Phasenbestandes des oxidischen Ausgangsmaterials ge­ währleisten (JP-P 1 69 547-86, DE-PS 37 11 426). Diese Verfahren sind jedoch nur auf den quasieinphasigen, von lebendem Gewebe re­ sorbierbaren und damit nur zeitlich begrenzt wirksamen Hydroxyl­ apatit beschränkt.So far, only a few coating techniques have been described that  the chemical composition and the desired phase inventory of the oxidic starting material ge ensure (JP-P 1 69 547-86, DE-PS 37 11 426). This procedure are, however, only on the quasi-phase, from living tissue sorbable and thus only temporarily effective hydroxyl apatite limited.

Als bisher ungelöst muß eine technologisch einfache Erstellung eines Verbundimplantats aus einem Titan-Kernkörper und einer festhaftenden, allseitigen, zugleich gleichmäßigen und langzeit­ stabilen Bedeckung (optimale Dicke: 50-200 µm) aus bioaktiven, z. T. vielkomponentigen bzw. mehrphasigen Silicat-Glaskeramiken im Sinne optimierter Kompositmaterialien wie ilmaplant ® L1 (THIEME et. al. Med. aktuell 14 (1988) 304; Information für Ärzte u. Apotheker; Werk für Techn. Glas Ilmenau) oder BIOVERIT ® I (DD-PS 2 37 728, Messeinformation, Jenaer Glas), aber auch Bioglas ® (DE-OS 28 18 630) bzw. Ceravital ® (DE-AS 23 26 100) an­ gesehen werden (s. u.a. ONDRACEK et al. CERAMIKA ACTA, Bologna 0 (1989) 7).As previously unsolved, a technologically simple creation a composite implant made of a titanium core body and one adherent, all-round, at the same time uniform and long-term stable covering (optimal thickness: 50-200 µm) made of bioactive, e.g. T. multi-component or multi-phase silicate glass ceramics in the sense of optimized composite materials such as ilmaplant ® L1 (THIEME et. Al. Med. Current 14 (1988) 304; information for doctors u. Pharmacist; Plant for Techn. Glas Ilmenau) or BIOVERIT ® I (DD-PS 2 37 728, trade fair information, Jenaer Glas), but also Bioglas ® (DE-OS 28 18 630) or Ceravital ® (DE-AS 23 26 100) can be seen (see u.a.ONDRACEK et al. CERAMIKA ACTA, Bologna 0 (1989) 7).

Ziel der Erfindung ist es, für die medizinische Prothetik ein Verfahren zu entwickeln, welches auf technologisch einfache Weise die allseitige Belegung von Titan-Implantatkörpern mit festhaf­ tender bioaktiver Glaskeramik ermöglicht. Durch eine neuartige Eigenschaftskombination von Bioaktivität, mechanischer und biolo­ gischer Langzeitstabilität einschließlich haftfester Verbindung Metall-Keramik und merklich erhöhter Anpassung der Implantatform an den medizinischen Einsatz sollen völlig neue Anwendungsgebiete für die plastische und prothetische Chirurgie erschlossen werden.The aim of the invention is for medical prosthetics Develop a process that is technologically simple the all-round covering of titanium implant bodies with fixed tender bioactive glass ceramic enables. With a new kind Combination of properties of bioactivity, mechanical and organic Long-term stability, including adhesive bond Metal-ceramic and significantly increased adaptation of the implant shape Completely new areas of application are intended for medical use for plastic and prosthetic surgery.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein bioaktives und mechanisch hochbelastbares medizinisches Implantat mit optimal an den Ein­ satzzweck angepaßter Form zu erzeugen, welches sich durch einen haftfesten, feuchtestabilen und zugleich biologisch beständigen Verbund von dem vielfach bewährten Titan als Grundkörpermetall und bioaktiven Glaskeramiken mit Langzeitstabilität auszeichnet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der Titanoberfläche des Implantat-Grundkörpers aus einer nichtwäßri­ gen Suspension der gepulverten Bioglaskeramik eine spezifisch gewachsene Schicht elektrophoretisch abgeschieden und einer ther­ mischen Nachbehandlung unter definiertem Sauerstoffpartialdruck unterzogen wird. Unter derartigen Bedingungen bildet sich uner­ wartet aus dem mit Suspensionsträger-Flüssigkeit durchtränkten porösen Belag eine in sich stabile Glaskeramik-Schicht mit festhaftendem Verbund zum Titan-Grundkörper heraus.The object of the invention is a bioactive and mechanical heavy-duty medical implant with optimal on the one  to generate a form adapted to the purpose of the sentence Non-stick, moisture-stable and at the same time biologically resistant Composite of the well-proven titanium as base metal and bioactive glass ceramics with long-term stability. According to the invention the object is achieved in that on the Titanium surface of the implant body made of a non-water specific suspension of the powdered bioglass ceramic grown layer deposited electrophoretically and a ther mix aftertreatment under defined oxygen partial pressure is subjected. Under such conditions, nothing forms waits from the soaked with suspension vehicle liquid porous covering with an inherently stable glass ceramic layer adhesive bond to the titanium body.

Zu diesem Zweck wird zunächst aus dem glaskeramischen Material ein Pulver mit einer Körnung von vorzugsweise etwa 1 bis 8 µm hergestellt und daraus mit einer hinreichend hochohmigen organi­ schen Flüssigkeit eine stabile Suspension erzeugt, welche dann im elektrophoretischen Abscheidungsprozeß eingesetzt wird. Unerwar­ tet gewährleistet das Verfahren der elektrophoretischen Schicht­ bildung und/oder elektrochemischen Entladung an der Titan-Elek­ trode aus nichtwäßrigen Suspensionen mit einer speziellen thermi­ schen Nachbehandlung einen hochfesten Verbund von Titan-Grundkör­ per und mechanisch stabiler, bioaktiver Glaskeramik-Schicht.For this purpose, the glass-ceramic material is first used a powder with a grain size of preferably about 1 to 8 microns produced and made with a sufficiently high-resistance organi liquid creates a stable suspension, which then in electrophoretic deposition process is used. Unexpected tet ensures the process of the electrophoretic layer formation and / or electrochemical discharge at the titanium elec trode from non-aqueous suspensions with a special thermi after-treatment a high-strength composite of titanium base material per and mechanically stable, bioactive glass ceramic layer.

Offensichtlich ergeben sich nur durch die Material-Kombination Titan/Silicat-Glaskeramik in Verbindung mit der Mehrschritt-Techno­ logie elektrophoretische Abscheidung/thermische Behandlung unter Sauerstoff die vorteilhaften Eigenschaften des Glaskeramik- Metall-Verbundes, wie mechanische Stabilität bzw. Haftfestigkeit und langzeitliche Bioaktivität der 50 bis 200 µm starken Bio­ glaskeramik-Schicht. Vorteilhaft erlaubt das Verfahren die Ver­ wendung von Glaskeramiken mit recht unterschiedlichen Komponenten und auch deutlich verschiedenen Volumenanteilen an Glasphase, was ebenso eine auf den speziellen Glaskeramik-Typ abgestimmte thermische Nachbehandlung der Schicht ermöglicht. Bei der elektrophoretischen Abscheidung bzw. thermischen Nachbehandlung sind jedoch erfindungsgemäß gewisse Grenzparameter etwa wie elektrische Mindestspannungen oder Maximalstromdichten bzw. Temperatur-und Sauerstoffpartialdruck-Bereiche zu beachten.Obviously only result from the combination of materials Titanium / silicate glass ceramic combined with multi-step techno logie electrophoretic deposition / thermal treatment the beneficial properties of glass ceramic under oxygen Metal composite, such as mechanical stability or adhesive strength and long-term bioactivity of the 50 to 200 µm thick bio glass ceramic layer. The method advantageously allows ver Use of glass ceramics with quite different components  and also clearly different volume fractions of glass phase, which is also a match for the special glass ceramic type enables thermal post-treatment of the layer. In the electrophoretic deposition or thermal aftertreatment However, according to the invention, certain limit parameters are about how minimum electrical voltages or maximum current densities or Temperature and oxygen partial pressure ranges to be observed.

Das Wesen der Erfindung soll an den in Tab. 1 zusammengestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Zur Abscheidung auf Titan als Kernkörpermaterial werden die bioaktiven, langzeitstabilen Silicat-Glaskeramiken vom Mehrphasentyp wie z. B. ilmaplant ® L1 und BIOVERIT ® I ausgewählt. Beide Bioglaskeramiken enthalten SiO2 und Al2O3 bzw. auch MgO.The essence of the invention will be explained using the exemplary embodiments compiled in Table 1. For the deposition on titanium as the core body material, the bioactive, long-term stable silicate glass ceramics of the multi-phase type such as. B. ilmaplant ® L1 and BIOVERIT ® I selected. Both bioglass ceramics contain SiO 2 and Al 2 O 3 and also MgO.

Zunächst wird die Bioglaskeramik bis auf Korngrößen < 63 µm zerstoßen und zerrieben. Anschließend erfolgt ein Aufmahlen in einer Achatkugelmühle (1-2 h), wobei Korngrößen zwischen 1 und 25 µm erreicht werden.First of all, the bioglass ceramic is used down to grain sizes <63 µm crushed and ground. This is followed by grinding in an agate ball mill (1-2 h), grain sizes between 1 and 25 µm can be achieved.

Für die elektrophoretische Abscheidung werden die Titanoberflä­ chen vorzugsweise gesandelt oder mit Korund-Schleifpapier gerei­ nigt bzw. aktiviert. Der Elektrodenabstand liegt vorzugsweise im Bereich von wenigen Zentimetern (Ausführungsbeispiele: 2,0 ± 0,5 cm). Als Gegenelektrode dient rostfreier Stahl (V2A). Die organische Suspensionsträger-Flüssigkeit sollte in der Versuchsanordnung keine Stromdichte über 1 µA/cm² an der Titanelektrode zulassen. Titan kann als Elektrode für die elektrophoretische Abscheidung sowohl anodisch als auch katodisch geschaltet werden.For the electrophoretic deposition, the titanium surface Chen preferably sanded or with corundum sandpaper inclined or activated. The electrode spacing is preferably in Range of a few centimeters (exemplary embodiments: 2.0 ± 0.5 cm). Stainless steel (V2A) serves as the counter electrode. The organic Suspension vehicle liquid should be in the experimental setup do not allow a current density above 1 µA / cm² on the titanium electrode. Titanium can be used as an electrode for electrophoretic deposition can be switched both anodically and cathodically.

Zur Optimierung der Gefügestruktur bzw.- morphologie kann die thermische Nachbehandlung hinsichtlich der Verfahrensparameter des Temperatur-Zeitprogramms entsprechend der Zusammensetzung der Bioglaskeramik spezifisch gestaltet werden. Aufheiz- u. Abkühl­ geschwindigkeit sollen nicht größer als 100 K/h sein.To optimize the structure or morphology, the thermal aftertreatment with regard to the process parameters of the temperature-time program according to the composition of the Bio glass ceramics can be designed specifically. Heating u. Cool down  speed should not exceed 100 K / h.

An der getemperten Schicht des Ausführungsbeispieles 5 wurde mittels Röntgen-Beugungsdiagnostik der gleiche Phasenabstand wie in der Ausgangskeramik festgestellt. On the annealed layer of embodiment 5 was the same phase separation as by means of X-ray diffraction diagnostics found in the original ceramic.  

Claims (7)

1. Verfahren zur festhaftenden Beschichtung von medizinischen Titan-Implantaten oder einem beliebigen für den implantologi­ schen Einsatz geeigneten, titanüberzogenen Grundkörper mit einer bioaktiven, langzeitstabilen Silicat-Glaskeramik, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Titanoberfläche des Implan­ tat-Grundkörpers aus einer nichtwäßrigen Suspension der ge­ pulverten Bioglaskeramik eine spezifisch gewachsene Schicht elektrophoretisch abgeschieden und einer speziellen thermi­ schen Nachbehandlung unter definiertem Sauerstoffpartialdruck unterzogen wird.1. A method for the adhesive coating of medical titanium implants or any suitable for implantological use, titanium-coated base body with a bioactive, long-term stable silicate glass ceramic, characterized in that on the titanium surface of the implant base body from a non-aqueous suspension of the powdered bioglass ceramics, a specifically grown layer is electrophoretically deposited and subjected to a special thermal after-treatment under defined oxygen partial pressure. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasanteile in der Bioglaskeramik von 1 bis 100 Vol.-% be­ tragen.2. The method according to claim 1, characterized in that the Glass content in the bioglass ceramic from 1 to 100 vol .-% be wear. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufmahlen der Bioglaskeramik bis zu 5 ma.-% eine aromatische oder aliphatische Säure zugesetzt werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the Grinding up the bioglass ceramic up to 5% by mass an aromatic or aliphatic acid can be added. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtwäßriger Suspensionsträger eine hochohmige organische Flüssigkeit hinreichender Viskosität, vorzugsweise iso-Amylalkohol verwendet wird.4. The method according to claim 1, characterized in that as non-aqueous suspension carrier a high-resistance organic Liquid of sufficient viscosity, preferably Iso-amyl alcohol is used. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrophoretischen Abscheidung mit elektrischen Spannungen im Bereich von 40 bis 450 V gearbeitet wird, wobei die Stromdichten am Titan 2 mA/cm2 nicht übersteigen sollte.5. The method according to claim 1, characterized in that the electrophoretic deposition is carried out with electrical voltages in the range from 40 to 450 V, the current densities on the titanium not exceeding 2 mA / cm 2 . 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension vor oder auch während des elektrophoretischen Ab­ scheidungsprozesses zusätzlich mittels Ultraschallbehandlung stabilisiert wird.6. The method according to claim 4, characterized in that the Suspension before or during the electrophoretic Ab  divorce process additionally by means of ultrasound treatment is stabilized. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Nachbehandlung zur Schichtverfestigung bei einer Temperatur erfolgt, die im Bereich zwischen der Glastransfor­ mationstemperatur (Tg) der Glaskomponente der Bioglaskeramik und 950°C liegt, und unter einem Sauerstoffpartialdruck von 0,5 bis 20 kPa vorgenommen wird.7. The method according to claim 1, characterized in that the thermal aftertreatment for layer hardening at a Temperature takes place in the area between the glass transfor Mation temperature (Tg) of the glass component of the bioglass ceramic and 950 ° C, and under an oxygen partial pressure of 0.5 to 20 kPa is made.
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