Knochenersatzwerkstoff und Verfahren zur Herstellung eines Knochenersatz-ImplantatsBone replacement material and method for producing a bone replacement implant
Die Erfindung betrifft einen Knochenersatzwerkstoff, insbesondere für die Versorgung von Knochendefekten nach operativen Eingriffen, ein Verfahren zur Herstellung eines Knochenersatz-Implantats aus einem solchen Knochenersatzwerkstoff und ein Knochenimplantat selbst.The invention relates to a bone replacement material, in particular for the care of bone defects after surgical interventions, a method for producing a bone replacement implant from such a bone replacement material and a bone implant itself.
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Implantatmedizin im Zusammenhang mit Knochendefekten, wie z.B. nach einer Tumorresektion, Traumabehandlung oder bei der Rekonstruktion angeborener Fehlbildungen. Hauptanwendungsgebiet sind Defekte von Schädelkalotte und Orbitadach und alle weiteren Knochendefekte, die rekonstruktive oder funktionsbedingte Eingriffe am Patienten nötig machen. Daraus ergeben sich für die Entwicklung sogenannter "Taylored Implants" folgende Entwicklungsziele:The present invention is in the field of implant medicine related to bone defects such as e.g. after tumor resection, trauma treatment or in the reconstruction of congenital malformations. The main areas of application are defects in the skull and orbital roof and all other bone defects that require reconstructive or functional interventions on the patient. This results in the following development goals for the development of so-called "Taylored Implants":
Entwicklung von Prothesen und Implantaten, welche die bildgebende Diagnostik nicht stören,Development of prostheses and implants that do not interfere with imaging diagnostics
Entwicklung von Prothesen mit einem dem Knochen angepaßten E- Modul und einer im Belastungsfall ausreichenden Festigkeit, - Optimale Fixierung und Positionierung der Prothesen und Implantate im/am Knochen,Development of prostheses with a modulus of elasticity adapted to the bone and sufficient strength in the event of stress, - Optimal fixation and positioning of the prostheses and implants in / on the bone,
Verfolgungsmöglichkeit des postoperativen Verlaufes durch bildgebende Diagnostik,Possibility of tracking the postoperative course through imaging diagnostics,
Individuelle, aus ästhetischen Gründen dem Patienten angepaßte Im- plantatgeometrie,Individual implant geometry adapted to the patient for aesthetic reasons,
BESTATIGUNGSKOPIE
Übe rüfung der Passgenauigkeit der Implantate an anatomischen Faksimiles undBESTATIGUNGSKOPIE Checking the accuracy of fit of the implants on anatomical facsimiles and
Geringe Patientenbelastung.Low patient burden.
Zum Hintergrund der Erfindung und zum Stand der Technik ist auf folgen- des zu verweisen:With regard to the background of the invention and the prior art, reference is made to the following:
Bei der Rekonstruktion und Versorgung von knöchernen Defekten werden körpereigene (autogene) und körperfremde (alloplastische) Materialien eingesetzt.The body's own (autogenous) and foreign (alloplastic) materials are used in the reconstruction and care of bony defects.
Die Verwendung körpereigenen Knochens oder Knorpels besitzt den Nachteil, daß eine zweite Operation an einer weiteren Stelle des Patienten zur Entnahme des autogenen Materials nötig ist. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der Spenderregion meist Wadenbein, Rippe oder Beckenkamm führen. Es entsteht eine zusätzliche Belastung für den Patienten. Eine weitere Beschränkung liegt in der Menge des zur Verfügung stehenden Transplantatmaterials. Ein Nachteil besteht auch in nicht vorhersagbaren Um- und Abbauprozessen von transplantierten Knochen, die bei vollständigem Abbau des Transplantats nach einigen Jahren zu erneuten operativen Eingriffen am Patienten führen.The use of the body's own bone or cartilage has the disadvantage that a second operation at a further point of the patient is necessary to remove the autogenous material. This can usually affect the donor region of the fibula, rib or iliac crest. There is an additional burden on the patient. Another limitation is the amount of graft material available. A disadvantage also lies in the unpredictable process of remodeling and dismantling transplanted bones, which after a few years leads to renewed surgical interventions on the patient if the transplant is completely dismantled.
Die Versorgung von Knochendefekten mittels alloplastischer Materialien konzentriert sich auf die Verwendung von Methylmetacrylaten und Titan. Der große Vorteil von körperfremden Materialien liegt in der unbegrenzten Verfügbarkeit. Biologisch verträgliche alloplastische Materialien (Kunststoff, Keramik, Metall) werden in den verschiedensten Bereichen der modernen Medizin bereits erfolgreich und komplikationsfrei als Im- plantate eingesetzt. Diese Materialien benötigen dementsprechend keine zusätzliche Entnahmestelle am Knochen und unterliegen im menschlichen Körper in der Regel keinen Um- oder Abbauprozessen.
Die Verwendung von Polymethylmetacrylaten führt durch die Aushärtung der Kunststoffmasse während der Operation zu verschiedenen Komplikationen. Insbesondere die Hitzeentwicklung während der Polymerisation und die Monomerfreisetzung nach unvollständiger Reaktion können zu Entzün- dungsreaktionen führen. Weiterhin muß das Implantat im plastischen Zustand vorgeformt und danach ausgehärtet werden. Eine Folge ist ,daß durch die vollständige Aushärtung eine Formänderung eintritt, die eine Nachbearbeitung erforderlich macht.The treatment of bone defects using alloplastic materials focuses on the use of methyl methacrylates and titanium. The great advantage of extraneous materials lies in the unlimited availability. Biologically compatible alloplastic materials (plastic, ceramic, metal) are already being used successfully and without complications in a wide variety of areas of modern medicine as implants. Accordingly, these materials do not require an additional bone removal site and are generally not subject to any reconstruction or degradation processes in the human body. The use of polymethyl methacrylates leads to various complications due to the hardening of the plastic mass during the operation. In particular, the development of heat during the polymerization and the monomer release after an incomplete reaction can lead to inflammation reactions. Furthermore, the implant must be preformed in the plastic state and then hardened. One consequence is that the complete hardening causes a change in shape, which makes reworking necessary.
Entscheidend bei der Versorgung von Knochendefekten ist neben der äs- thetischen Anpassung in erster Linie die Passgenauigkeit zu den Defekträndern. Das durch die sterile Abdeckung eingeschränkte Operationsfeld erlaubt während der Operation keine umfassende Beurteilung der Kontur. Der exakten individuellen Anpassung sind daher Grenzen gesetzt.In addition to aesthetic adaptation, the decisive factor in the care of bone defects is primarily the accuracy of fit to the defect edges. The surgical field, which is restricted by the sterile cover, does not allow a comprehensive assessment of the contour during the operation. The exact individual adjustment is therefore limited.
Wünschenswert sind daher Implantatformen, die gezielt dem Patienten angepaßt werden. Mittels Computertomographie (CT) können knöcherne Strukturen exakt abgegriffen und die daraus gewonnenen 3D-Daten für die Implantatfertigung genutzt werden. Basierend auf diesen Datensätzen werden bereits individuelle Hüftendoprothesen und Kranioplastiken über das Computer Aided Design- und Manufacturing (CAD/CAM) aus dem Werkstoff Titan gefertigt.Implant forms that are specifically adapted to the patient are therefore desirable. Computed tomography (CT) can be used to precisely measure bony structures and the resulting 3D data can be used for implant production. Based on these data sets, individual hip endoprostheses and cranioplasties are already made from titanium using computer aided design and manufacturing (CAD / CAM).
Der Nachteil dieser metallischen Implantate sind Komplikationen oder Artefakte, die bei der bildgebenden Diagnostik über Röntgen, Computertomographie (CT) oder Kernspintomographie (MRI) entstehen. Besonders nachteilig wirken sich diese Artefakte für die exakte Beurteilung des postoperativen Heilungsverlaufes und insbesondere bei jüngeren Patienten aus,
die aufgrund einer anderen medizinischen Indikation genau auf eine derartige bildgebende Diagnostik im Gebiet des Implantats angewiesen sind.The disadvantage of these metallic implants are complications or artefacts that arise in imaging diagnostics using X-rays, computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI). These artifacts have a particularly disadvantageous effect on the precise assessment of the postoperative healing process and in particular in younger patients, which, due to another medical indication, depend exactly on such imaging diagnostics in the area of the implant.
Ebenfalls kritisch wird in der Fachliteratur bei Langzeitanwendungen von Metallen die Freisetzung von Metallionen und deren Wirkung auf den Or- ganismus diskutiert. Weiterhin kann es aufgrund der stark variierenden E- Modul- Werte von Metallimplantat und Knochengewebe (Ti: 110 GPa, Knochen: spongiös 0,5-3 GPa, cortical 10-25 GPa) zum Knochenabbau infolge des sogenannten "stress shielding"-Effektes kommen. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Metallen ist, daß diese zur Gruppe der inerten Materialien gehören, so daß sich in der Regel keine kraftschlüssige Verbindung zwischen Implantat und Empfängergewebe ausbilden kann. Die Fixierung des Metallimplantates am Knochen erfolgt daher durch Schrauben und Platten.The release of metal ions and their effect on the organism is also critically discussed in the specialist literature for long-term use of metals. Furthermore, due to the strongly varying modulus of elasticity of metal implant and bone tissue (Ti: 110 GPa, bone: cancellous 0.5-3 GPa, cortical 10-25 GPa), bone degradation can occur as a result of the so-called "stress shielding" effect , Another disadvantage of using metals is that they belong to the group of inert materials, so that, as a rule, no non-positive connection between the implant and the recipient tissue can form. The metal implant is therefore fixed to the bone using screws and plates.
Angesichts dieser bekannten Lösungen und ihrer Nachteile bzw. Beschränkungen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Knochenersatzwerkstoff bereitzustellen, der eine kraftschlüssige Anbindung an den Knochen ermöglicht, dessen E-Modul an den des Knochens angepaßt ist und der über ein schnelles und einfaches Verfahren zu individuell ge- formten, patientenspezifischen Endoprothesen zu verarbeiten ist.In view of these known solutions and their disadvantages and limitations, the object of the present invention is to provide a bone replacement material which enables a non-positive connection to the bone, the modulus of elasticity of which is adapted to that of the bone, and which is achieved by a quick and simple method individually shaped, patient-specific endoprostheses must be processed.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil der Ansprüche 1, 6 bzw. 10 angegebenen Merkmale gelöst. Kern der Erfindung ist dabei die Auswahl der an dem erfindungsgemäßen Knochenersatzwerkstoff beteilig- ten Materialien, die im Hinblick auf die ganz unterschiedlichen Aufgabestellungen einen optimalen Kompromiß darstellen. Ausgegangen wird dabei von einer Mischung aus einem biokompatiblen, lasersinterbaren Polymermaterial als Matrixwerkstoff und Füllstoffpartikeln aus anorganischen,
nichtmetallischen Materialien wie z. B. Keramikpulver. Auch ein Poly- mer/Keramik-Compound in Pulverform ist möglich. Die anorganischen Füllstoffe sind zumindest bioinert oder vorzugsweise bioaktiv, wie z. B. osteoinduktiv oder osteokonduktiv.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claims 1, 6 and 10, respectively. The core of the invention is the selection of the materials involved in the bone substitute material according to the invention, which represent an optimal compromise in view of the very different tasks. The starting point is a mixture of a biocompatible, laser-sinterable polymer material as the matrix material and filler particles made of inorganic, non-metallic materials such. B. ceramic powder. A polymer / ceramic compound in powder form is also possible. The inorganic fillers are at least bioinert or preferably bioactive, such as. B. osteoinductive or osteoconductive.
Bezüglich der Materialauswahl für die biokompatiblen Polymermaterialien stehen eine Vielzahl von Kunststoffen zur Verfügung, wie z. B. Polyethy- len, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Polyamid, Polyurethan, Polysulfon, Polysiloxan oder Polytetraflourethylen. Besonders bevorzugt ist das Material Polyetheretherketon (PEEK), das zur Gruppe der Hochtemperaturthermoplasten gehört. Nähere Ausführungen hierzu sind der Erörterung des Ausführungsbeispiels entnehmbar.With regard to the choice of materials for the biocompatible polymer materials, a variety of plastics are available, such as. B. polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyamide, polyurethane, polysulfone, polysiloxane or polytetrafluoroethylene. The material polyether ether ketone (PEEK), which belongs to the group of high-temperature thermoplastics, is particularly preferred. Further explanations on this can be found in the discussion of the exemplary embodiment.
Für die Fullstoffpartikel eignen sich u.a. Calciumphosphate, biokompatible Glaspartikel, wie sie unter der Marke "Bioglas" kommerziell verfügbar sind, oder Kohlenstoffpartikel. Diese Partikel können in Form von Fasern, Kugeln, Whiskern oder Platelets vorliegen. Ihre Teilchengröße liegt vorzugsweise im Bereich von 0, 1 bis 200 μm, was im übrigen auch für die Partikelgröße des pulverförmigen Rohmaterials bei der erfmdungsgemäßen Herstellung eines Knochenersatz-Implantats zutrifft.Suitable for the filler particles include Calcium phosphates, biocompatible glass particles, as are commercially available under the "Bioglas" brand, or carbon particles. These particles can be in the form of fibers, spheres, whiskers or platelets. Their particle size is preferably in the range from 0.1 to 200 μm, which also applies to the particle size of the powdery raw material in the production of a bone replacement implant according to the invention.
Die Fullstoffpartikel weisen bevorzugtermaßen einen Gewichtsanteil von 5 bis 80% bezogen auf die Werkstoffgesamtmenge auf.The filler particles preferably have a weight fraction of 5 to 80% based on the total amount of material.
Das gemäß Anspruch 6 vorgesehene Verfahren zur Herstellung eines Knochenersatz-Implantats aus dem erfmdungsgemäßen Knochenersatzwerkstoff setzt auf das im Zusammenhang mit dem sogenannten "Rapid Prototyping " bekannte Verfahren des Laserstrahlsinterns auf. Das Laserstrahlsintern ist
ein generatives Verfahren, mit dessen Hilfe direkt aus einem 3D-Datensatz Bauteile hergestellt werden können. Über das Laserstrahlsintern können kurzfristig formkomplizierte Bauteilstrukturen einschließlich Hinterschnei- dungen gefertigt werden. Im Gegensatz zu spanenden Verfahren entsteht das Werkstück durch einen Werkstoffauftrag. Der entscheidende Vorteil des Laserstrahlsinterns von Kunststoffen ist die hohe Flexibilität mit der innerhalb kürzester Zeit komplizierte und individuell geformte Bauteilstrukturen gefertigt werden können. Insoweit ist dieses Verfahren auch für die Herstellung eines Knochenersatz-Implantats hervorragend geeignet, da derartige Werkstücke grundsätzlich jeweils individuell anzufertigen sind.The method according to claim 6 for producing a bone replacement implant from the bone replacement material according to the invention is based on the method of laser beam sintering known in connection with the so-called "rapid prototyping". The laser beam sintering is a generative process that can be used to produce components directly from a 3D data set. Using laser beam sintering, complex component structures including undercuts can be produced at short notice. In contrast to cutting processes, the workpiece is created by applying a material. The decisive advantage of laser beam sintering of plastics is the high flexibility with which complex and individually shaped component structures can be manufactured within a very short time. In this respect, this method is also excellently suited for the production of a bone replacement implant, since such workpieces must always be individually manufactured.
Schließlich ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Fullstoffpartikel derart in den Matrixwerkstoff aus dem biokompatiblen Polymermaterial einzubetten, daß diese Fullstoffpartikel an der Implantatoberfläche nur teilweise in den Matrixwerkstoff eingebettet sind. Insbesondere bei Verwendung von bioaktiven Füllstoffen, wie Calciumphosphaten oder den erwähnten biokompatiblen Glaspartikeln ist dann keine dauerhafte Verankerung durch Fixierungsmittel notwendig, da durch die f eiliegenden Fullstoffpartikel ein kraftschlüssiges Verwachsen zwischen dem Knochen und dem daran anlie- genden Implantat erzielt wird. Weitere Funktionen der Fullstoffpartikel liegen darin, daß durch ihren Anteil im Matrixwerkstoff die mechanischen Eigenschaften des Knochenersatzwerkstoffes, wie E-Modul, Festigkeit und Kriechverhalten an das umliegende Knochengewebe adaptierbar sind. Ferner sind solche anorganischen Füllstoffe vorteilhaft zur Sichtbarmachung des polymeren Implantates auf röntgenographischen Aufnahmen, wobei jedoch die bildgebende Diagnostik durch diese Füllstoffe nicht gestört wird. Schließlich beeinflussen die anorganischen Fullstoffpartikel in positiver Weise das Schrumpfverhalten des Matrixwerkstoffes, in dem ein sol-
ches Schrumpfen weitgehend unterbunden wird. Die aus dem Knochenersatzwerkstoff hergestellten Implantate weisen daher also eine hohe Maßhaltigkeit auf.Finally, it is provided according to the invention to embed the filler particles in the matrix material made of the biocompatible polymer material in such a way that these filler particles are only partially embedded in the matrix material on the implant surface. In particular when using bioactive fillers, such as calcium phosphates or the aforementioned biocompatible glass particles, no permanent anchoring is necessary by means of fixing agents, since the filler particles lying there achieve a positive connection between the bone and the implant attached to it. Further functions of the filler particles are that the mechanical properties of the bone substitute material, such as elastic modulus, strength and creep behavior, can be adapted to the surrounding bone tissue due to their proportion in the matrix material. Furthermore, such inorganic fillers are advantageous for making the polymeric implant visible on X-ray images, but the imaging diagnostics are not disturbed by these fillers. Finally, the inorganic filler particles have a positive effect on the shrinkage behavior of the matrix material, in which a ch shrinkage is largely prevented. The implants made from the bone substitute material therefore have a high degree of dimensional accuracy.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert wird. Es zeigen:Further features, details and advantages of the invention result from the following description, in which an embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische, ausschnittsweise vergrößerte Schema- darstellung eines Knochenersatz-Implantats,1 is a perspective, partially enlarged schematic representation of a bone replacement implant,
Fig. 2 einen schematischen, extrem vergrößerten Teilschnitt durch die Grenzfläche zwischen Knochenersatz-Implantat und umliegenden Knochengewebe, undFig. 2 is a schematic, extremely enlarged partial section through the interface between the bone replacement implant and the surrounding bone tissue, and
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Lasersinteranlage zur Herstellung eines Knochenersatz-Implantats.3 shows a basic illustration of a laser sintering system for producing a bone replacement implant.
Wie aus Fig. 1 deutlich wird, besteht ein lasergesintertes Knochenersatz- Implantat 1 aus einem Matrixwerkstoff 2 und darin eingebetteten Füllstoffpartikeln 3. Bei dem Matrixwerkstoff handelt es sich um Polyethenether- keton (PEEK), dessen Eigenschaftsprofil hervorragend für die Verwendung als Matrixwerkstoff ausgelegt ist. PEEK ist gekennzeichnet durch hervorragende mechanische Eigenschaften, eine hohe chemische Beständigkeit und damit Langzeitbeständigkeit sowie eine hohe Strahlen- und Verschleißbeständigkeit. Insoweit ist dieser Werkstoff für einen Einsatz im aggressiven Körpermilieu gut geeignet. Ein weiterer Vorteil dieses gegenüber äußeren Einflüssen wenig anfälligen Materials liegt in seiner pro-
blemlosen Sterilisierbarkeit. Die Eignung dieses Materials für den medizinischen Bereich wird auch durch die bestehende FDA-(American Food and Drug Association-) Zulassung dokumentiert.As is clear from FIG. 1, a laser-sintered bone replacement implant 1 consists of a matrix material 2 and filler particles 3 embedded therein. The matrix material is polyethene ether ketone (PEEK), the property profile of which is outstandingly designed for use as a matrix material. PEEK is characterized by excellent mechanical properties, high chemical resistance and thus long-term resistance as well as high radiation and wear resistance. In this respect, this material is well suited for use in an aggressive body environment. Another advantage of this material, which is not very sensitive to external influences, lies in its easy sterilizability. The suitability of this material for the medical field is also documented by the existing FDA (American Food and Drug Association) approval.
Für den Einsatz von PEEK als Knochenersatzwerkstoff sind zwei Punkte zu beachten:There are two points to consider when using PEEK as a bone substitute:
- PEEK wird, wie alle Kunststoffe, der Gruppe der bioinerten Materialien zugeordnet, d.h. daß das Implantat keine Verbindung mit dem Knochengewebe eingehen kann. - Der E-Modul von PEEK liegt mit 3,7 GPa im unteren E-Modulbereich des menschlichen Knochens (Spongiosa: 0,5-3 GPa; Compacta: 10-25 GPa), wobei in lasttragenden Endoprothesen ein dem Knochen angepaßter E-Modul eingestellt werden muß.- PEEK, like all plastics, is assigned to the group of bio-inert materials, i.e. that the implant cannot make any connection with the bone tissue. - The modulus of elasticity from PEEK with 3.7 GPa is in the lower modulus of elasticity of the human bone (cancellous bone: 0.5-3 GPa; Compacta: 10-25 GPa), with an elastic modulus adapted to the bone in load-bearing endoprostheses must be set.
Die damit einhergehenden Probleme werden durch die Fullstoffpartikel 3 gelöst. Als besonders geeignet haben sich bioaktive Füllstoffe auf der Basis von Calciumphosphaten herauskristallisiert. Zur Gruppe der Calciumphos- phate gehören z.B. der osteoinduktive Hydroxylapatit (Ca10(PO )6(OH) ) und das osteokonduktive, vollständig resorbierbare Tricalciumphosphat (Ca3(P04)2). Beide Materialien werden bereits in der Medizin als synthetisches Knochenmaterial in meist granulärer Form für die Auffüllung von Knochendefekten verwendet. Hydroxylapatit ist die anorganische mineralische Phase im Zahn (98 Gew.%) und Knochen (60-70 Gew.%). Aufgrund der geringen Festigkeit sind Hydroxylapatit-Implantate nur für nicht- lasttragende Anwendungen bei kleinen Knochendefekten geeignet.
Durch die Zugabe solcher Füllstoffpartikeln wird zum einen der E-Modul und damit die Festigkeit des Materials an den jeweiligen Einsatzzweck angepaßt und eingestellt. So erhöht sich der oben angegebene E-Modul von reinem PEEK bei Zugabe von 30 % technischem Glas auf 10 GPa der Mi- schung. Bei Zugabe von 30 % Carbon wird ein E-Modul von 20 GPa erreicht.The problems associated with this are solved by the filler particles 3. Bioactive fillers based on calcium phosphates have emerged as particularly suitable. The calcium phosphate group includes, for example, the osteoinductive hydroxyapatite (Ca 10 (PO) 6 (OH)) and the osteoconductive, fully absorbable tricalcium phosphate (Ca 3 (P0 4 ) 2 ). Both materials are already used in medicine as synthetic bone material in mostly granular form for the filling of bone defects. Hydroxyapatite is the inorganic mineral phase in the tooth (98% by weight) and bone (60-70% by weight). Due to their low strength, hydroxyapatite implants are only suitable for non-load-bearing applications with small bone defects. By adding such filler particles, on the one hand the modulus of elasticity and thus the strength of the material are adapted and adjusted to the particular application. The modulus of elasticity stated above increases from pure PEEK to 30 GPa of the mixture when 30% technical glass is added. With the addition of 30% carbon, a modulus of elasticity of 20 GPa is achieved.
Ferner wird durch die nur teilweise Einbettung der Fullstoffpartikel 3 im Bereich der Oberfläche S des Implantats 1 ein Anknüpfungspunkt für das Einwachsen von Knochengewebe 4 geschaffen. Durch dieses Anwachsen des Knochengewebes 4 an die Fullstoffpartikel 3 entsteht eine kraftschlüs- sige Verbindung zwischen Implantat 1 und Knochengewebe 4, wie dies in Fig. 2 durch die aus dem Knochengewebe 4 in die Fullstoffpartikel 3 hineinreichenden Scliraffurlinien bildlich angedeutet ist.Furthermore, the only partial embedding of the filler particles 3 in the area S of the implant 1 creates a point of contact for the ingrowth of bone tissue 4. This growth of the bone tissue 4 to the filler particles 3 creates a non-positive connection between the implant 1 and the bone tissue 4, as is shown in FIG. 2 by the scliraffur lines extending from the bone tissue 4 into the filler particles 3.
Die Herstellung des Knochenersatz-Implantats 1 erfolgt über eine in Fig. 3 schematisch dargestellte Lasersinteranlage. Dessen Kernstück ist ein C02-Laser 5 mit einer Wellenlänge λ = 10,64 μm, dessen Strahl mit 6 bezeichnet ist. Über einen Auftragsbehälter 7 wird pulverförmiges Aus- gangsmaterial 8, bestehend aus dem pulverformigen Matrixwerkstoff 2 und den Füllstoffpartikeln 3 in einer Schichtdicke 9 auf eine Bauplattform 10 aufgebracht. Oberhalb dieser Bauplattform 10 liegt der Bauraum 11 für das Implantat. Die Bauplattform 10 ist über einen schematisch angedeuteten Höhenantrieb 12 in vertikaler Richtung verfahrbar.The bone replacement implant 1 is produced by means of a laser sintering system shown schematically in FIG. 3. Its core is a C0 2 laser 5 with a wavelength λ = 10.64 μm, the beam of which is designated 6. Powdery starting material 8, consisting of the powdery matrix material 2 and the filler particles 3, is applied in a layer thickness 9 to a building platform 10 via an application container 7. Above this construction platform 10 is the installation space 11 for the implant. The construction platform 10 can be moved in the vertical direction via a schematically indicated height drive 12.
Zur Vorbereitung der Herstellung eines Implantats 1 werden durch geeignete Vermessungsverfahren, wie beispielsweise die Computertomographie, die dreidimensionalen Geometriedaten für das Implantat 1 ermittelt und in
ein entsprechendes CAD/CAM-System 13 eingegeben. Die entsprechenden Daten werden in geeigneter Weise eingelesen und bearbeitet, damit der gesamte Sinterprozeß vollautomatisch gesteuert werden kann. Entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie wird nun der Laserstrahl über einen vom CAD/CAM-System 13 gesteuerten Scannerspiegel 14 und eine entsprechende Fokussieroptik 15 über die jeweils oberste Schicht des Pulvers 8 geführt. In dem abgescannten Bereich werden der Matrixwerkstoff 2 und die Fullstoffpartikel 3 durch Aufschmelzen zusammengesintert und verklebt. Anschließend wird die Bauplattform 10 um die Schichtdicke 9, die in Abhängigkeit von Pulverkorngröße 10 - 250 μm betragen kann, nach unten gefahren und eine neue Schicht Pulvermaterial 8 aus dem Auftragsbehälter 7 aufgebracht. Es wird wiederum entsprechend den CAD-Daten des Implantats 1 ein bestimmter Bereich dieser Schicht vom Laser 5 abgescannt und das Polymermaterial und die Füllstoffpartikel miteinander versintert. Dabei findet auch eine fester Verbindung mit der vorher gesinterten Schicht statt. Dieser Vorgang wird sukzessiv wiederholt, bis das gesamte Implantat 1 fertiggestellt ist.To prepare for the manufacture of an implant 1, the three-dimensional geometry data for the implant 1 are determined by suitable measurement methods, such as, for example, computer tomography, and in a corresponding CAD / CAM system 13 entered. The corresponding data are read in and processed in a suitable manner so that the entire sintering process can be controlled fully automatically. In accordance with the desired component geometry, the laser beam is now guided over a scanner mirror 14 controlled by the CAD / CAM system 13 and a corresponding focusing lens 15 over the top layer of the powder 8. In the scanned area, the matrix material 2 and the filler particles 3 are sintered together by melting and glued. The building platform 10 is then moved downward by the layer thickness 9, which can be 10-250 μm depending on the powder grain size, and a new layer of powder material 8 is applied from the application container 7. Again, a certain area of this layer is scanned by the laser 5 in accordance with the CAD data of the implant 1 and the polymer material and the filler particles are sintered together. There is also a firm connection with the previously sintered layer. This process is repeated successively until the entire implant 1 is completed.
Bei der Wahl des Lasers 5 ist im übrigen darauf zu achten, daß das dazu verwendete Thermoplastmaterial für den Matrixwerkstoff eine gute Absorption im Wellenlängenbereich des Lasers 5 aufweist, damit die zum Schmelzen der Materialien benötigte Energiemenge aufgenommen werden kann. Ferner ist für eine optimale Verarbeitung der Kunststoffpulver die Erwärmung des Materiales im Auftragsbehälter 7 und im Bauraum 11 bis kurz unter die Glasübergangstemperatur Tg bzw. bei teilkristallinen Pulvern bis kurz oberhalb der Kristallitschmelztemperarur Tm notwendig. Beispiele für diese Temperaturen für das Material PEEK sind Tg = 143°C und
Tm = 334°C. Für Polyamid lauten die entsprechenden Werte Tg = 78°C und Tm = 260°C.When choosing the laser 5, it should also be ensured that the thermoplastic material used for the matrix material has good absorption in the wavelength range of the laser 5 so that the amount of energy required to melt the materials can be absorbed. Furthermore, for optimal processing of the plastic powder, the heating of the material in the application container 7 and in the installation space 11 is necessary to just below the glass transition temperature Tg or, in the case of partially crystalline powders, to just above the crystallite melting temperature Tm. Examples of these temperatures for the material PEEK are Tg = 143 ° C and Tm = 334 ° C. For polyamide, the corresponding values are Tg = 78 ° C and Tm = 260 ° C.
Durch die Verarbeitung eines Knochenersatzwerkstoffes aus biokompati- blen Thermoplastwerkstoffen 2, wie z.B. Polyetheretherketon, und funktioneilen Füll- bzw. Verstärkungskomponenten 3, wie z.B. Hydroxylapatit über das Laserstrahlsintern ergeben sich zusammenfassend mehrere Vorteile:By processing a bone substitute material made of biocompatible thermoplastic materials 2, such as Polyetheretherketon, and functional filling or reinforcing components 3, such as In summary, hydroxyapatite over laser beam sintering has several advantages:
Anpassung des E-Moduls des Implantates 1 an den des Knochens 4 über die Variation des Füllstoffgehaltes, direktes kraftschlüssiges Verwachsen des Implantates 1 mit dem Knochengewebe 4 durch eingelagertes Calciumphosphat 3, die strukturierte Oberfläche des lasergesinterten Implantates 1 wirkt stimulierend auf ein kraftschlüssige Verwachsen mit dem umgebenden Knochengewebe 4, im Gegensatz zu metallischen Implantaten ergeben sich keine Komplikationen oder Artefakte bei der bildgebenden Diagnose über Röntgen, CT oder MW, schnelle und direkte Implantatherstellung aus einem 3 D-Datensatz (CT-Daten), an den Patienten angepaßte, individuelle Endoprothesegeometrie, Verkürzung der Operationszeit und der Belastung für den Patienten.
Adaptation of the modulus of elasticity of the implant 1 to that of the bone 4 by varying the filler content, direct non-positive growth of the implant 1 with the bone tissue 4 by means of calcium phosphate 3 embedded therein, the structured surface of the laser-sintered implant 1 has a stimulating effect on a positive connection with the surrounding area Bone tissue 4, in contrast to metallic implants, there are no complications or artifacts in the imaging diagnosis via X-ray, CT or MW, quick and direct implant creation from a 3D data record (CT data), patient-specific, individual endoprosthesis geometry, shortening the operating time and the burden on the patient.