Verfahren zu dessen Herstellung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein bioresorbierbares Implantat zum Ergänzen oder Ersetzen von Hartgewebe und / oder Weichgewebe, wie z.B. Knorpel, Knochen oder anderem Gewe- be. Das bioresorbierbare Material weist zumindest eine verstärkende Faser auf. Diese zumindest eine verstärkende Faser ist vorzugsweise als ein verstärkendes Faserbündel / ein verstärkendes Fasergerüst oder ein verstärkendes Faserkonstrukt ausgebildet. Die zumindest eine verstärkende Faser ist aus einer ersten Materialkomponente aufgebaut und ist nach einer Vermischung mit einer zweiten Materialkomponente in einer Matrix eingebettet. Das Material der ersten Materialkomponente enthält zumindest eines oder eine Kombination der Elemente der Gruppe aus Seide, Chitosan, Collagen, Polycapro- lacton, Poly-DL-Lactide, Polylactid-co-Glycolid, Polyclycolide, Polyurethane und Polypropylen. Es sei also noch einmal betont, dass unter Fasern hier auch Faserbündel und Fasergerüste sowie Faserkonstrukte verstanden werden.

Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines bioresorbierbaren Materials.

Aus dem Stand der Technik sind einerseits bioresorbierbare Implantate bekannt, die aus nur einem Rohmaterial hergestellt sind. Um eine Verbesserung der biologischen Reaktionen auf die Degradation der resorbierbaren Materialien zu bewirken, haben sich andererseits auf dem Gebiet der Implantate Technologien durchgesetzt, die auf mehre- ren Materialien aufgebaut sind. Den verbesserten biologischen Reaktionen steht hierbei jedoch ein Verlust an mechanischer Festigkeit gegenüber, was unter Umständen zu einem frühzeitigen Versagen des Implantates unter mechanischer Belastung führt. So weisen solche Implantate, die für die Regeneration von Defekten eingesetzt werden, in der Regel keine ausreichende mechanische Stabilität auf, um das zu ersetzende Gewebe unmittelbar nach dem operativen Einsetzen vollumfänglich zu ersetzen.

Ein gattungsgemäßes Implantat ist aus der deutschen Patentanmeldung 10 2010 034 471 A1 bekannt. Diese offenbart ein Implantat, das einen Faden umfasst, der einen länglichen, vorzugsweise geflochtenen, Fadenkörper und eine den Fadenkörper zumindest teilweise umgebende Beschichtung aufweist. Der Faden jener Patentanmeldung ist aus Polyethylen und/oder Polypropylen aufgebaut, während die Beschichtung aus einem resorbierbaren Material und gegebenenfalls aus Additiven besteht.

Auch aus der europäischen Patentschrift 1 537 883 B1 ist ein Implantat bekannt. Dieses ist auf die Reparatur von Gewebeschäden und -defekten gerichtet und weist ein biokompatibles Gerüst auf, das ein verstärkendes Material umfasst. In der europäischen Patentanmeldung 2 081 020 A2 ist ein Gewebeimplantat offenbart, das aus bioresorbierbaren Komponenten und/oder aus nicht-bioresorbierbaren Komponenten aufgebaut ist. Als nicht-bioresorbierbare Komponente kommt beispielsweise natürliche oder synthetische Seide in Frage. Auch die US-Patentanmeldung mit der Nummer 2004/0054372 A1 ist auf biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe als Implantat gerichtet. Jenes Implantat umfasst ein bio- degradierbares, faserverstärktes Komposit, eine Matrix sowie Fasern.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass durch die Anpassung der Implantat- geometrien an individuelle Eigenschaften die eingesetzte Materialmenge ansteigt. Neben der abnehmenden Wirtschaftlichkeit aufgrund des erhöhten Materialeinsatzes bewirkt dies eine Verschlechterung der biologischen Prozesse, was klinische Resultate negativ beeinträchtigt. Denn bekanntermaßen können konzentrationsbedingte negative klinische Reaktionen durch eine vergrößerte Menge an abzubauenden Substanzen aus dem Implantat hervorgerufen werden.

Ebenso sind die zu verbindenden Verbundwerkstoffe im Stand der Technik hauptsächlich mittels einer sogenannten Prepreg-Technologie (Kurzform für„preimpregnated fib- res") hergestellt. Bei diesen handelt es sich um mit Reaktionsharzen vorimprägnierte textile Faser-Matrix-Halbzeuge, die zur Herstellung von Implantaten unter Temperatur und Druck ausgehärtet werden. Diese ist kostenintensiv und zeitaufwendig. Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben oder zumindest zu mildern und insbesondere ein Implantat zur Verfügung zu stellen, das bei möglichst wenig Materialeinsatz hohe Festigkeitswerte, rasche bioresorbierbare Eigenschaften sowie eine wirtschaftliche Herstellung ermöglicht.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gewährleistet, dass die zweite Materialkomponente zum Zeitpunkt der Vermischung mit der zumindest einen verstärkenden Faser / dem Faserbündel / dem Fasergerüst oder Faserkonstrukt granulatartig oder pulverförmig vorliegt. Somit liegt die erste Materialkomponente in Faserform / Faserbündelform oder Fasergerüst- oder Faserkonstruktform und die zweite beispielsweise in Pulver- oder Granulatform vor, welche nun in unterschiedlichen Mengen und Stoffzusammensetzungen miteinander zu vermischen sind. So ist eine hohe Flexibilität der zu erreichenden Eigenschaften gewährleistet, da die Vermischung von zumindest einer Faser / einem Faserbündel / einem Fasergerüst oder Faserkonstrukt und von einem Pulver oder Gra- nulat bei einer hohen Zuverlässigkeit individuell ausgestaltbar ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert. Vorzugsweise kann die zweite Materialkomponente alternativ oder zusätzlich auch flüssig vorliegen. So ist eine Ausrichtung der zumindest einen Faser in einer flüssigen zweiten Material komponente hoch flexibel vornehmbar. Weiterhin ermöglicht eine flüssige zweite Materialkomponente die Realisierung unterschiedlicher Dichten und Festigkeiten.

So ist es von Vorteil, wenn die Matrix aus der zweiten Materialkomponente und zumindest einer weiteren Materialkomponente aufgebaut ist. Dies bewirkt, dass die Eigenschaften der Matrix, etwa bezüglich der Festigkeit oder bezüglich der Abbaukinetik oder der biologischen Adaption, mittels Zugabe einer weiteren Komponente gezielt beeinflussbar sind.

Sobald die zweite Material komponente keramische phosphatbasierte Komponenten umfasst, ist eine hohe Festigkeit der Matrix, die eine Gerüstfunktion einnimmt, sichergestellt. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Implantats und dessen biologische Verträglichkeit.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Gesamtheit an Fasern zumindest zwei der Elemente der Gruppe aus Seide, Chitosan, Collagen, Polycaprolacton, Poly- DL-Lactide, Polylactid-co-Glycolid, Polyclycolide, Polyurethane und Polypropylen. Hierbei ist es sowohl möglich, dass eine Faser aus mehreren Werkstoffen aufgebaut ist, als auch dass einzelne Fasern den gleichen, jedoch untereinander unterschiedliche Werkstoffe aufweisen. Jedes einzelne der Elemente aus der vorstehenden Gruppe weist hierbei seine individuellen Vorteile auf, die aus der Materialwissenschaft bekannt sind. So ist die Wahl, welches beziehungsweise welche der Elemente zu wählen ist/sind, von den jeweiligen Rahmenbedingungen abhängig. Als Einflussfaktoren seien an dieser Stelle die Festigkeit, die biologische Verträglichkeit, die Wirtschaftlichkeit sowie das Volumen- und das Masseverhältnis der Faserkomponente zur Matrix angeführt.

Ein weiterer Vorteil entfaltet sich, wenn die Faser zumindest eine Erhöhung und/oder Vertiefung aufweist, um eine Interaktionsoberfläche zwischen der Matrix und der Faser zu erhöhen. Dies ermöglicht einen robusten Sitz der Faser in der Matrix. So hält das Implantat auch bei unerwartet hohen äußeren und inneren Krafteinwirkungen der Belas- tung stand.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind in der Matrix mehrere Festkörperpartikel angeordnet, die eine Steuerung einer Resorptionszeit ermöglichen, wobei die Festkörperpartikel einen Masseanteil von 5% bis 25% gemessen an der Masse des bioresor- bierbaren Materials / Implantats aufweisen. Je höher der Masseanteil der Festkörperpartikel in der Matrix, desto höher ist der zeitliche Einfluss, den sie ausüben. Hierbei ist abzuwägen, wieviel Masseprozent unter Einhaltung der Festigkeitsrahmenbedingungen und unter Beachtung der biologischen Eigenschaften einsetzbar sind. Dadurch, dass die zweite Matenalkomponente zum Zeitpunkt der Vermischung pulver- und/oder granulatartig ausgeformt ist, ist die Zumischung der Festkörperpartikel in der Herstellung des Implantats ohne hohen Zusatzaufwand realisierbar. Auch wenn eine Vermengung der einzelnen Material komponenten über eine generative, subtraktive und 3D-formgebende Fertigung ermöglicht ist, ist eine präzise und zuverlässige Herstellung des bioresorbierbaren Materials begünstigt. Das generative Schichtbauverfahren wird durch die Pulver- / Granulatform sowie die Fadenform begünstigt. Jene generative Fertigung bewirkt, dass Stützstrukturen, wie sie bei anderen Verfahren des Rapid-Prototyping nötig sind, entfallen, was sich unter anderem positiv auf die einzusetzende Materialmenge auswirkt.

Dies gilt analog auch für weitere 3-D-formgebende Verfahren, wie z.B. Compression Molding. Als weitere Möglichkeit zur Vermengungen der einzelnen Bestandteile bietet sich LCM („lithographic based Ceramic Manufacturing") oder Electrospinning an.

Weiterhin entstehen Vorteile, wenn die zum Zeitpunkt der Vermischung granulatartigen oder pulverförmigen Partikel der zweiten Materialkomponente nach einem vorbestimmten Zeitfenster eine ganzheitliche und ineinander übergehende Form annehmen. So entfällt jegliche Pulverform der zweiten Materialkomponente bei einer entsprechenden Nachbearbeitung, was sich begünstigend auf einen Kraftverschleiß innerhalb des Implantats auswirkt, da keine materialinternen Phasengrenzen mehr vorhanden sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthalten die zum Zeitpunkt der Vermi- schung granulatartigen oder pulverförmigen Partikel der zweiten Materialkomponente zumindest eines der Elemente der Gruppe aus Magnesium, Calcium, Hydroxylapatit, alpha- und/oder beta-Tricalciumphosphat und Kalk, um das Abbauverhaltung des bioresorbierbaren Implantats gezielt zu beeinflussen. Auf diese Wiese ist die Bioresorption des Implantats abhängig von einem Gesundheitszustand eines Patienten variabel an- passbar, um eine komplikationslose und rasche Heilung zu gewährleisten.

Ebenfalls Teil der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines bioresorbierbaren Implantats. Dieses weist verschiedene Schritte auf, die vorzugsweise zeitlich nachei- nander abgearbeitet werden. Nach einem Bereitstellen der Faser aus der ersten Materialkomponente folgt ein Bereitstellen von granulatartigen oder pulverförmigen Partikeln oder von Partikeln in einem flüssigen Zustand der zweiten Material komponente. Sind beide Material komponenten hinsichtlich der äußeren Bedingungen, wie ihrer Anordnung oder ihrer Temperatur, in einen Zustand gebracht, in dem sie für eine Vermischung bereit sind, findet diese statt, um aus der ersten Materialkomponente und der zweiten Materialkomponente das bioresorbierbare Implantat zu erhalten. Dieses weist eine dreidimensionale Geometrie auf und kann gegebenenfalls anschließend nachbearbeitet werden, um in seiner Form und/oder Oberflächenbeschaffenheit, komplementär zu dem zu ersetzenden Hartgewebe ausgestaltet zu sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist wahlweise durch einen Schritt eines Zumischens einer weiteren Komponente erweitert, um das Implantat hinsichtlich seiner Abbaukinetik, sowie seiner biologischen Interaktion mit dem Körper des Patienten zu optimieren.

Ebenso Teil der Erfindung ist, dass die zweite Materialkomponente die Faser der ersten Materialkomponente derart umgibt, dass eine dreidimensionale Ausdehnung und Geometrie des Implantats definiert ist. Diese Ausdehnung / Geometrie ist variabel ausgestaltbar und somit optimal an die sich ändernden Bedingungen anpassbar.

Erfindungsgemäß liegt der Faseranteil in Masseprozent des Implantats zwischen 5% und bis zu 95%. Besonders bevorzugt sind Ausführungen, in denen der Masseanteil bei 5%, 15%, 20%, 30 bis 55% oder 60 bis 95% liegt. Da die Dichte der unterschiedlichen Materialkomponenten nicht konstant ist, entspricht der Faseranteil in Volumenprozent nicht zwangsläufig dem in Masseprozent. In Volumenprozent beträgt der Faseranteil zwischen 5% und bis zu 95%. Besonders bevorzugt sind Ausführungen, in denen der Volumenanteil bei 5%, 15%, 20%, 30 bis 55% oder 60 bis 95% liegt.

Die Fasern sind dabei vorzugsweise so angeordnet, dass sie die Festigkeitseigenschaften des Implantats optimieren. Zusätzlich ist es möglich, das bioresorbierbare, faserverstärkte Implantat mit weiteren Materialien zu versehen. Diese sind vorteilhaft in partiku- lärer Form enthalten. Beispiele für jene Partikel seien mit Magnesium, Eisen, Barium, Strontium, Calcium, Hydroxylapatit, alpha- und/oder beta-Tricalciumphosphat und Kalk gegeben. Es ist hierbei möglich, dass alle Partikel aus dem Gleichen Element / Material aufgebaut sind oder dass die einzelnen Partikel unterschiedlich sind. Der jeweilige An- wendungsfall, also die Situation des Patienten, entscheidet darüber, ob und welche Partikel eingesetzt werden. Jeder dieser Zweitstoffe ist hierbei derart eingesetzt, dass er auf den natürlichen Knochenaufbau unterstützend wirkt.

Vorteilhaft beträgt der Anteil jener Partikel an der Gesamtmasse des Implantats zwi- sehen 5% und 25%, etwa 10%, 15% oder 20%.

Hinsichtlich seines Volumens sei der Anteil jener Partikel an der Gesamtmasse vorteilhaft mit 5% bis 25%, etwa 10%, 15% oder 20% bemessen. Die Festigkeit des Implantats, das Partikeln aufweist, hängt damit zusammen, welche Geometrien die Partikel aufweisen. Auch die Abbaukinetik wird hiervor beeinflusst. Vorzugsweise sind die Partikel im Wesentlichen kugelförmig ausgestaltet. Hierbei sind Kugeldurchmesser von 30μηη bis 60μηη üblich. Ebenso sind deutlich kleinere Kugeldurchmesser von 30nm bis 60nm erfindungsgemäß einsetzbar.

In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Partikeldurchmesser 1 μηη bis 10μηη, weiter bevorzugt 15μηη bis 25μηη und weiter bevorzugt 50μηη bis 150μηη. Der jeweilige Anwendungsfall, also die Situation des Patienten, entscheidet darüber, welche Partikelgröße eingesetzt wird.

Hinsichtlich der zumindest einen Faser ist ebenso die Geometrie variierbar. Bevorzugt weisen die Fasern eine Länge von 1 mm bis 10mm auf. In größeren Implantaten beträgt die Faserlänge 50mm bis 100mm. Die Faser weist in einer Ausführungsform einen kreisrunden Querschnitt auf. Dieser hat einen Durchmesser von rund 30μηη. Ebenso ist ein Faserdurchmesser von 10nm bis 1 μηη möglich. In einem weiteren Ausführungsbeispiel beträgt die Dimension des Faserdurchmessers 5μηη bis 15μηη und in noch einem weiteren Ι ΟΟμιτι bis 500μηη. Die Gesamtheit der Fasern setzt sich bevorzugt zu einem Faserkonstrukt zusammen, das z.B. netzartig zueinander orientiert ist. Hierbei ist diese Struktur in einer Ebene oder auch dreidimensional ausgestaltbar. Das Faserkonstrukt besitzt eine Ausrichtungsorien- tierung von einzelnen Teilfasern, welche miteinander netzartig verwoben sind.

Bevorzugt weisen die Fasern eine strukturelle Oberflächentopographie auf, um die Interaktionsfläche zwischen den einzelnen Fasern und der Matrix zu intensivieren / zu vergrößern. Dies erhöht die mechanische Stabilität / Robustheit / Festigkeit des erfin- dungsgemäßen Implantats.

Das vorstehend als Fasermaterial vorgestellte Chitosan zeichnet sich dadurch aus, dass es neben der verstärkenden Funktion auch eine antibakterielle Wirkung entfaltet. Durch die Vermengung der Partikel, wie Magnesium, Magnesium-Calcium-Zink (MgCaZn), Eisen, Barium, Strontium, Calcium, Hydroxylapatit, alpha- und/oder beta- Tricalciumphosphat und Kalk, mit den entsprechenden Fasern ist eine Zeitzone / eine zeitliche Entwicklung derart regulierbar, dass das Abbauverhalten des resorbierbaren Materials beschleunigt werden kann oder, je nach Bedarf, auch verlangsamt werden kann.

Erfindungsgemäß ist es ebenso möglich, Oberflächenmodifikationen vorzunehmen, um die antibakterielle Wirkung des Implantats zu verbessern und das Einwachsverhalten zu optimieren. Hierbei sind bevorzugt die Bestandteile Magnesium, Polyethylen, Polypro- pylen, Polyetheretherketon, Hydroxylapatit, alpha- und/oder beta-Tricalciumphosphat und Kalk zu modifizieren, um im Zusammenspiel mit den Fasern das gewünschte Verhalten des Implantats hervorzurufen.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert sind. Diese zeigen:

Fig. 1 : einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Implantat in einem Zustand kurz nach einer Vermischung; und Fig. 2: einen Schnitt gemäß Fig. 1 in einem späteren Zustand.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver- ständnis der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein bioresorbierbares Implantat 1 zum Ergänzen oder Ersetzen von Hartgewebe mit zumindest einer verstärkenden Faser 2. Diese Faser 2 wiederum weist erfindungsgemäß zumindest eines der Elemente der Gruppe aus Seide, Chitosan, Collagen, Polycaprolacton, Poly-DL-Lactide, Polylactid-co-Glycolid, Polyclycolide, Polyurethane und Polypropylen auf. Die Faser 2 ist in einem Matrixmaterial 3 eingebettet, um mit diesem ein solches Implantat 1 zu formen, das sowohl entlang der Längs- als auch entlang der Querrichtung hohe Festigkeitswerte aufweist. Das Matrixmaterial 3 ist zum Zeitpunkt der Vermischung mit der Faser 2 granulatartig oder pulverförmiug oder flüssig. Dies ist an den Phasengrenzen 4 in Fig. 1 erkennbar.

In Fig. 2 ist ein Zustand dargestellt, in dem die ursprünglich granulatartige Zusammensetzung des Matrixmaterials 3 vollends aufgehoben ist, sodass das Implantat 1 lediglich eine homogene Matrix 3 aufweist, in der verstärkende Fasern 2 angeordnet sind. In die- sem Zustand ist das Implantat 1 vorzugsweise in einen Patienten einsetzbar.

Die Formgestaltung ist hierbei flexibel ausführbar. So verdeutlichen die Figuren 1 und 2 lediglich die Materialzusammensetzung, während das übergeordnete Implantat 1 derart auszugestalten ist, dass es das zu stützende Hartgewebe komplementär ergänzt.

Die Bioresorption des Implantats 1 ist dadurch erhöht, dass in dem Zustand, der in Fig. 2 dargestellt ist keine Phasengrenzen 4 mehr auftreten.