Metall oder Metalllegierung gebildet sind Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von offenporösen Kno chenimplantaten aus Fasern, mit frei zugänglichen Leitstrukturen aus Fasern, die aus einem biokompatiblen Metall oder einer Metalllegierung gebildet sind. Bei dem Metall handelt es sich bevorzugt um Titan oder eine Titanlegie rung, also einem Metall, mit dem keine physiologischen Beeinträchtigung ei- nes Patienten auftritt oder zu befürchten ist.

Die Therapie größerer Knochendefekte ist nach wie vor ein nicht ausreichend gelöstes Problem in der Medizin. Dabei muss ein Implantat eine Leitstruktur für das Knochenwachstum darstellen und auch für ältere Patienten eine aus- reichende Zellbesiedelung erlauben, bei denen der Heilungsvorgang aufgrund von osteoarthritischer Vorerkrankungen, verringerter Zellaktivität oder dege nerierter Mikroarchitektur der Knochen stark verlangsamt ist. Gleichzeitig muss das Implantat schnell und zuverlässig die mechanische Festigkeit für eine schnelle postoperative Belastbarkeit gewährleisten und sollte biomecha nisch an die jeweilige Belastungssituation angepasst sein.

So werden üblicherweise zum Beispiel poröse Implantate mittels Selektivem Laserstrahlschmelzen hergestellt. Mit diesem Verfahren sind Strukturen in der Größenordnung von 20 pm allerdings nicht herstellbar.

Stand der Technik ist auch die Herstellung von Titanfaserstrukturen durch Sintern. In den veröffentlichten Ansätzen wird dabei beispielsweise die Sin terdichte durch Veränderungen derTemperatur-Zeit-Programme bei der Wärmebehandlung zum Sintern variiert. Titanstrukturen auf der Basis von Langfasern wurden ebenfalls schon hergestellt. Ungradierte poröse Titanfa serstrukturen wurden darüber hinaus durch das Sintern von Fasern mit Faser durchmessern von 70 pm - 120 pm und Porositäten von 40% - 80% mit den üblichen und typischen mechanischen Eigenschaften erreicht.

Der mögliche Nutzen für die Chirurgie von nichtgradierten und ungeordneten Gewebestrukturen wurde bereits nachgewiesen. Tierstudien zeigten beim Einsatz solcher Körper als Wirbelkörperersatz ein besonders gutes Einwachs verhalten. Dabei haben eine erhöhte Porosität und größere Porengrößen ei nen positiven Einfluss auf die Osteoinduktivität. In weiteren Untersuchungen wurde gezeigt, dass hochporöse Titanfaserstrukturen mit 60%, 78% und 87% Porosität ein verbessertes Einwachsverhalten bewirken. Insbesondere konnte bei einer Porosität von 87% eine geringere Differenzierung in Osteoklasten beobachtet werden. Bekannt ist, dass gesinterte Faserstrukturen eine stark anisotrope Struktur mit ebenso anisotropen Eigenschaften aufweisen können.

Es konnte auch nachgewiesen werden, dass mit nichtmetallischen porösen Materialien eine strukturelle Gradierung von Biomaterial ein Erfolgsfaktor für das Einwachsen des Knochens sein kann. Dazu konnten entsprechende Nach weise an gradierten HA-Scaffolds (Hydroxylapatit) geführt werden. Gradierun gen in metallischen Faserstrukturen wurden in der Vergangenheit durch un terschiedliche Pressvorgänge in Verbindung mit variablen Sinterbedingungen realisiert. Die so hergestellten Strukturen bieten nur wenige Möglichkeiten für eine gezielte Strukturbeeinflussung. Außerdem haben gesinterte poröse Faserstrukturen bisher nur eine begrenzte mechanische Festigkeit. Eine Berücksichtigung von bestimmten Belastungen im implantierten Zustand, die insbesondere auch richtungsabhängig sein kön nen, ist bislang nur unzureichend erfolgt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Knochenimplantate zur Verfügung zu stel len, die ein gutes Einwachsverhalten und eine verbesserte, insbesondere auch richtungsabhängige Festigkeit aufweisen, wenn sie implantiert werden und implantiert worden sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zuerst lange Fasern des Me talls oder der Metalllegierung in mehreren Lagen jeweils in Form eines Vlie ses, bei dem die Fasern in jeder Lage in einer gemeinsamen bevorzugten Achsrichtung ausgerichtet sind, angeordnet.

Als Ausgangsprodukt für den Aufbau der porösen Strukturen kann man ge streikte Fasern in Form von vernadelten Vliesen mit einem definiert einstell baren Flächengewicht einsetzen. Die Herstellung dieser Vliese kann wie folgt erfolgen:

Das Strehlen ist ein mechanisches Herstellungsverfahren zur Erzeugung von metallischen Langfasern. Hierbei werden mit speziell geformten statischen Schneidmessern, an denen ein Ausgangsdraht mit ca. 3 mm Durchmesser ge führt wird, Langfasern im Bereich von 60 pm bis 100 pm Durchmesser abge spant, aufgenommen und zu einer Rolle (Coil) aufgerollt.

Lange Fasern sollten eine Mindestlänge von 20 mm, bevorzugt 50 mm und besonders bevorzugt von mehr als 70 mm aufweisen.

Dieses Vlies von ca. 100 mm Breite kann anschließend wieder abgerollt wer- den. Der Ausgangsdraht kann mehrfach umgelenkt und an den Messern bis zu einer Breite von 100 mm geführt werden. Aus einem Vlies erhaltene Lagen können in Stücke mit jeweils definierter Länge geschnitten werden. Diese Ab schnitte werden übereinandergelegt und anschließend auf einer Maschine vernadelt.

Im Begriff „Vernadeln" sind auch Verfahren zur vertikalen Vernetzung inbe griffen, die auf Basis von Wasserstrahlen funktionieren. Ein solches Verfahren könnte ebenfalls zur vertikalen Vernetzung von Fasern genutzt werden. Mit der kinetischen Energie eines oder mehrerer lokal auf ein Faservlies ausge richteter Wasserstrahlen können einzelne Fasern in diesem Bereich in ihrer Achsausrichtung verändert werden. Dadurch kann die Lage einzelner Fasern modifiziert werden und damit von der bevorzugten Achsrichtung der jeweili gen Lage abweichen. Bevorzugt können vernadelte Fasern senkrecht zur be vorzugten Achsrichtung der Fasern der jeweiligen Lage ausgerichtet werden, so dass diese Fasern von einer Oberfläche über die gesamte Dicke einer Lage und ggf. darüber hinaus ausgerichtet werden. Durch eine Vernadelung kön nen auch mehrere übereinander angeordnete Lagen formschlüssig miteinan der verbunden werden.

Anstelle von Wasserstrahlen sind auch mechanische Techniken für ein Verna deln einsetzbar.

Bei der mechanischen Vernadelung können auf einem Halter fixierte Nadeln in den Faserstapel eintauchen und drücken einige Fasern in den Faserstapel mit bevorzugter Achsrichtung ein. Am unteren Ende der Nadeln befindet sich ein Widerhaken, der beim Herausfahren der jeweiligen Nadel Fasern wieder in die entgegengesetzte Richtung zieht.

Durch Relativbewegungen der Nadeln können sich Verhakungen bilden, so dass sich ein verfestigtes mehrlagiges Vlies mit einer vorbestimmten Flä chenmasse in Form einer Lage hersteilen lässt. Die Flächenmasse eines Im plantats kann je nach Lagenanzahl eingestellt werden.

Die Ausgangsstrukturen für die Implantatherstellung können durch das Sta peln von mehreren vernadelten Lagen in verschiedenen Ausrichtungen der Fasern erhalten werden. Jedes einzelne vernadelte Vlies kann mit Langfasern mit überwiegend paralleler Ausrichtung der Fasern untereinander gebildet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in mindestens einer der Lagen eine Vernadelung durchgeführt, bei der einzelne Fasern der jeweiligen Lage in eine Achsrichtung ausgerichtet werden, die sich um mindestens 60°, bevor zugt um 90° von der bevorzugten Achsrichtung, in der die anderen Fasern der Lage ausgerichtet sind, unterscheidet. Mit den so bei der Vernadelung ausge richteten Fasern kann eine Verfestigung des Vlieses erreicht werden, da diese Fasern von einer Oberfläche einer Lage bis zumindest in die unmittelbare Nä he der gegenüberliegend angeordneten Oberfläche geführt werden können und dadurch eine Verbindung über die zumindest nahezu gesamte Dicke der jeweiligen Lage erreicht werden kann.

Die übereinander angeordneten Lagen werden dann in einer Heizeinrichtung unter geeigneten Atmosphärenbedingungen punktuell über Sinterbrücken an Fasern stoffschlüssig durch eine Sinterung miteinander verbunden. Eine punk tuelle Versinterung von Fasern kann auch in den Fasern einer Lage erreicht werden, was insbesondere auf Fasern, die bei einer Vernadelung eine Rich tungsänderung erfahren haben, mit Fasern die in der bevorzugten Achsrich tung ausgerichtet sind, zutrifft.

Eine bevorzugte Achsrichtung der Fasern einer Lage kann dabei bedeuten, dass die Fasern in der jeweiligen Lage, soweit dies mit entsprechendem Auf wand möglich und realisierbar ist, zumindest nahezu parallel zueinander aus gerichtet sein sollten.

Es sollten Fasern eingesetzt werden, die eine ausreichende Länge aufweisen. Die Mindestlänge sollte dabei bei mindestens 70% der Länge eines herzustel lenden Implantats betragen. Größere Faserlängen sind jedoch zu bevorzugen. Dies betrifft insbesondere Anwendungsfälle, bei denen Implantate aus einem Halbzeug hergestellt oder Lagen, welche vorab in Form einer Rolle vorbereitet worden sind. Es können zwei oder auch mehr als zwei Lagen übereinander angeordnet werden. Vorteilhaft kann in jeder der Lagen eine Vernadelung durchgeführt werden. Bei einer Vernadelung sollten mindestens 2% der Fasern einer Lage in ihrer Ausrichtung verändert worden sein.

Vorteilhaft können auch mindestens zwei unmittelbar übereinander angeord nete Lagen miteinander vernadelt werden, indem Fasern einer Lage in Fasern einer anderen Lage hineingedrückt und entsprechend ausgerichtet werden.

Es können auch Lagen, deren bevorzugte Achsrichtung, in der die jeweiligen Fasern ausgerichtet sind, sich um mindestens 45° voneinander unterscheidet, übereinander angeordnet werden. Dadurch kann die Festigkeit eines mit so ausgerichteten Fasern gebildeten Implantats positiv beeinflusst werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass Lagen mit unterschiedlicher Dichte, in der die Fasern angeordnet sind, unterschiedlicher Porosität und/oder unter schiedlicher Dicke übereinander vor dem Sintern angeordnet werden. So kann ein gradierter Aufbau mit Bereichen erhöhter Festigkeit und Bereichen mit erhöhter Porosität und geringerer Festigkeit erhalten werden.

Beim Sintern ist es vorteilhaft, dass die übereinander angeordneten Lagen von zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen, die senkrecht zu den bevorzugten Achsrichtungen in denen die Fasern der Lagen ausgerichtet sind, vor und wäh rend der Sinterung mit Druckkraftwirkung beaufschlagt werden. Dadurch kann man das Sinterverhalten positiv beeinflussen, da Fasern während des Sinterns direkt aneinander gedrückt werden und ein besserer punktueller Kontakt an sich berührenden einzelnen Fasern erreicht werden kann. Im ein fachsten Fall kann man die übereinander angeordneten Lagen zwischen aus reichend festen und temperaturstabilen Deck- und Auflagen, beispielsweise geeigneten Sintersubstraten anordnen und zusätzlich eine Gewichtsauflage mit ausreichender Masse auf diesen Stapel zur Unterstützung während der Sinterung verwenden.

Während der Sinterung sollte eine konstante Gesamtdicke der übereinander angeordneten Lagen eingehalten werden, so dass eine vorgegebene Dicke für Implantate eingehalten werden kann, dazu kann man Abstandshalter erset zen, die zwischen den Sintersubstraten angeordnet werden können.

Mit den übereinander angeordneten und miteinander versinterten Lagen kann ein Halbzeug hergestellt werden. Aus dem Halbzeug kann dann mindes tens ein Knochenimplantat mit einem Trennverfahren aus dem jeweiligen Halbzeug herausgetrennt und in Form gebracht werden.

Das Trennen kann durch konventionelle mechanische Bearbeitungsverfahren erfolgen. Dabei kann das Halbzeug vor dem Trennen in seinem Inneren mit einem Infiltrat gefüllt und das Trennen nach dem Aushärten des Infiltrats durchgeführt und im Anschluss an das durchgeführte Trennen das Infiltrat wieder entfernt werden. Als Infiltrat kann man beispielsweise ein nicht ver netzendes Polymer oder Hartwachs einsetzen. Die Infiltrate können chemisch mit einem organischen Lösemittel oder mit einer thermischen Behandlung, die in einer Luftatmosphäre durchgeführt werden kann, entfernt werden. Bei der thermischen Behandlung sollte eine maximale Temperatur von 390 °C nicht überschritten werden.

Mit dem erfindungsgemäß hergestellten Implantatmaterial können biome chanisch belastungsoptimierte Strukturen mit definierten gerichteten Leit strukturen für das Einwachsen von Knochenzellen zur Verfügung gestellt wer den. Werkstofftechnisch ist der Goldstandard für Implantate Titan, das eine sehr hohe mechanische Festigkeit und gute Ermüdungseigenschaften mit ho her Biokompatibilität verbindet.

Durch die Verwendung von insbesondere Titan-Langfasern kann durch defi nierte Vorzugsrichtungen der Faserausrichtung die Realisierung definierter anisotroper Eigenschaften in einer horizontalen Ebene ermöglicht werden.

In vertikaler Richtung können gradierte Porenstrukturen durch lagenweise Schichtung von Lagen mit unterschiedlichen bevorzugten Achsrichtungen der jeweiligen Fasern erhalten werden. Das aus der lagenweisen Herstellung ei nerseits und teilweise geringen Dichte andererseits hervorgerufene ungelöste Problem der verringerten Scherfestigkeit kann mit der Erfindung durch geziel tes, nahezu vertikales Vernadeln und anschließendes Versintern der anisotro- pen und gradierten Volumenkörper erreicht werden.

Durch die lagenweise Schichtung von Fasern mit verschiedenen Faserdicken und unterschiedlichem Grad der vertikalen Vernetzung kann eine komplexe mechanische Antwort auf äußere Belastungssituationen erreicht werden. Da bei können auch sehr dünne Fasern mit Durchmessern < 20 pm verarbeitet und dadurch so gradierte Porenstrukturen mit entsprechend kleinen Struktur größen realisiert werden, die mit anderen Verfahren in dieser Form nicht her stellbar sind.

Mit einer solchen Kombination horizontaler und vertikaler Strukturierung können gerichtete Leitstrukturen mit sehr feinen Porenstrukturen ausgebildet werden, was durch gerichtete Kapillarkräfte zu einer verbesserten inneren Benetzung durch Körperflüssigkeiten führt und damit die Besiedelung mit Zel len erleichtert. Die Ausrichtbarkeit der Fasern in den einzelnen Lagen führt zu definierten anisotropen mechanischen Eigenschaften, so dass die mechani sche Antwort des fertigen Implantats auf äußere Belastungskräfte zu Vorzugs richtungen der entstehenden Mikroverformungen führen kann. Diese elasti schen und mikroplastischen Verformungen führen infolge der mechan- operzeptiven Eigenschaften der Knochenzellen zur gerichteten Knochenneu bildung und Neovaskularisierung. Damit erlaubt die in horizontaler und verti kaler Richtung gezielt einstellbare, komplex gradierte Mikrostruktur eine ge zielt einstellbare Wachstumsrichtung von Knochenzellen im Implantatmateri al.

Durch die einstellbaren anisotropen mechanischen Eigenschaften auf der Ba sis von geschichteten, vernadelten und gesinterten Metallfasersträngen ergibt sich der Vorteil eines neuartigen Ansatzes zur Herstellung von Implantaten, die sowohl strukturell als auch mechanisch und biologisch besonders bei Vor liegen von verlangsamten Heilungsvorgängen optimierbar sind. Durch die an passbare Steifigkeit zwischen Biomaterialien und dem umgebenden Knochen an der Implantationsstelle, besonders in Regionen mit hoher mechanischer Belastung, kann dem Stress-Shielding-Effekt individuell entgegengewirkt wer den.