Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit einem Gerüst aus schalenartigen Strukturen und einem interkonnektierenden Porensystem, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs aus miteinander über Stege verbundenen Formkörpern, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit einem Gerüst aus schalenartigen Strukturen, dessen interkonnektierendes Porensystem mit über Stege ver¬ bundenen Formkörpern gefüllt ist, mit diesen Verfahren her¬ stellbare Werkstoffe sowie deren Verwendung als Knochener- satzwerkstoff, Kunstknochen, Implantat, Filter und "drug delivery System" .

Verlorener Knochen, beispielsweise als Folge von Unfalltrau¬ men oder nach Resektion von Tumoren, nach Infektionen oder durch idiopathisch sich entwickelnde Knochenzysten, stellt seit langem ein großes Problem für die Chirurgen dar. So wurde beispielsweise versucht, Knochen künstlich zu erset¬ zen, Tierknochen zu verwenden, Tierknochen entsprechend so aufzubereiten, daß er beim Menschen nach seinem Einsatz nicht abgestoßen wird oder auch Knochen von Menschen in Ge¬ friertruhen zu konservieren und als gefrorenen homologen Knochen einzusetzen.

Für die Aufbereitung von Tierknochen für die Verwendung beim Menschen gibt es vielfältige Methoden. Beispielsweise wurde auch Elfenbein verwendet. Ein Knochenersatz, der besonders weit verbreitet Eingang in die Chirurgie gefunden ist, ist der sogenannte "Kieler Knochenspan" .

Alle chemisch aufbereiteten heterologen Transplantate vom Tier werden jedoch unvollständig oder gar nicht in den Wirtsknochen eingebaut. Der Bankknochen führt sehr oft zu

Infektionen, u.a. zu Aids-Infektionen, mit tödlichem Aus¬ gang. Frische homologe Knochentransplantate sind in noch weit höherem Maße von derartigen Komplikationen betroffen. Hierbei können sogar Tumoren transplantiert werden. Es wurde daher immer wieder versucht, Knochenersatzwerkstoffe und Me¬ thoden zu entwickeln, durch die die Nachteile der Immunreak¬ tion und der Übertragung von Krankheiten vermieden werden können.

In der DE-A-39 03 695 wird ein Verfahren zur Herstellung von als Knochenersatzmaterial verwendbarer resorbierbarer Kera¬ mik auf der Basis von Tricalciumphosphat beschrieben, bei dem natürliches, von Weichteilen befreites Knochenmaterial als Ausgangsmaterial verwendet wird. Aus dem Knochenmaterial wird durch Pyrolyse restliche organische Substanz entfernt, und das verbleibende, aus Hydroxylapatit bestehende Knochen¬ material wird anschließend mit Phosphatträgern behandelt, und dann einer Sinterung unterzogen. Dieses bovine geglühte Knochenmaterial zeigt auch gute Einheilungseigenschaften.

Die genannten Werkstoffe tierischen Ursprungs können jedoch die an Knochenersatzmaterial in bezug auf die Reproduzier¬ barkeit der Struktur gestellten Forderungen, insbesondere im Hinblick auf die Materialfestigkeit und auf die Standardi- sierbarkeit des Herstellungsverfahrens, nicht erfüllen und sind außerdem sehr teuer in der Herstellung. Es ist deshalb in der Medizin wünschenswert, die verwendeten Werkstoffe, beispielsweise Knochenersatzwerkstoffe, voll synthetisch herzustellen. Diese Werkstoffe sollten bei einem Minimum an Material ein Höchstmaß an Festigkeit garantieren und die verschiedensten Eigenschaften für die verschiedensten Indi¬ kationen zur Verfügung stellen. Beispielsweise ist es wün¬ schenswert, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem einer¬ seits knochenähnliche trabekuläre Strukturen, d.h. ein "Po¬ sitiv" des Knochens, und andererseits ein "Negativ" des Kno¬ chen, d.h. formgebende Negativformen der Markräume des Kno¬ chens herstellbar sind. Durch ein derartiges Verfahren

könnte einerseits Knochen in seiner physiologischen Struktur nachgebildet und es könnten andererseits, durch das Negativ, Stütz- und Leitgerüste vorgegeben werden, die vom Knochen umwachsen werden und sehr rasch in der Lage sind, hohe Bela¬ stungen aufzunehmen.

In der DE-A-40 33 291 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem sich die genannten Forderungen in mancher Beziehung errei¬ chen lassen. Bei diesem Verfahren werden zunächst vorzugs¬ weise kugelförmige Formkörper zu einem dreidimensionalen Formkörper-Konglomerat miteinander verbunden, danach wird ein sich vom Material der Formkörper unterscheidendes Mate¬ rial um die Formkörper herum geformt, um ein dreidimensiona¬ les Gerüst auszubilden, und anschließend werden die Formkör¬ per entfernt, so daß lediglich das dreidimensionale Gerüst verbleibt. In anschließenden Verfahrensschritten kann das durch das Entfernen der Formkörper entstandene Hohlraum¬ system erneut beispielsweise mit einer Keramikmasse gefüllt und anschließend das dreidimensionale Gerüst entfernt wer¬ den. Mit diesem Verfahren läßt sich somit sowohl ein "Posi¬ tiv" des Knochens als auch das vorstehend beschriebene "Ne¬ gativ" herstellen. Die Herstellung des als Ausgangsmaterial dienenden Formkörper-Konglomerats (Negativ) ist jedoch recht aufwendig und nicht in jedem Falle reproduzierbar.

Aus der DE-A-22 42 867 ist ein Verfahren zur Herstellung im¬ plantierbarer, poröser, keramischer Knochenersatz-, Kno¬ chenverbund- oder Prothesenverankerungswerkstoffe bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein in etwa den Poren und Porenverbindungen des fertigen Werkstoffes entsprechendes "Hilfsgerüst" aus Kugeln hergestellt, das danach mit einer gießfähigen keramischen Masse ausgegossen wird. Nach dem zu¬ mindest teilweisem Aushärten der keramischen Masse wird schließlich das Hilfsgerüst abgebaut und entfernt. Das zur Herstellung des anfänglichen Hilfsgerüsts aus Kugeln be¬ schriebene Verfahren ist jedoch allenfalls unter großem Auf¬ wand zu standardisieren und kaum reproduzierbar.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, Werkstoffe und Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die es ermöglichen, einerseits einen Werkstoff mit einem dreidimen¬ sionalen Gerüst aus schalenartigen oder trabekulären Struk¬ turen als Positiv und andererseits auch dessen Negativ, d.h. einen Werkstoff aus miteinander verbundenen Formkörpern, so¬ wie eine Kombination aus diesen beiden Werkstoffen bereitzu¬ stellen, wobei sowohl die Porosität und die Dicke der tra¬ genden Strukturen des Positiv-Werkstoffes als auch die Kon¬ figuration der Formkörper und deren Verbindungen im Negativ- Werkstoff unter Berücksichtigung der jeweils geforderten Eigenschaften, wie Formstabilität und Resorbierbarkeit, nach den jeweiligen vorgegebenen Bedürfnissen exakt und reprodu¬ zierbar einstellbar sind.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, derartige Werkstoffe und Verfahren zu deren Herstellung bereitzustel¬ len, welche erhöhte Festigkeit und/oder Durchlässigkeit auf¬ weisen.

Diese Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung ge¬ löst. Die Erfindung löst somit ein altes Problem in der Werkstoffherstellung, insbesondere in der Herstellung von Werkstoffen für die Medizin. Mit dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren läßt sich ein poröser Werkstoff mit einem durchgehend porösen Gerüst mit einer einstellbaren Porosität und einer einstellbaren Festigkeit sowie jeweils den Bedürfnissen an¬ gepaßten Materialeigenschaften, wie Löslichkeit und Resor¬ bierbarkeit, einfach und reproduzierbar herstellen, wobei das Porensystem gegebenenfalls mit einem unterschiedlichen Material gefüllt sein kann.

Der erfindungsgemäße Werkstoff als "Positiv", d.h. als dem Knochen nachgebildeter Werkstoff, weist ein dreidimensiona¬ les Gerüst aus tragenden, schalenartigen Strukturen auf, die miteinander in Verbindung stehende und vorgebbar einstell-

bare Hohlräume umschließen. Diese Hohlräume sind insbeson¬ dere dadurch vorgebbar einstellbar, daß der im fertigen Werkstoff durch die Hohlräume eingenommene Raum zunächst während des Herstellungsverfahrens des Werkstoffs durch Formkörper als Platzhalter eingenommen wird, wobei die Form¬ körper je nach den Anforderungen an das Porensystem in ge¬ eigneter Weise ausgewählt und in einer Form angeordnet wer¬ den. Der erfindungsgemäße Werkstoff als "Negativ", der bei¬ spielsweise als Implantat verwendbar ist, weist einen drei¬ dimensionalen Verbund aus Formkörpern auf, die über ein¬ stellbar breite und lange Stege miteinander verbunden sind. Die Form und Ausbildung dieser "Stege" wird nachstehend nä¬ her erläutert. Der Werkstoff als Positiv ist dadurch her¬ stellbar, daß das Gerüst um als Platzhalter für die Hohl¬ räume dienende deformierbare Formkörper, die ein "Negativ" bilden, ausgebildet und die Formkörper anschließend entfernt werden.

Der fertige Werkstoff als Negativ ist durch Ausgießen des Gerüsts, -h- des Positivwerkstoffes, und anschließendes Entfernen des Gerüsts herstellbar.

Je nach Materialwahl ist es auch möglich, um diesen fertigen Negativwerkstoff erneut ein Gerüst auszubilden, z.B. durch Ausgießen mit einem gießfähigen Material, und nach dem Ver¬ festigen des gießfähigen Materials das Negativ zu entfernen. Der auf diese Weise hergestellte Positivwerkstoff entspricht in seiner äußeren Form dem Gerüst des vorstehend beschriebe¬ nen Positivwerkstoff, kann jedoch aus einem anderen Material bestehen.

Durch Kombination verschiedener Materialien sind somit sowohl Positiv- als auch Negativ-Werkstoffe aus den ver¬ schiedensten resorbierbaren und nicht-resorbierbaren Mate¬ rialien herstellbar. Der erfindungsgemäße Werkstoff kann beispielsweise als Kunstknochen, als Implantat, als Filter und als drug delivery System verwendet werden.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffes in der Fil¬ tertechnologie ist deshalb besonders vorteilhaft, da jede beliebige Porosität einstellbar ist und außerdem ein makroskopisch großporiges Filtersystem mit einem mikropo¬ rösen Filtersystem kombiniert werden kann, wenn der Grund¬ werkstoff selbst porös ist. Makro- und Mikroporosität können außerdem teilweise oder vollständig mit einem aktiv absor¬ bierenden Material gefüllt werden.

Für bestimmte Anwendungen kann es auch wünschenswert sein, einen Werkstoff bereitzustellen, bei dem Positiv und Negativ aus unterschiedlichen Materialien gemeinsam vorliegen, bei¬ spielsweise einen Werkstoff mit einem Metallgerüst aus schalenartigen Strukturen, dessen interkonnektierendes Po¬ rensystem, d.h. das "Negativ" mit einer keramischen Masse, wie Tricalciumphosphat oder Hydroxylapatit, gefüllt ist. Bei Verwendung eines derartigen Werkstoffs, beispielsweise als Implantat, wächst der Knochen zunächst gut an die Keramik an, und es. kann sich ein Primärverbund zwischen Knochen und Keramik ausbilden. Das weitere Einwachsen des Knochens wird durch die osteokonduktive Wirkung der Keramik ebenfalls be¬ günstigt. Vorzugsweise wird hierbei eine resorbierbare Kera¬ mik verwendet, die Keramik kann jedoch auch nicht resorbier¬ bar sein. Der Werkstoff aus Positiv und Negativ kann gegebe¬ nenfalls auch eine höhere Festigkeit als der reine Positiv- Werkstoff aufweisen.

Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren wer¬ den vorzugsweise deformierbare Formkörper verwendet. Für die Formkörper bevorzugt ist ein Material, ^' das einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul aufweist und unter Druck relativ leicht verformbar ist. Die Formkörper, die als Platzhalter für das Hohlraumsystem des fertigen porösen Werkstoffes die¬ nen, weisen vorzugsweise die Form von Kugeln auf, können aber auch Ellipsoide, Granulatkörper oder Vielecke sein oder aus Mischungen derartiger Formkörper bestehen. Das Material

für die Formkörper wird derart gewählt, daß die Formkörper sich später während des weiteren Verfahrens leicht wieder herauslösen lassen, beispielsweise auf chemische oder physi¬ kalische Weise.

Die Formkörper werden zunächst in eine Form gefüllt und ge¬ gebenenfalls gerüttelt und bilden eine Schüttung. Hierbei werden die Formkörper vorzugsweise noch nicht wesentlich de¬ formiert. Es ist auch nicht erforderlich, daß die Formkörper chemisch oder physikalisch miteinander verbunden werden. Vielmehr genügt es, daß die Formkörper bei Befüllen der Form mit einem gieß-, spritz- oder schüttfähigen Material ausrei¬ chend aneinandergedrückt werden, was beispielsweise durch geeignete Einstellung des Einspritzdrucks des Materials oder durch Druckerzeugung auf andere Weise leicht steuerbar ist. Durch die Druckbeaufschlagung werden die Formkörper leicht aneinandergepreßt und/oder deformiert. Durch die Stärke der Druckbeaufschlagung läßt sich der Grad der Verformung der Formkörper und damit auch die Breite bzw. die Querschnitts- fläche von . deren Kontaktstellen und deren Gesamtkonfigura¬ tion, die später im fertigen porösen Werkstoff dem interkon¬ nektierenden Porensystem entspricht, leicht und präzise ein¬ stellen und steuern. Zwar ist auch in der DE-A-40 33 291 die Einstellbarkeit des dreidimensionalen Gerüsts aus bälkchen- artigen Strukturen beschrieben; mit dem erfindungsgemäße Verfahren läßt sich aber beim Negativmodell die Breite bzw. der Querschnitt der Stege, durch die die Formkörper mitein¬ ander verbunden sind, viel feiner und reproduzierbarer ein¬ stellen, da der Auflagedruck zwischen den einzelnen Formkör¬ pern nicht von Luft und anderen Fehleinschlüssen beeinflußt wird, wie es der Fall ist, wenn die einzelnen Formkörper miteinander chemisch oder physikalisch zu einem Formkörper¬ konglomerat verbunden werden. Wenn in diesem Zusammenhang der Begriff "Stege" verwendet wird, ist damit generell die Verbindung zwischen zwei benachbarten und miteinander in Be¬ rührung stehenden Formkörpern gemeint. Je stärker die Form¬ körper deformiert und gegeneinander gedrückt werden, um so

größer ist unter ansonsten unveränderten Voraussetzungen der Querschnitt der Verbindung bzw. des "Stegs" zwischen den beiden Formkörpern. Durch die reproduzierbare Einstellbar- keit der Verbindungen zwischen den einzelnen Formkörpern im erfindungsgemäßen Verfahren ist somit auch die interkonnek- tierende Porosität, d.h. die Anordnung der Poren und deren Verbindungskanäle, im fertigen porösen Werkstoff sehr fein und reproduzierbar einstellbar, da die Formkörper und deren Verbindungsstege als Platzhalter für die Poren und deren Verbindungen bzw. Durchtrittsöffnungen dienen. Es ist auch sichergestellt, daß im fertigen Werkstoff die Porosität interkonnektierend ist, d.h., daß die einzelnen Poren je¬ weils durchgehend miteinander in Verbindung stehen. Das er¬ findungsgemäße Verfahren zeichnet sich gerade durch die Re¬ produzierbarkeit und Standardisierbarkeit der Herstellung aus, mit dem Ergebnis einer absolut gleichmäßigen und mit einer geringen Streuung behafteten Struktur, sowie durch die weitaus einfachere und kostengünstigere Herstellung des er¬ findungsgemäßen Werkstoffes. Es hat sich gezeigt, daß der erfindungsgemäße Werkstoff trotz seiner besseren Reprodu¬ zierbarkeit und Standardisierbarkeit in einem Bruchteil der Zeit hergestellt werden kann, wie ein Werkstoff gemäß der DE-A-40 33 291.

Die einfache Durchführbarkeit der Herstellung eines erfin¬ dungsgemäßen Werkstoffes beruht auf der Verwendung von leicht herauslösbaren deformierbaren Formkörpern, die nicht miteinander verbunden werden müssen, sondern einfach gegen¬ einander gepreßt werden, beispielsweise durch den Einspritz- druck des eingespritzten Materials, wobei sich in Abhängig¬ keit vom Druck des eingespritzten Materials die Breite bzw. der Querschnitt des "Stegs" zwischen den Formkörpern in dem Formkörperverbund reproduzierbar bestimmen und einstellen läßt, wodurch im fertigen porösen Werkstoff eine standardi¬ sierte interkonnektierende Porosität erzeugt werden kann.

Als Material für die deformierbaren Formkörper wird vorzugs¬ weise ein schäumbarer Kunststoff verwendet. Besonders bevor¬ zugt ist ein Schaumstoff aus expandierbarem Polystyrol (EPS) , es können aber auch alle anderen geschäumten oder hohlkugelförmigen Kunststoff-Formkörper verwendet werden, die die geeignete Deformierbarkeit und leichte Löslichkeit aufweisen. Die Löslichkeit der Formkörper kann auch durch ihre Porosität (Mikroporosität) gesteuert werden.

Vorzugsweise weisen die deformierbaren Formkörper eine Größe zwischen etwa 200 μm und mehreren mm auf, beispielsweise bis zu 5 mm, besonders bevorzugt eine Größe zwischen 200 μm und 3000 μm, zwischen 500 μm und 3000 μm oder zwischen 1000 μm und 2000 μm. Bevorzugt wird eine bestimmte Größenfraktion von Formkörpern verwendet, die beispielsweise durch Sieben oder aufgrund ihres Herstellungsverfahrens ausgewählt wird, beispielsweise eine Größe von etwa 1000 μm. Durch Wahl der Größe der Formkörper läßt sich die Porosität des fertigen porösen Werkstoffes reproduzierbar, exakt und standardisier¬ bar einstellen, auch kleine Poren bis zu einer Porengröße von weit unter 500 μm, beispielsweise bis zu 200 μm.

Es ist auch möglich, als Ausgangsmaterial des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens eine Mischung von Formkörpern verschiedener Größe und/oder verschiedener Morphologie zu verwenden.

Als Material für die Formkörper lassen sich gegebenenfalls auch andere Substanzen verwenden, wie Wachs, Gele, Paraf¬ fine, Kollagene, chitinähnliche Substanzen oder Gemische aus solchen Substanzen, gegebenenfalls mit Bindemitteln mit gel- artigem Charakter. Die Formkörper können auch aus einem Ver¬ bund aus feindispersem Material mit einem leicht löslichen hydrophilen oder hydrophoben Bindemittel bestehen, wobei sich das Bindemittel chemisch leicht herauslösen läßt.

Vorzugsweise weisen die einzelnen Formkörper selbst eine Mikroporosität auf, die zwischen 1 und 40 %, vorzugsweise zwischen 15 und 25 % liegt.

Das Material, das um die deformierbaren Formkörper herum ge¬ formt wird, sollte gieß-, spritz- oder schüttbar sein, ins- besonder unter Druck. Wenn in der vorliegenden Beschreibung von "gießfähigem" Material die Rede ist, ist darunter jedes gieß-, spritz- oder schüttbare Material zu verstehen. Als gießfähiges Material können die verschiedensten Materialien verwendet waren, je nach Verwendungszweck und je nachdem, ob das gießfähige Material nur eine Zwischenstufe im Herstel¬ lungsverfahren bildet und später wieder herausgelöst wird, oder ob das gießfähige Material einen Teil des fertigen Werkstoffes bildet, beispielsweise das Gerüst aus schalenar¬ tigen Strukturen (Positiv) oder die miteinander über Stege verbundenen Formkörper des fertigen Werkstoffs (Negativ) . Beispielsweise können als Material sowohl für das fertige Positiv als auch für das fertige Negativ Keramik- oder Kera¬ mikverbundwerkstoffe verwendet werden, vorzugsweise derar¬ tige Materialien, die hohe Dichte aufweisen und einer Sin¬ terung unterzogen werden können. Beispielsweise können der¬ artige Keramikwerkstoffe verwendet werden, die nach der Sin¬ terung sehr leicht vom Körper resorbiert werden. Es können aber auch Keramikmaterialien hoher Dichte verwendet werden, die nach der Sinterung kaum oder nur sehr langsam resorbiert werden. Bevorzugte Keramikmaterialien sind Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat und deren Gemische. Hydroxylapatit und Tricalciumphosphat sowie deren Gemische können vorzugsweise mit Bindemitteln, wie Agarose, Agar-Agar, Chitosan oder Ge¬ len versetzt werden, beispielsweise im Verhältnis 10:90 bis 70:30, vorzugsweise etwa 50:50.

Als gießfähiges Material bzw. als Material für das schalen¬ artige Gerüst (Positiv) oder die über Stege verbundenen Formkörper (Negativ) können aber auch verschiedene andere Materialien verwendet werden, beispielsweise gießbare und

spritzbare Kunststoffe, die sowohl resorbierbar als auch nicht resorbierbar sein können, Polylaktate, Polyglycolate, resorbierbare Polyaminosäuren sowie deren Gemische, Kolla- gene oder ähnliche im Körper resorbierbare bzw. auflösbare oder nicht-resorbierbare bzw. auflösbare Materialien oder Kunststoffe auf PMMA-Basis. Bevorzugt sind auch Metalle, Me¬ tall-Legierungen oder Metall-Verbundwerkstoffe sowohl als Positivform mit einem Metalltrabekelgerüst als auch als Ne¬ gativform mit einem vorzugsweise kugelförmigen Metallform¬ körperverbund mit Verbindungsstegen. Insbesondere für die Kraftübertragung als Wirbelkörperersatz oder Teilersatz zur Fusion von Wirbelkörpern hat der erfindungsgemäße Werkstoff aus miteinander über Stege verbundenen Formkörpern, vorzugs¬ weise aus Metall, sehr günstige biomechanische Eigenschaf¬ ten, die beispielsweise günstiger sind als die der in der DE-C-31 06 917 beschriebenen offenporigen oder offenzelligen Metallstruktur. Bei Verwendung von Metall als Material für das dreidimensionale Gerüst wird das Metall vorzugsweise um Formkörper aus Keramik oder Gips ausgebildet. Als Material insbesondere für das dreidimensionale Gerüst des porösen Werkstoffs können auch Silikon, Kautschukderivste oder ver¬ wandte Polymere auf Gummibasis verwendet werden.

Grundsätzlich können alle beliebigen Werkstoffe in die Nega¬ tiv- oder Positivform gebracht werden, beispielsweise können schalenförmige Wabenkonstruktionen reproduzierbar und stan¬ dardisierbar hergestellt werden, oder es können durch Vermi¬ schung verschieden geformter deformierbarer Formkörper als Ausgangsmaterial polymorphe Werkstoffe erzeugt werden, bei¬ spielsweise als Implantatwerkstoffe. Beispielsweise können wasserlösliche Formkörper mit schmelzbaren Materialien kom¬ biniert werden oder es können sinterfähige, gießbare Materi¬ alverbunde mit wasserlöslichen Formkörpern kombiniert werden oder es können im Spritzgußverfahren verarbeitbarε Kunst¬ stoffe, Keramikmaterialien oder Metalle, Metall-Legierungen oder Metall-Verbundwerkstoffe in der Weise kombiniert wer¬ den, daß jeweils die Formkörper entweder physikalisch oder

chemisch oder auf andere Weise wieder auslösbar sind und das dreidimensionale Schalengerüst als Stützgerüst verbleibt. Das Stützgerüst kann anschließend durch physikalische oder chemische Verfahren verfestigt, oberflächenbehandelt oder mechanisch nachbearbeitet werden. Die genannten Metalle, Me¬ tall-Legierungen oder Metall-Verbundwerkstoffe können bei¬ spielsweise gießbar oder im Schleuderguß oder im Vakuumfein¬ guß verarbeitbar sein. Wenn beispielsweise ein Keramik-Nega¬ tivmodell aus Formkörpern mit einem Metallguß in Form eines Schalengerüstes kombiniert wird, so kann dieser Verbundwerk¬ stoff im sogenannten HIP-Verfahren sehr hoch verdichtet wer¬ den und ist mechanisch sehr stabil und tragfähig. Auch nach Entfernen der Keramik ist die verbleibende Trabekelstruktur bzw. Schalenstruktur sehr stabil und mechanisch außeror¬ dentlich tragfähig, stellt ein sehr leichtes und schnell durchwachsbares Implantat für den Knochen dar und weist einen sehr geringen Materialaufwand auf. Die Formkörper kön¬ nen nach dem Verfestigen des sie umgebenden Materials physi¬ kalisch oder chemisch herausgelöst werden, beispielsweise im Wasserbad, in einer Waschmaschine oder durch Lösungsmittel, wobei bei Verwendung von geschäumtem Polystyrol oder einem ähnlichen geschäumten Kunststoff Aceton als Lösungsmittel besonders geeignet ist.

Für diejenigen Materialien, die im Verlauf des Herstellungs¬ verfahrens wieder herausgelöst werden und nicht Bestandteil des fertigen Werkstoffes sind, kommen auch noch andere Sub¬ stanzen in Betracht, beispielsweise Gips, der besonders ein¬ fach und rasch verarbeitbar und außerdem billig ist.

Eine besonders gute Durchdringung der Formkörperschuttung beim Befüllen durch das gießförmige Material ist dann gege¬ ben, wenn die Formkörper hydrophob sind und das gießfähige

Material hydrophil ist.

Die Gesamtporosität des fertigen porösen Werkstoffs beträgt vorzugsweise zwischen 50 und 90 %, besonders bevorzugt zwi-

sehen 65 und 85 %. Das Material sowohl für das fertige Schalengerüst (Positiv) als auch für die Formkörper des Ne¬ gativwerkstoffs kann eine Mikroporosität aufweisen, bei¬ spielsweise zwischen 1 und 40 %, besonders bevorzugt zwi¬ schen 15 und 25 %.

Für bestimmte Anwendungszwecke kann es vorteilhaft sein, die Durchtrittsöffnungen zwischen den einzelnen Poren des inter¬ konnektierenden Porensystems des porösen Werkstoffs variabel zu machen oder zu erweitern. Dies ist insbesondere dann vor¬ teilhaft, wenn Knochenzement in den Werkstoff eingesaugt oder durch diesen durchgesaugt oder wenn ein schnellerer Knocheneinwuchs erreicht werden soll, wobei gegebenenfalls eine niedrigere Druckfestigkeit des Werkstoffs in Kauf ge¬ nommen werden kann. Um den Querschnitt der Verbindungen bzw. Durchtrittsöffnungen zwischen den einzelnen Poren zu erwei¬ tern, wird der Werkstoff mit dem interkonnektierenden Poren¬ system anschließend chemisch behandelt. Eine besonders vor¬ teilhafte chemische Behandlung ist die Einwirkung einer Säure oder Lauge, die das Porensystem durchströmt. Durch diese chemische Behandlung werden zunächst die dünnen Lamel¬ len des Gerüsts an der Verbindungsstelle zwischen zwei Poren angegriffen und aufgelöst, und damit der Querschnitt der Po¬ renverbindung erweitert. Durch die Wahl des verwendeten che¬ mischen Mittels, die Einstellung von dessen Verdünnung und insbesondere durch die Variation der Einwirkzeit der chemi¬ schen Behandlung auf den Werkstoff können die ursprünglichen Porenverbindungen kontrolliert und definiert erweitert und den Erfordernissen angepaßt werden. In vorteilhafter Weise wird so vorgegangen, daß eine verdünnte Säure kurzzeitig den Werkstoff durchströmt, so daß nur die Porenverbindungen auf¬ geweitet, die Struktur des Gerüsts als solche aber nicht we¬ sentlich angegriffen oder verändert wird. Wenn erfindungsge¬ mäß das ein interkonnektierendes Porensystem aufweisende Ge¬ rüst als Ausgangs- oder Zwischenmaterial für einen Werkstoff aus miteinander verbundenen Formkörern ("Negativ") dient, wird durch eine Vergrößerung der Durchtrittsöffnungen zwi-

sehen den Poren des interkonnektierenden Porensystems des Gerüsts eine Vergrößerung des Querschnitts der Verbindungen bzw. "Stege" zwischen den einzelnen Formkörpern bewirkt, nachdem das Porensystem zur Ausbildung der Formkörper mit einem gieß-, spritz- oder schüttfähigen Material ausgegossen wird. Damit wird die Festigkeit des fertigen Negativ-Werk¬ stoffs aus miteinander über Stege verbundenen Formkörpern erzielt.

Wenn eine besonders hohe mechanische Stabilität des erfin¬ dungsgemäßen "Positiv"- oder "Negativ"-Werkstoffs angestrebt wird, können vorteilhafterweise Abschnitte des Werkstoffs in seinem Inneren massiv ausgeführt werden. Dabei kann das interkonnentierende Porensystem des Gerüsts beim Positiv- Werkstoff bzw. die Konfiguration aus verbundenen Formkörpern beim Negativ-Werkstoff im übrigen aufrechterhalten werden. Vorzugsweise sind die massiven Abschnitte im Innern des Werkstoffs in Form massiver Streben, wie Verstärkungsstreben oder Trajektorien ausgebildet. Die massiven Abschnitte sind vorzugsweise etwa zylinderförmig und weisen in ihrem Quer¬ schnitt einen Durchmesser von vorzugsweise etwa 0,5 bis 3 mm auf. Die Achse des Zylinders verläuft vorzugsweise in Rich¬ tung der voraussichtlichen Hauptbelastungsrichtung des Werk¬ stoffs. Die massiven Abschnitte erstrecken sich vorzugsweise in ihrer Länge durch den gesamten Werkstoff, können sich aber auch nur über einen Teil des Werkstoffs erstrecken. Es können eine oder mehrere derartiger Verstärkungsstreben vor¬ gesehen sein, beispielsweise 2 bis 6, vorzugsweise etwa 3 oder 4 Streben. Die massiven Streben bewirken eine Erhöhung insbesondere der Druckstabilität des Werkstoffs unter Beibe¬ haltung der hohen Porosität und Knochendurchbaubarkeit des Positiv-Werkstoffs.

Zur Herstellung des mit den massiven Abschnitten verstärkten Werkstoffes können als Ausgangsmaterial sowohl deformierbare Formkörper als auch Formkörper aus einem nicht oder wenig deformierbaren Material, wie Zucker, verwendet werden. Vor-

zugsweise werden auch bei diesem Verfahren deformierbare Formkörper verwendet. Um die massiven Abschnitte im "Posi¬ tiv"-Werkstoff herzustellen, werden bei der Erstbefüllung der Form mit den Formkörpern in die Form Kanülen, wie Befül- lungskanülen eingebracht, um die herum die Formkörper ange¬ ordnet werden. Anschließend wird die Form durch die Kanülen und/oder wie üblich von außerhalb mit dem gießfähigen Mate¬ rial gefüllt. Während der Befüllung werden die Kanülen suk¬ zessive aus der Form herausgezogen, wobei im Werkstoff neben dem ein interkonnektierendes Porensystem aufweisenden Gerüst massive Abschnitte an denjenigen Stellen in der Form entste¬ hen, die zuvor von den Kanülen eingenommen worden sind. Das Herausziehen der Kanülen und die Befüllung mit dem gießfähi¬ gen Material werden dabei zeitlich koordiniert. Hierbei ent¬ stehen das Gerüst aus den schalenartigen Strukturen und die massiven Abschnitte in einem Guß, so daß der gesamte Werk¬ stoff aus einem homogenen Material besteht.

Bei der Herstellung des "Negativ"-Werkstoffs mit massiven Abschnitten werden beim Befüllen der Form mit den Formkör¬ pern ebenfalls Platzhalter, beispielsweise in Form von Röhr¬ chen, in die Form eingebracht. Diese Röhrchen können entwe¬ der hohl oder massiv sein und, weisen in jedem Fall dieselbe äußere Form und Gestaltung auf wie die später in dem Werk¬ stoff auszubildenden massiven Abschnitte. Beim anschließen¬ den Befüllen der Form mit dem gießfähigen Material werden die Röhrchen umschlossen. Anschließend werden die als Platz¬ halter dienenden Röhrchen entfernt, beispielsweise durch Herausziehen aus der Form oder durch chemisches oder physi¬ kalisches Herauslösen. Dabei hinterlassen die Platzhalter Hohlräume innerhalb des hergestellten Gerüsts. Diese Hohl¬ räume werden beim anschließenden Ausgießen des Gerüsts mit dem die Formkörper bildenden gießfähigen Material zu massi¬ ven Abschnitten aufgefüllt. Auch bei diesem Verfahren ent¬ stehen somit die massiven Abschnitte und der umgebende Werk¬ stoff aus miteinander verbundenen Formkörpern in einem Guß, so daß der gesamte Werkstoff aus einem homogenen Material

besteht. Es ist aber sowohl beim Positiv- als auch beim Ne¬ gativ-Werkstoff auch möglich, die massiven Abschnitte aus einem unterschiedlichen Material auszubilden, wenn dies bei¬ spielsweise aus Festigkeitsgründen bevorzugt ist. Beispiels¬ weise können in die massiven Abschnitte Fasern, z.B. aus Ke¬ ramik, Kohle, Glas oder Metall, zur Verstärkung eingebracht werden. Die Matrix des Werkstoffs der massiven Abschnitte kann dabei aus demselben Material oder aus einem anderen Ma¬ terial bestehen wie das umgebende Gerüst bzw. die Formkör¬ per. Um die massiven Abschnitte aus einem anderen Material wie das umgebende Gerüst bzw. die Formkörper auszubilden, werden die massiven Abschnitte in einem getrennten Verfah¬ rensschritt hergestellt. Beispielsweise werden die Platzhal¬ ter zunächst noch in der Form belassen, bis der Guß des Werkstoffes ausgeführt ist, und erst anschließend mit einem anderen Material aufgefüllt. Besonders bevorzugt sind bei¬ spielsweise massive Abschnitte in Form von Streben aus einem Metall, die in einem Negativ-Werkstoff aus Keramik-Formkör¬ pern eingebettet sind, um die Biegefestigkeit zu erhöhen. Dabei schrumpft die Keramik beim abschließenden Sintern auf das Metall auf, wobei Keramik und Metall fest miteinander verbunden werden.

Die äußere Form des erfindungsgemäßen Werkstoffes ist belie¬ big wählbar und wird insbesondere durch die Gestaltung der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Gießform be¬ stimmt. Durch die Variation des Ausgangsfüllvolumens der Gießform mit den Formkörpern und der Zahl und Richtung der Einspritzkanäle des gießfähigen Materials können an einer oder mehrerer Außenflächen des Werkstoffes auch gezielt mas¬ sive Abschnitte ausgebildet werden, beispielsweise in Form eines dünnen massiven Deckels. Besonders bevorzugt ist ein sogenannter tricorticaler Quader, d.h. ein Quader aus einem porösen Werkstoff, bei dem an zwei gegenüberliegenden Flä¬ chen des Quaders und an der diese beiden Flächen verbinden¬ den Fläche eine massive, dünne Außenschicht ausgebildet ist. Diese massive Schicht kann beispielsweise eine Dicke von 0,5

bis 3 mm, vorzugsweie mindestens 1 mm aufweisen. Derartige tricorticale Quader sind besonders vorteilhaft bei der Ver¬ wendung als Knochenersatzwerkstoff oder Kunstknochen, bei¬ spielsweise zum Knochenersatz im Becken.

Vorzugsweise enthält der fertige Werkstoff mindestens einen Wirkstoff, insbesondere bei Verwendung des Werkstoffes in der Medizintechnik, beispielsweise für die Herstellung von Implantaten und Knochenersatzwerkstoffen, als Filtersystem oder als Wirkstoffträger in Form eines sogenannten "drug delivery System" . Der fertige Werkstoff enthält vorzugsweise 0,01 bis 10 % des Wirkstoffes, der aus dem Werkstoff bevor¬ zugt protrahiert freisetzbar ist. Beispielsweise kann das Gerüst des Positivs bzw. der über Stege verbundene Kugelver¬ bund des Negativs schichtweise ein- oder mehrlagig mit einem oder mehreren Wirkstoffen beschichtet sein. Es kann auch die Makro- oder Mikroporosität des Werkstoffes reproduzierbar mit einem Gemisch aus einem Bindemittel und einem Wirkstoff aufgefüllt sein, wobei der Wirkstoff vorzugsweise über eine definierbare Zeit protrahiert im Körper freisetzbar ist.

Die zugesetzten Wirkstoffe können gezielt den Gefäß- oder Knocheneinwuchs induzieren, gezielt einen lokalen Tumor the- rapieren oder gezielt zu einer Infektsanierung beitragen. Die erfindungsgemäß erreichbaren Konzentrationen liegen weit über denen eines Wirkstoffes, beispielsweise eines Antibio¬ tikums, die bei systemischer Behandlung erreicht werden könnten. Durch geeignete Kombination mit Bindemitteln oder durch Veränderungen der Porosität kann die Verzögerung der Wirkstoff-Freisetzung eingestellt werden.

Als Wirkstoffe können beispielsweise Gentamycin, Glindamy- cin, ein Gyrasehemmer oder ein anderes Antibiotikum oder eine Kombination von zwei oder mehreren verschiedenen Anti¬ biotika verwendet werden. Als Wirkstoff kann auch ein das Wachstum induzierender Wirkstoff verwendet werden, bei¬ spielsweise vom Typ eines "Bone morphogenetic protein" ,

eines Wachstumsfaktors oder eines anderen chemotaktisch oder hormoneil wirkenden Faktors, der das Einsprossen von Gefäßen oder die Differenzierung von knochenbildenden Zellen bewirkt oder auch den Abbau des Knochens verhindert. Als Wirkstoff können ferner ein Cytostatikum, eine Kombination mehrerer Cytostatika oder auch eine Kombination von Cytostatika mit anderen Wirkstoffen, beispielsweise Antibiotika oder Hormo¬ nen, verwendet werden.

Das Makroporensystem des porösen Werkstoffes kann auch mit Aktivkohle oder einem anderen hochporösen Adsorbens aufge¬ füllt werden.

Ferner kann dem erfindungsgemäßen Werkstoff ein Füller zuge¬ setzt werden, vorzugsweise in Form von Füllerpartikeln. Als Füllerpartikel können 1 bis 95 %, vorzugsweise 1 bis 80 % Tricalciumphosphat oder Hydroxylapatit oder ein Gemisch aus beiden oder eine andere Calciumphosphatverbindung oder Cal- ciumverbindung verwendet werden. Die Partikelgröße beträgt vorzugsweise 20 bis 300 μm, besonders bevorzugt 50 bis 250 μm, und das Porenvolumen der porösen Füllerpartikel beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,8 ml/g. Der Zusatz von Füllerparti¬ keln ist besonders bei Verwendung spritzbarer Kunststoffe bevorzugt. Wenn der erfindungsgemäße Werkstoff aus Kunst¬ stoff oder Metallen besteht, ist auch eine Beschichtung mit Tricalciumphosphat und/oder Hydroxylapatit wünschenswert. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein knöchernes Durchwachsen des Werkstoffes gewünscht wird. Unter Belastung setzt der Knochen die Deformationsenergie im Interface an glatten Implantaten in Relativbewegung um, was zur Knochen¬ resorption führt, während bei rauhen Oberflächen, beispiels¬ weise derart beschichteten Oberflächen, keine derartige Re¬ lativbewegung auftritt.

Als Füller kann auch Aktivkohle oder ein anderes stark gas- und/oder flüssigkeitabsorbierendes Material verwendet wer-

den, vorzugsweise in einer Konzentration zwischen 1 und 80 % bzw. 5 und 80 %.

Folgende Verfahren sind erfindungsgemäß besonders bevorzugt:

Ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit einem dreidimensionalen Schalengerüst mit den folgenden Verfah¬ rensschritten: Aneinanderpressen von vorzugsweise kugelför¬ migen deformierbaren Formkörpern zu einer dreidimensionalen Formkörperpackung, Formen eines sich vom Material der Form¬ körper unterscheidenden Materials um die Formkörper herum unter Verformung der Formkörper zur Ausbildung eines dreidi¬ mensionalen Schalengerüsts und Entfernen der Formkörper, so daß lediglich das dreidimensionale Schalengerüst verbleibt und den Werkstoff bildet.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit miteinan¬ der über Stege verbundenen Formkörpern mit den folgenden Verfahrensschritten: Bildung einer dreidimensionalen Form¬ körperpackung durch Aufeinanderpressen von deformierbaren Formkörper, Formen eines dreidimensionalen Gerüsts aus einem Wachs oder einem leicht schmelzbaren Polymer um die Formkör¬ per herum, Aushärten des Gerüsts aus Wachs oder dem leicht schmelzbaren Polymer, chemisches Herauslösen der Formkörper, Füllen des durch Entfernen der Formkörper entstandenen durchgehenden Hohlraumsystems mit einer Keramikmasse und Entfernen des Gerüst aus Wachs oder dem leicht schmelzbaren Polymer durch Anwendung von Hitze. Bei diesem Verfahren wer¬ den in den Hohlräumen vorzugsweise Keramikkugeln gebildet. Die Keramikkugeln können durch Anwendung von Hitze in ß- und α-Whitlockit-Tricalciumphosphatverbindungen umgewandelt wer¬ den oder können im Sinterverfahren zu festen Kugelkonglome- ratkörpern zusammengeschweißt werden, beispielsweise aus Hy¬ droxylapatit.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Metallwerkstoffs aus einem Schalengerüst, mit den folgenden Verfahrensschritten:

Herstellung einer Schüttung aus deformierbaren Kunststoffku¬ geln, z.B. aus Polystyrol, Aufeinanderpressen der Kugeln und Ausfüllen mit Wachs, Auslösen der Kunststoffkugeln mit einem Lösungsmittel, beispielsweise Aceton, Trocknung des Wachsge¬ rüstes, Ausgießen des Wachsgerüstes mit einer keramischen Masse, beispielsweise Tricalciumphosphat und Bindemittel in einem gelartigen Gemisch, Auslösen des Wachses im Ölbad mit Verfestigung der Keramikmasse, anschließende Sinterung der Keramikmasse im Ofen mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von etwa l°C/min bis zu einer Temperatur von etwa 1300°C über ca. 24 Stunden, Einbringen des entstehenden Keramikkörpers in einen Muffelofen und Ausgießen in einem Schleudergußver¬ fahren mit einer CoCrMo-Legierung, Sandstrahlen des Keramik- Metall-Verbundes und Herauslösen der Keramik mit Säure, bei¬ spielsweise Salzsäure.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Metallwerkstoffs aus mit¬ einander über Stege verbundenen Formkörpern mit den folgen¬ den Verfahrensschritten: Ausbildung einer Schüttung aus de¬ formierbaren Kunststoffkugeln, beispielsweise geschäumten Polystyrolkugeln, Kompression der Kugeln, Ausfüllen des Vo¬ lumens um die Kugeln mit einer Keramikmasse, Auslösen der Kugeln mit einem Lösungsmittel, beispielsweise Aceton, Trocknung, vorzugsweise in einer aufsteigenden Acetonreihe, Sintern des entstandenen keramischen Schalengerüsts im Ofen mit einer Aufheiztemperatur von etwa l°C/min bis 1300°C über ca. 24 Stunden, Einbringen des Keramikgerüsts in einen Muf¬ felofen und Auffüllen des Makroporenvolumens mit einer Me¬ tallegierung, vorzugsweise CoCrMo, im Schleuderguß- oder Feinguß-Vakuumverfahren, Auslösen der Keramik im Säurebad, beispielsweise in Salzsäure.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei- spielen und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - 3 das Einfüllen von deformierbaren Formkörpern in eine Form und das Befüllen der Form mit einem gießfähigen Material,

Fig. 4 - 6 elektronenmikroskopische Aufnahmen des erfin¬ dungsgemäßen Werkstoffs,

Fig. 7 - 10 Seitenansichten und Aufsichten des erfindungsge¬ mäßen Werkstoffs,

Fig. 11 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkstoffs in Form eines tricorticalen Quaders, und

Fig. 12 eine schematische Ansicht einer Gießform zur Herstellung eines tricorticalen Quaders.

Ein besonders bevorzugtes Ausgangsmaterial für die defor¬ mierbaren Formkörper ist Styropor ^® , beispielsweise Styropor ^® F414, d.h. ein Schaumstoff aus expandierbarem Polystyrol (EPS), das mit Pentan als Treibmittel aufgeschäumt ist. Be¬ vorzugte Raumgewichte des aufgeschäumten Polystyrol sind zwischen 17 g/1 und 70 g/1, vorzugsweise etwa 20 g/1 bis 35 g/1. Die Korngrößenverteilung des aufgeschäumten Materials liegt zwischen 200 μm und 3000 μm.

Um ein Maß für eine geeignete Deformierkeit der deformierba¬ ren Formkörper zu gewinnen, wurden Versuche zur Bestimmung eines E-Modul-ähnlichen Parameters für verschiedene Formkör¬ per durchgeführt. Hierfür wurden die entsprechenden Formkör¬ per in einem zylindrischen Gefäß aufgeschüttet bis auf eine Ausgangshöhe von 84,3 mm. Danach wird über einen Stempel eine Kraft F auf die Schüttung ausgeübt und die Kompression, d.h. die Änderung der Ausgangshδhe in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft registriert. Über die Formel

F x 1

E =

A x Δl wird dann eine E-Modul-ähnliche Größe bestimmt, wobei

E E-Modul-ähnliche Größe F Kraft in N A Fläche des Zylinders in mm ²

1 Ausgangshöhe (84,3 mm)

Δl Änderung der Ausgangshöhe in mm.

Die Versuche ergeben für verschiedene geschäumte Polysty¬ role, die sich beispielsweise im Raumgewicht, in der Art des AufSchäumens und in der Partikelgröße unterscheiden, Werte für E von etwa 0,5 bis etwa 1,2 N/mm ² . Eine derartige Ela¬ stizität ist besonders bevorzugt. Die Elastizität kann je¬ doch auch etwa um den Faktor 10 kleiner oder größer sein. Im Gegensatz dazu beträgt beispielsweise die Größe E für ver¬ schiedene Zuckerarten etwa 20 bis 180 N/mm ² , wobei jedoch die Zuckerkörper beim Aufbringen der Kraft zum Teil zer¬ drückt werden.

Als gießfähiges Material wird vorzugsweise eine Mischung aus Hydroxylapatit-Pulver mit einer Agar-Agar-Lösung im Verhält¬ nis 10 g Pulver/7 ml bis 25 ml Agar-Agar-Lösung, vorzuugs- weise 10 g Pulver/20 ml Agar-Agar-Lösung verwendet. Die Agar-Agar-Lösung besteht vorzugsweise aus einer Mischung von Aqua bidest. mit Agar-Agar im Verhältnis 20 ml bis 50 ml/1 g, vorzugsweise im Verhältnis 40 ml/1 g.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Gießform 2 mit Boden 4 und Deckel 6 sowie Füllkanälen 8. In die Form 2 werden ge¬ schäumte Polystyrol-Formkörper 10 in Kugelform eingefüllt. Beim Einfüllen der Formkörper in die Gießform 2 wird diese nur soweit gefüllt, daß die Formkörper keinem Druck ausge¬ setzt sind und nicht verformt werden. Danach wird die Form 2 von unten her mit einer keramischen Masse 12 als gießfähiges Material mit der vorstehenden Zusammensetzung gefüllt, wie in Fig. 2 dargestellt. Aufgrund der Viskosität der kerami¬ schen Masse wird zunächst auf die EPS-Formkörper ein in axialer Richtung nach oben wirkender Druck ausgeübt, durch den die Formkörper aneinandergepreßt werden. Die dabei auf¬ tretende Volumenverringerung führt dazu, daß am Boden 4 der Form 2 eine polystyrolfreie, nur mit keramischer Masse ge¬ füllte Zone 14 entsteht, die später einen dichten bzw. mas¬ siven Deckel des fertigen porösen Werkstoffes bildet. Je nach Ausgangsfüllvolumen der Gießform 2 und Viskosität der keramischen Masse kann die Höhe der Zone 14 und damit die

Stärke des Deckels des fertigen Werkstoffes variiert werden. Das Ausgangsfüllvolumen kann aber auch so gewählt werden, daß der gesamte gebildete Werkstoff porös ist und kein mas¬ siver Deckel entsteht.

Durch den beim Einfüllen der keramischen Masse unidirektio- nal ausgeübten Druck werden die deformierbaren EPS-Kugeln 10 wahrscheinlich zunächst zu ovalen Körpern geformt, wie z.B. anhand des Körpers 16 in Fig. 2 dargestellt. Nach Abschluß des Einfüllvorgangs bildet sich jedoch in der Form ein in alle Richtungen gleich großer, d.h. isostatischer Druck aus. Dieser führt zusammen mit der Elastizität der EPS-Formkörper und der noch weichen keramischen Masse zu einer Relaxation der verformten EPS-Formkörper in ihre Kugelform. Die Situa¬ tion bei Abschluß des Einfüllvorgangs ist in Fig. 3 darge¬ stellt. Nach der Verfestigung der keramischen Masse kann eine isotrope Verteilung kugelförmiger EPS-Formkörper beob¬ achtet werden. Nach dem Herauslösen der EPS-Formkörper, bei¬ spielsweise durch Aceton, weist der verbleibende Keramik¬ werkstoff eine durchgehend homogene Struktur mit interkon¬ nektierenden kugelförmigen Poren auf. Die Form des Poren¬ systems und dessen Verbindungskanälen entspricht der Form des Formkörperverbundes mit Verbindungsstegen. Die Durch¬ gangsöffnungen zwischen den Poren könnnen anschließend noch durch chemische Behandlung, beispielsweise mit einer Säure oder Lauge, erweitert werden.

Fig. 4 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Werkstoffs mit einem dreidimensionalen Ge¬ rüst, wobei die Schalenform des Gerüsts gut erkennbar ist. Ein Strich in Fig. 4 entspricht 100 μm.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt einer derartigen Schale in elektronenmikroskopischer Aufnahme, wobei in Fig. 5 ein Strich 10 μm darstellt.

Fig. 6 zeigt schließlich in weiterer Vergrößerung die Ober¬ flächenstruktur. Ein Strich in Fig. 6 bedeutet ebenfalls 10 μm.

Fig. 7 zeigt in etwa 5- bis 6-facher Vergrößerung eine Seitenansicht eines Zylinders aus einem relativ grobporigen, porösen Positiv-Werkstoff mit einem schalenartigen Gerüst und einem interkonnektierenden, isotropen Porensystem.

Fig. 8 zeigt eine Aufsicht auf einen derartigen Zylinder. Aus den Figuren 7 und 8 ist die homogene, isotrope Vertei¬ lung des interkonnektierenden Porensystems sowie das Trabe¬ kel- oder .Schalengerüst gut erkennbar, das der Knochenstruk¬ tur nachempfunden ist.

In Fig. 9 ist eine Aufsicht auf einen Zylinder eines relativ feinporigen "Positiv"-Werkstoffes dargestellt. Auch hier ist das schalenartige Gerüst und das dazwischenliegende inter¬ konnektierenden, isotrope Porensystem gut erkennbar.

Fig. 10 zeigt eine Aufsicht auf einen dichten bzw. massiven Deckel eines erfindungsgemäßen "Positiv"-Werkstoffs. Wie vorstehend anhand von Fig. 2 erläutert, läßt sich ein derar¬ tiger dichter bzw. massiver Deckel (Abdeckelung) dadurch er¬ zielen, das beim Befüllen der Form mit dem gießfähigen Mate¬ rial ein Endabschnitt der Form vollständig mit dem gießfähi¬ gen Material befüllt wird und die als Platzhalter für das Porensystem dienenden deformierbaren Formkörper vollständig aus diesem Endabschnitt verdrängt werden. Ein erfindungsge¬ mäßer Werkstoff mit einem derartigen Deckel ist z.B. beson¬ ders vorteilhaft als Plug in einem Markkanal anwendbar. Es ist selbstverständlich durch geeignete Maßnahmen bei der Herstellung auch möglich, beide Endabschnitte oder verschie¬ dene Abschnitte des Werkstoffvolumens, beispielsweise auch entlang der Mantelfläche bei einem zylindrisch ausgebildeten Werkstoff, mit einer derartigen Abdeckung zu versehen, so

daß der Werkstoff in diesem Bereich nicht porös, sondern dicht bzw. massiv ist.

Fig. 11 zeigt in etwa 2- bis 3-facher Vergrößerung einen tricorticalen Quader mit einem porösen "spongiösen" Innen¬ teil, wobei zwei gegenüberliegende Flächen und eine diese verbindende Außenfläche des Quaders eine dünne massive Schicht aufweisen. Derartige tricorticale Quader weisen aus¬ gezeichnete Druckfestigkeit auf. Die Druckfestigkeit wurde an tricorticalen Quadern mit einer Grundfläche von 15 x 15 mm und einer Höhe von 7 mm gemessen. Die Versuche wurden auf einer Universal-Prüfmaschine Instron 1000 bei einer Bela¬ stungsgeschwindigkeit von jeweils 5 mm/min durchgeführt. Ein erfindungsgemäßer vollständig poröser Keramikquader mit die¬ sen Abmessungen weist eine Druckfestigkeit von etwa 2 bis 4 MPa auf. Ein tricorticaler Quader mit drei massiven Außen¬ flächen, der ferner zur Porenerweiterung 20 Sekunden lang in 25%iger HCl behandelt wurde, weist eine Druckfestigkeit von 12,2 MPa auf. Ein weiterer tricorticaler Quader mit teilmas¬ siver Innenstruktur, d.h. mit massiven Verstärkungsstreben weist bei denselben Abmessungen eine Druckfestigkeit von 26,2 MPa auf.

Fig. 12 zeigt schematisch eine Spritzgußform 20 mit einem Innenteil 21 zur Herstellung eines tricorticalen Quaders. Die Einspritzung erfolgt gleichzeitig dreiseitig über Ein¬ spritzkanäle 22a, b, c und Verteileranschlüsse 24a, b, c. Mit den Bezugszeichen 26a, b, c ist angedeutet, daß die Ein¬ spritzung jeweils fächerartig verteilt auf die drei Beauf¬ schlagungsflächen erfolgt, wo die massiven Außenflächen des tricorticalen Quaders ausgebildet ^• werden. Auf der "freien" Seitenfläche sind Entlüftungsbohrungen 28 vorgese¬ hen.

Beispiel 1

Herstellung eines Werkstoffs (Negativ) aus Keramik zur Ver¬ wendung als Knochenersatzwerkstoff-Hohlkörperi plantat mit reproduzierbarer Makro- und Mikroporosität

In einer zylindrischen Form werden Kugeln aus aufgeschäumtem Polystyrol (EPS), z.B. Styropor ^® F 414, mit einer ausgesieb¬ ten Größe von etwa 1000 μm aufgeschüttet. Mittels einer auf¬ gesetzten Spritze wird auf 75°C erwärmtes Wachs unter Druck eingespritzt. Nach Aushärten des Wachses wird das Polystyrol mit Aceton herausgelöst, anschließend das Wachsgerüst an der Luft getrocknet und danach mit einer keramischen Masse auf¬ gefüllt. Die Keramikmasse setzt sich z.B. zusammen aus 5 g Tricalciumphosphat oder Hydroxylapatit oder einem Gemisch aus beiden zusammen mit 7 ml Lösung, wobei die Lösung aus 2 g Agar-Agar auf 80 ml Wasser bestehen kann. Der Wachs- /Keramik-Rohling wird danach im Ölbad bei Temperaturen um 100°C vom Wachs befreit, und die verbleibende Keramikmasse wird über 6 bis 7 Stunden gefestigt. Der so gewonnene Grund¬ körper wird im Keramikofen mit einr Aufheizrate von l°C/Minute bis 1300°C über ca. 24 Stunden gesintert und an¬ schließend über weitere 24 Stunden in Schritten gekühlt. Das so entstandene Keramikimplantat aus Tricalciumphosphat, Hy¬ droxylapatit oder einem Gemisch aus beiden stellt ein soge¬ nanntes "Negativ-Implantat" dar, mit einem über breite Stege verbundenen dreidimensionalen Kugelverbund. Ein derartiges Implantat ist für hohe Kraftübertragung besonders günstig und weist eine für poröse Keramiken außerordentlich hohe Druckstabilität von bis zu 10 MPa auf.

Beispiel 2

Herstellung eines porösen Werkstoffs (Positiv) aus Keramik zur Verwendung als Knochenersatzwerkεtoff mit einem durchge¬ hend interkonnektierenden Porensystem und trabekulärer Struktur

In einem zylindrischen Gefäß werden Kugeln aus aufgeschäum¬ ten Polystyrol (EPS), z.B. Styropor ^® F 414, mit einem Durch¬ messer von etwa 1000 μm aufgeschüttet und gerüttelt. Mittels einer aufgesetzten Spritze wird unter Druck eine Keramik¬ masse eingespritzt, die die Zusammensetzung gemäß Beispiel 1 aufweisen kann, und anschließend evakuiert. Der Keramik-Po¬ lystyrol-Rohling wird anschließend für eine halbe Stunde im Kühlschrank gehärtet, danach entnommen und im Acetonbad von den Polystyrolkugeln befreit. Nach Trocknung über Aceton an Luft wird der Grünling über ca.24 Stunden mit einer Aufheiz¬ rate von l°C/min im Keramikofen bis zu einer Temperatur von 1300°C gesintert. Die Abkühlung erfolgt schrittweise über weitere 24 Stunden. Danach ist das Keramikimplantat, welches durchgehend gleichmäßige interkonnektierende Poren enthält und trabekulär bzw. schalenförmig strukturiert ist, fertig¬ gestellt.

Beispiel 3

Herstellung eines porösen Werkstoffs (Positiv) aus Metall zur Verwendung als sprongiosa-strukturiertes Metallimplantat

In ein Gefäß werden Kugeln aus geschäumten Polystyrol (EPS) , z.B. Styropor ^® F 414, aufgeschüttet und gerüttelt. Das zwi¬ schen den Kugeln verbleibende Volumen wird mit Wachs aufge¬ füllt. Mittels einer aufgesetzten Spritze wird das Wachs da¬ bei bei einer Temperatur von 75°C unter Druck eingepreßt. Anschließend wird das Wachsgerüst ausgehärtet, das Polysty¬ rol im Acetonbad ausgelöst und anschließend das verbleibende Wachsgerüst getrocknet. Danach wird das Wachsgerüst (Posi-

tiv) mit einer keramischen Masse ausgegossen, beispielsweise mit Tricalciumphosphat, einem Gemisch aus Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit oder reinem Hydroxylapatit in einem Ge¬ misch mit einer gelartigen Substanz als Bindemittel; die Ke¬ ramikmasse kann beispielsweise die Zusammensetzung gemäß Beispiel 1 aufweisen. Im Anschluß daran wird das Wachs im Ölbad bei 100°C ausgelöst und die verbleibende Keramikmasse (Negativ) über 6 bis 7 Stunden verfestigt. Der so herge¬ stellte Grünkörper wird im Keramikofen mit einer Aufheizrate von l°C/Minuten über ca. 24 Stunden bis 1300°C gesintert und anschließend vorsichtig über weitere 24 Stunden abgekühlt. Der so entstandene Keramikkörper aus Kugeln mit Verbindungs- stegen mit definiertem Querschnitt wird in einer Form in einen Muffelofen eingebracht, und im Schleuderguß- oder Feinguß-Vakuumverfahren bei 1000°C mit einer CoCrMo-Legie- rung ausgegossen. Nach Herausnahme des entstehenden Keramik- Metall-Verbundes wird dieser sandgestrahlt und anschließend im Salzsäurebad von der Keramik befreit . Das Implantat zeigt eine durchgehende trabekuläre bzw. schalenförmige Struktur mit einem dazwischen ausgebildeten standardisierten und re¬ produzierbaren interkonnektierenden Porensystem mit etwa ku¬ gelförmigen Poren.

Beispiel 4

Herstellung eines Werkstoffs (Negativ) aus Metall zur Ver¬ wendung als Wirbelkörperersatz

In einem zylindrischen Gefäß werden Kugeln aus geschäumtem Polystyrol (EPS) , z.B. Styropor ^® F 414 mit einem Durchmesser von etwa 1000 μm aufgeschüttet und gerüttelt. Mittels einer aufgesetzten Spritze wird das freie Volumen zwischen den Ku¬ geln unter Druckbeaufschlagung mit einer Keramikmasse ge¬ füllt. Anschließend wird der Rohling im Kühlschrank über 30 Minuten ausgehärtet, dann im Acetonbad von den Polystyrolku¬ geln befreit und über Aceton getrocknet. Anschließend wird der verbleibende Keramikkörper (Positiv) im Keramikofen mit

einer Aufheizrate von l°C/min über ca. 24 Stunden bis 1300°C gesintert. Danach wird der Ofen über weitere 24 Stunden ab¬ gekühlt und das Keramik-Positiv entnommen und anschließend im Muffelofen bei 1000°C im Schleudergußverfahren mit einer CoCrMo-Legierung aufgefüllt. Nach Herausnahme des entstehen¬ den Keramik-Metall-Verbundkörpers wird dieser sandgestrahlt und anschließend im Säurebad von der Keramik befreit. Die erhaltene Metallstruktur (Negativ) stellt einen Kugelverbund dar, wobei die Kugeln über definiert breite Brücken mitein¬ ander verbunden sind und ein durchgehend dreidimensionales Fachwerk aus Kugeln bilden. Diese Struktur ist für die Kraftübertragung und das Einwachsen von Knochentrabekeln in ihrer physiologischen Morphologie besonders günstig zu beur¬ teilen. Ein derartiges Implantat ist auch hochstabil und kann direkt als Wirbelkörperersatz eingesetzt werden.

Bei den vorstehenden Beispielen kann statt der genannten Ke¬ ramikmasse beispielsweise auch Gips verwendet werden, falls die Masse später wieder herausgelöst wird und nicht einen Teil des fertigen Werkstoffes darstellt, also beispielsweise in den Beispielen 3 und 4. Die Verwendung von Gips ist besonders preisgünstig und unproblematisch, da Gips schnell abbindet und einfach verarbeitbar ist. Gips ist üblicher¬ weise bei Temperaturen bis etwa 1050°C beständig, und kann deshalb in Kombination mit Metallen oder Metall-Legierungen verwendet werden, deren Schmelztemperatur höchstens 1050°C beträgt.

Beispiel 5

Mit Streben oder Trajektorien verstärktes Implantat

Beim Wirbelkörperersatz oder zur Verblockung von zwei Wir¬ belkörpern nach einer Bandscheibenexcision werden Knochen¬ würfel oder -guader eingesetzt, die sehr hohe Druckkräfte aufnehmen müssen. Bei derartigen Operationen bleiben Reste der Wirbelkörper in unterschiedlicher Weise erhalten. Sind

die corticalen Elemente noch erhalten, ist ein Implantat be¬ vorzugt, welches möglichst vom Rande her von allen Seiten durchwachsen werden kann. In einem solchen Falle muß ein Knochenersatzwerkstoff-Implantat ohne corticale Anteile her¬ gestellt werden. Um diesem die nötige Druckfestigkeit zu verleihen, damit es die genannten hohen Beanspruchungen aus- hält, wird das Implantat erfindungsgemäß mit massiven Stre¬ ben in axialer Richtung verstärkt.