生物活性表面層,特別是用於醫用植入體和假牙的生物活性表面層的製作方法
2023-05-20 11:42:16
專利名稱：生物活性表面層,特別是用於醫用植入體和假牙的生物活性表面層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的上位概念的生物活性表面層以及一種用於製備根據權利要求16的上位概念的含磷酸鈣的、生物活性的、多孔的表面層的方法。
由US-A-5 478 237獲知，ISHIZAWA是一種由鈦製成的牙齒植入體，採用基材的陽極氧化使其具有表面層，表面層含有鈣-和磷酸根-離子，並且是以羥基磷灰石-晶體的形式。這種鍍層的缺點在於，羥基磷灰石-晶體是基本上不可溶的，以致於鈣-和磷酸根-離子不能進入骨骼。這種已知的、結晶的鍍層的另一個缺點在於其易碎性，這造成鍍層剝落的危險。最後對於該公開的製備方法涉及到一種二步工藝過程，這也被視為是有缺陷的。
在此本發明提供輔助方案。本發明的任務在於開發一種生物活性的、多孔的含磷酸鈣(CaP)的表面層，磷酸鈣具有高的溶解度，以致於其可起到作為磷酸鈣供體用於骨生成的作用。
本發明使用具有權利要求1的特徵的表面層解決所提出的任務。
本發明的其它優越特性在從屬權利要求中說明。
通過本發明所達到的優點主要在於，由於根據本發明的具有在多孔結構中溶解性鍍入的磷酸鈣相的表面層，骨骼能更快地在多孔的載體結構中生長。在此，不僅涉及到用鈣-和磷酸根離子的表面浸漬，而且還涉及到通過根據本發明的方法，依賴於工藝參數的選擇可得到的，在已有的表面結構上疊加具有植入無定形的或納米晶體的微結構，從而使溶解性磷酸鈣相進入火花放電下的陽極氧化所形成的金屬氧化物-層中。
根據本發明的方法的優點是一個工藝過程，該過程快速進行並且也適合於複雜的幾何形狀。
在一個本發明優選的實施方案中，表面層含有添加的羥基磷灰石。
優選在整個表面層中Ca/P比例為1.0-1.8，即類似於TCP、HA和Ca-缺失的HA。已經表明，近乎天然的、無機骨材料的羥基磷灰石的Ca/P比例(1.67)，基於進入溶液中的鍍層份額是最佳的Ca/P比例。
在本發明的另一個優選的實施方案中，無定形的或納米晶體的磷酸鈣和/或羥基磷灰石為總的表面層的1-40體積％。因為磷酸鈣-相與基材上生成的層合為一體，所以提供了更好的附著性。
在本發明的另一個優選的實施方案中，表面層含有份額為25-95原子百分比的金屬氧化物，優選為30-80原子百分比。已經表明，在這樣的金屬氧化物份額下鍍層基材(Schichtmatrix)的機械和化學耐久性是最佳的。
在本發明的另一個優選的實施方案中，金屬氧化物以晶體的形式存在，優選以10-150納米晶粒粒度的晶體形式，這對於Ca-和P-離子的溶解度是有利的。
在本發明的另一個優選的實施方案中，金屬氧化物是二氧化鈦，優選以銳鈦礦或金紅石的形式，其具有特殊的晶體結構。
在本發明的另一個優選的實施方案中，在表面層中鍍入的Ca2+-離子和PO43--離子分布於整個金屬氧化物層中。相對於純粹的表面浸漬，一個這樣的均質的表面組分具有優點，即其使得單位面積釋放足夠量的鈣和磷酸根用於骨的形成。
在本發明的另一個優選的實施方案中，表面層的厚度為0.5-10.0μm。一個這樣的較薄的層對於附著，特別在要求剪應力的情形下是有利的。它進一步保證了對腐蝕和特別對機械磨損的最佳保護，不會出現易碎的危險和/或在機械負荷下(特別在剪應力下)或熱負荷下出現的(如其在太厚的層的情況下常常出現的)張力的危險。
在本發明的另一個優選的實施方案中，多孔表面層的細孔含有起藥理學作用的物質，優選為肽、生長因子、骨形態生成蛋白質(BoneMorphogenetic Protein)、抗生素或消炎劑。這些添加物質的優點在於它們的感應作用。這些作用物質使得骨組織在治療過程中生物性或生物化學性支持成為可能。在此可通過選擇孔的大小(直徑)和孔的容積(孔徑、孔密度)而控制釋放動力學(單位時間內活性物質的釋放量或單位面積的活性物質釋放量)。
根據本發明的表面層優選塗鍍到一種基材上，其含有一種或多種Ti、Zr、Ta、Nb、Al、V、Mg元素或它們的合金。元素Ti、Zr、Ta、Nb、Al、V、Mg也被稱為閥金屬(Ventilmetalle)(參見M.M.Lohrengel《在鋁和其他的閥金屬上的陽極氧化層》，材料科學和工程，R11，No.6，December 15，1993)(M.M.Lohrengel 「Thinanodic oxide layers on aluminium and other valve metals」，Materials Science and Engineering，R11，No.6，December15，1993)。將根據本發明的表面層鍍到這種基材上已經證明是特別有利的。
在這些基材上所鍍上的、根據本發明的表面層優選地至少部分地由金屬基材的納米晶體的或微米晶體的氧化物或混合氧化物構成。其導致產生一種至少是骨傳導的、結構化的、多孔的層，從而直接與骨的接觸。
表面層的主要成份優選由金屬基材的納米-或微米晶體氧化物或混合氧化物構成，典型的份額為60-99體積％。
在一個優選的實施方案中，基材由塑料構成，優選由聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯醚酮(PAEK)、聚醚醯亞胺(PEI)或液晶聚合物(LCP)、聚甲基戊烯(PMP)、聚碸(PSU)、聚醚碸(PESU或PES)、聚對苯二甲酸亞乙基酯(PETP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或超高分子聚乙烯(UHMW-PE)構成，在此，基材具有由閥金屬構成的金屬層。從而可以應用於彈性植入體和假牙。
根據本發明的用於製備在閥金屬或它們的合金或在基材上的閥金屬鍍層上的含磷酸鈣的、生物活性的、多孔的表面層的方法通過權利要求16的特徵表徵。
下列物質適合作為螯合物形成劑a)無機碳酸，特別是二-或多齒配位基或它們的羧酸鹽，特別是檸檬酸、酒石酸、氨三乙酸(NTA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、1，2-環己二胺四乙酸(CDTA)、二亞乙基三胺五乙酸(DTPA)、2-羥乙基乙二胺三乙酸、三亞乙基四胺六乙酸(TTHA)；b)酮，特別是二-或多酮，尤其是β-二酮(CH3-CO-CH2-CO-CH3)；c)有機磷酸或有機磷酸鹽(具有≥2個磷酸根)；d)有機膦酸或有機膦酸鹽(具有≥2個膦酸根)；e)有機亞磷酸或有機亞磷酸鹽(具有≥2個亞磷酸根)；以及所有上述物質的合適的鹽。
作為無機絡合物形成劑特別合適的是CaX64-，特別是X＝氟化物。
絡合物形成劑的濃度優選為0.06-0.24mol/l。雙(磷酸二氫)鈣優選用作為磷酸鹽化合物，典型的濃度為0.01-0.05mol/l。水溶的鈣化合物(優選為乙酸鈣)優選以0.03-0.15mol/l的濃度應用。
作為鹼性添加劑合適的是氫氧化物，優選為氫氧化鈉或氫氧化鉀，典型的濃度為0.5-1.5mol/l。
在一個優選的鍍層方法的實施方案中，陽極化工藝過程的參數(電壓、電流、頻率、電鍍時間、浴槽幾何尺寸等)這樣選擇，以致於通過基材和電解液之間的反應形成鍍層，其中已經形成的層通過火花放電部分重結晶。在電鍍進行期間電解液適宜的溫度為10-90℃，優選為20-75℃。
優選基材由元素Ti、Zr、Ta、Nb、Al、V、Mg或它們的合金構成，或者將形成阻擋層的金屬鍍層全方位或部分地電鍍到任意的形式和表面特性的任意基材上。優選地通過對起始表面的化學性和/或機械性預處理而對表面形狀或表面形態產生影響，在此，化學性預處理可以是一種浸蝕性方法和機械性預處理可以是一種射線輻照過程。
下面用一個實施例更清楚地解釋本發明和本發明的進一步構成。
實施例一純鈦圓柱形片(高1mm，直徑7mm)在25℃下於下述的電解液中80mA的電流強度下電鍍90秒。
10.5g磷酸二氫鈣22g 二乙酸鈣74g 乙二胺四乙酸二鈉13g 氫氧化鈉用純水定容到1升。所得到的、淡灰色的鍍層具有下列的濃度比(以原子百分比計)Ca/Ti∶1.05 P/Ti∶0.83和Ca/P∶1.27。
權利要求
1.一種生物活性表面層，特別是用於醫用植入體和假牙的生物活性表面層，其中A)不同份額由磷酸鈣相構成的表面層，B)層的厚度為0.1-50.0μm，且C)表面層是多孔狀構成的，其特徵在於，D)表面層含有無定形的或納米晶形的磷酸鈣；E)表面層表面的孔密度為104-108孔/mm2；且F)在整個表面層中Ca/P比為0.5-2.0。
2.根據權利要求1的表面層，其特徵在於，表面層由羥基磷灰石構成或含有添加的羥基磷灰石。
3.根據權利要求1或2的表面層，其特徵在於，孔密度為105-107孔/mm2。
4.根據權利要求1-3之一的表面層，其特徵在於，在整個表面層上的Ca/P比為1.0-1.8。
5.根據權利要求1-4之一的表面層，其特徵在於，無定形的或納米晶形的以及可能的羥基磷灰石份額為整個表面層的1-40體積％。
6.根據權利要求1-5之一的表面層，其特徵在於，其含有25-95原子百分比的份額的金屬氧化物，優選為30-80原子百分比。
7.根據權利要求6的表面層，其特徵在於，金屬氧化物以晶體的形式存在，優選以晶粒粒度為10-150納米的晶體存在。
8.根據權利要求6或7的表面層，其特徵在於，金屬氧化物是二氧化鈦，優選以銳鈦礦或金紅石的形式。
9.根據權利要求6-8之一的表面層，其特徵在於，在表面層中鍍入的Ca離子和PO4離子分布於整個金屬氧化物-層上。
10.根據權利要求1-9之一的表面層，其特徵在於，層厚為0.5-10.0μm。
11.根據權利要求1-10之一的表面層，其特徵在於，多孔表面層的孔含有起藥理學作用的物質，優選為肽、生長因子、骨形態生成蛋白質、抗生素或消炎劑。
12.具有根據權利要求1-11之一的表面層的基材，其特徵在於，基材含有一種或多種元素Ti、Zr、Ta、Nb、Al、V、Mg(閥金屬)或它們的合金。
13.根據權利要求12的基材，其特徵在於，表面層至少部分地由金屬基材的納米晶體的或微米晶體的氧化物或混合氧化物構成。
14.根據權利要求13的基材，其特徵在於，表面層的主要組成成分由金屬基材的納米-或微米晶體的氧化物或混合氧化物構成，優選具有60-99體積％的份額。
15.具有根據權利要求1-11之一的表面層的基材，其特徵在於，基材由塑料構成，優選由聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯醚酮(PAEK)、聚醚醯亞胺(PEI)或液晶聚合物(LCP)、聚甲基戊烯(PMP)、聚碸(PSU)、聚醚碸(PESU或PES)、聚對苯二甲酸亞乙基酯(PETP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或超高分子聚乙烯(UHMW-PE)構成，在此，基材具有由閥金屬構成的金屬層。
16.用於在閥金屬或它們的合金上製備含磷酸鈣的、生物活性的、多孔的表面層，或在基材上閥金屬電鍍的方法，其中將所要電鍍的基材作為陽極放入水性的電解液中，電解液中含有鈣-和磷酸根-離子，其應沉積到所生成的鍍層中，且在電解液中，採用等壓或等壓脈衝和時間性改變電壓的火花放電而進行陽極-等離子化學表面改性，其特徵在於，A)具有鈣-和磷酸根加入物的電解液的pH-值調節到大於或等於9，並且電解液含有至少下列組分；B1)一種或多種濃度為0.01-6.00mol/l的有機螯合物形成劑或無機絡合物形成劑；B2)一種或多種濃度為0.01-6.00mol/1，優選為0.01-0.05mol/l的磷酸鹽化合物；B3)一種或多種濃度為0.01-6.00mol/l的用於調節所期望的鈣/磷酸根-比例的水溶性鈣化合物；和B4)一種或多種濃度為0.01-6.00mol/l的用於調節所期望的pH-值的鹼性添加劑。
17.根據權利要求16的方法，其特徵在於，螯合物形成劑是無機碳酸，優選為二-或多齒配位基或其羧酸鹽。
18.根據權利要求17的方法，其特徵在於，無機碳酸選自下列物質組檸檬酸、酒石酸、氨三乙酸(NTA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、1，2-環己二胺四乙酸(CDTA)、二亞乙基三胺五乙酸(DTPA)、2-羥乙基乙二胺三乙酸、三亞乙基四胺六乙酸(TTHA)；
19.根據權利要求16的方法，其特徵在於，螯合物形成劑是酮，優選為二-或多酮。
20.根據權利要求19的方法，其特徵在於，二酮是β-二酮(CH3-CO-CH2-CO-CH3)。
21.根據權利要求16的方法，其特徵在於，螯合物形成劑是具有優選≥2個磷酸根的有機磷酸或有機磷酸鹽。
22.根據權利要求16的方法，其特徵在於，螯合物形成劑是具有優選≥2個膦酸根的有機膦酸或有機膦酸鹽。
23.根據權利要求16的方法，其特徵在於，螯合物形成劑是具有優選≥2個亞磷酸根的有機亞磷酸或有機亞磷酸鹽。
24.根據權利要求16-23之一的方法，其特徵在於，螯合物形成劑作為鹽類存在。
25.根據權利要求16的方法，其特徵在於，無機絡合物形成劑包括CaX64-，優選地X＝氟化物。
26.根據權利要求16或25的方法，其特徵在於，絡合物形成劑具有0.06-0.24mol/l的濃度。
27.根據權利要求16-26之一的方法，其特徵在於，磷酸化合物是雙(磷酸二氫)鈣。
28.根據權利要求16-27之一的方法，其特徵在於，磷酸化合物具有0.01-0.05mol/l的濃度。
29.根據權利要求16-28之一的方法，其特徵在於，水溶性的鈣化合物是乙酸鈣。
30.根據權利要求16-29之一的方法，其特徵在於，水溶性鈣化合物具有0.03-0.15mol/l的濃度。
31.根據權利要求16-30之一的方法，其特徵在於，鹼性添加劑是氫氧化物，優選為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
32.根據權利要求16-31之一的方法，其特徵在於，鹼性添加劑具有0.5-1.5mol/l的濃度。
33.根據權利要求16-32之一的方法，其特徵在於，陽極化工藝過程的參數(電壓、電流、頻率、電鍍時間、浴槽幾何尺寸等)這樣選擇，以致於通過基材和電解液之間的反應形成鍍層，其中已經形成的層通過火花放電部分重結晶。
34.根據權利要求16-33之一的方法，其特徵在於，在電鍍過程中電解液的溫度為10-90℃，優選為20-75℃。
35.根據權利要求16-34之一的方法，其特徵在於，基材由元素Ti、Zr、Ta、Nb、Al、V、Mg或它們的合金構成，或者將形成阻擋層的金屬鍍層全方位或部分地鍍到任意的形式和表面特性的任意基材上。
36.根據權利要求16-35之一的方法，其特徵在於，通過對起始表面的化學性和/或機械性預處理而對表面形狀或表面形態產生影響。
37.根據權利要求36的方法，其特徵在於，化學性預處理是一種浸蝕法。
38.根據權利要求36的方法，其特徵在於，機械性預處理是一種射線輻照過程。
全文摘要
本發明的生物活性表面層特別適合用於醫用植入體和假牙。份額可變的0.1－50.0μm厚的、多孔的表面層由磷酸鈣相構成。其含有無定形的或納米晶形的磷酸鈣，表面層在表面處的孔密度為10
文檔編號A61F2/30GK1505532SQ01823110
公開日2004年6月16日 申請日期2001年4月2日 優先權日2001年4月2日
發明者V·M·弗勞奇傑, F·施洛特提格, M·泰克斯託, B·加塞, V M 弗勞奇傑, 慫僱, 逄靨岣 申請人:斯特泰克醫學股份公司, H·C·羅伯特·馬泰斯·斯蒂夫騰