DE10158302A1

DE10158302A1 - Electrolytic coating of metal implants with bio-active materials containing calcium phosphate, maintains implant cathodic in aqueous calcium phosphate

Info

Publication number: DE10158302A1
Application number: DE10158302A
Authority: DE
Inventors: Michael Martin Meyer; Helmut Schubert
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Meyer Dipl-Ing Michael Martin 14612 Falkense; SCHUBERT, HELMUT, PROF., 13465 BERLIN, DE
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2002-07-25

Abstract

The implant is connected as a cathode (3) in an aqueous solution containing calcium and phosphate ions (4). The polarization is maintained for 0.1 - 120 min.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von implantierbaren Metallkörpern mit bioaktiven Materialien gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for coating implantable metal bodies with bioactive materials according to the preamble of claim 1.

Hydroxylapatit (HAp) wird meist als Schichtwerkstoff einge setzt, da dieses Mineral von Natur aus im menschlichen oder tierischem Körper vorhanden sind.Hydroxyapatite (HAp) is mostly used as a layer material sets because this mineral is naturally in human or animal body are present.

Das auch synthetisch hergestellte Calciumphosphatmaterial zeigt ein ausgeprägtes bioaktives Verhalten und gewährlei stet im Gegensatz zu den bioinerten Werkstoffen wie bei spielsweise Titanlegierungen eine positive Wechselwirkung zwischen dem biologischen System und der Implantatoberflä che. Für die mechanische Stabilität des Skeletts ist der mineralische Anteil Hydroxylapatit, der ca. 50 Vol% des Knochens ausmacht, maßgebend. Demnach ist die Oberfläche eines Implantates mit ähnlichen chemischen und physikali schen Eigenschaften zu gestalten.The also synthetically produced calcium phosphate material shows a pronounced bioactive behavior and guarantees is in contrast to the bio-inert materials as in for example titanium alloys have a positive interaction between the biological system and the implant surface che. For the mechanical stability of the skeleton is the mineral portion of hydroxyapatite, which is approx. 50 vol% of the Bones, decisive. So the surface is an implant with similar chemical and physical design properties.

Daher wird HAp und auch das leicht resorbierbare Tricalci umphosphat (TCP), das von eigenen Körperzellen zu HAp umge wandelt wird, in der Traumatologie und bei perkutanen (hautdurchleitenden) Anwendungen oft benutzt. Im Fall der Hautdurchleitung ist das primäre Ziel die Abdichtung der Hautdurchtrittsstelle von außen nach innen und umgekehrt. Durch das Anwachsen der Hautzellen (Epidermis) an die Im plantatoberfläche kann das Eindringen bzw. das Ansiedeln bakterieller Zellen und/oder Vieren verhindert werden und folglich das Risiko von Infektionen verkleinert bzw. ausge schlossen werden (WO 94/22513).Therefore HAp and also the easily absorbable Tricalci umphosphate (TCP), which is converted from the body's own cells to HAp is changed, in traumatology and percutaneous (skin-penetrating) applications often used. In the case of Skin penetration is the primary goal of sealing the skin Skin penetration point from the outside in and vice versa. By the growth of the skin cells (epidermis) to the Im The implant surface can penetrate or settle bacterial cells and / or fours are prevented and consequently the risk of infections is reduced or eliminated be closed (WO 94/22513).

Das Einwachsen Osteogener- oder andere Gewebezellen in die porösen oder aufgerauhten Oberflächenstrukturen der Titan implantate, die die kraftübertragende Funktion gewährlei sten sollen, ist bekannt. Hierbei steht die Verankerung der Zellen in den vergrößerten Oberflächen der Implantate im Vordergrund.The ingrowth of osteogenic or other tissue cells in the porous or roughened surface structures of titanium implants that guarantee the force-transmitting function should be known. Here is the anchoring of Cells in the enlarged surfaces of the implants in the Foreground.

Weiterhin ist bekannt, daß zur Herstellung von Hydroxylapa titschichten z. B. das Plasmaspritzen, Ionenstrahlbeschich ten und elektrophoretische Abscheidung zur Anwendung kom men.It is also known that for the production of hydroxylapa tit layers z. B. plasma spraying, ion beam coating and electrophoretic deposition for use men.

Beschichtungen von Calciumphosphaten und Oxidkeramiken, die eine hohe mechanische Stabilität haben, können über mehrere unterschiedliche verfahrenstechnische Varianten hergestellt werden. Insbesondere ist das Plasmaspritzen mit HAp auf Ti tanimplantaten wie z. B. bei Endoprothesen oder bei Dental implantaten schon seit langem bekannt. Nachteilig sind hier vor allem hohe Prozeßtemperaturen, amorphe Bestandteile, ungewünschte CaO- und TCP-Gehalte, ungleichmäßige Schicht dicken in geometrisch komplizierten Bauteilen wie Gewinde und Ecken und keine Beschichtung in Hohlräume wie große Po ren oder Schäume. Es werden meist nur dicke Schichten von mehr als 100 µm hergestellt. Coatings of calcium phosphates and oxide ceramics, the can have a high mechanical stability over several different process engineering variants produced become. In particular, plasma spraying with HAp on Ti Tan implants such as B. in endoprostheses or in dental implants have been known for a long time. Disadvantages are here especially high process temperatures, amorphous components, undesired CaO and TCP contents, uneven layer thick in geometrically complex components such as threads and corners and no coating in cavities like big buttocks or foams. Usually only thick layers of manufactured more than 100 microns.

Beschichtungen aus der Gas bzw. Dampfphase mittels Sputter technik erlauben nur besondere apparative Aufbauten, insbe sondere bei Beschichtungen in inerter Atmosphäre. Sie sind daher kosten- und zeitaufwendig.Coatings from the gas or vapor phase using sputter technology allows only special equipment, esp especially for coatings in an inert atmosphere. they are therefore costly and time consuming.

Beschichtungen aus einer kolloidalen Lösung oder Suspension mittels Elektrophorese sind ebenfalls bekannt und werden in der DE 40 40 850 A1 beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren Hydroxlapatit auf Titan abzuscheiden, in dem ein aufgemahlenes HAp-Pulver zu einer kolloidalen Lösung mit organischen Binder hergestellt wurde und mittels Elek trophorese abgeschieden wurde, die mittels einer Nachbe handlung wieder entfernt werden müssen. Die Festigkeit der anhaftenden Pulver wurde durch eine anschließende Tempera turbehandlung oberhalb 900°C hergestellt.Coatings from a colloidal solution or suspension by means of electrophoresis are also known and are in DE 40 40 850 A1 described. This is a process of depositing hydroxyapatite on titanium in which a ground HAp powder to a colloidal solution was produced with organic binder and by means of elec trophoresis was deposited using a Nachbe must be removed again. The strength of the adhering powder was removed by a subsequent tempera turbo treatment above 900 ° C.

Ebenso können Calciumphosphatschichten auf Titan aus einer stabilen übersättigten Calciumphosphatlösung oder in einer simulierten Körperflüssigkeit über biomimetrische Prozesse hergestellt werden. Diese bilden sich jedoch erst nach ei nigen Tagen.Calcium phosphate layers on titanium can also be made from a stable supersaturated calcium phosphate solution or in a simulated body fluid via biomimetric processes getting produced. However, these only form after egg few days.

Bekannt geworden sind auch Dünnschichttechniken mittels elektrochemischer Modifikation einer Titanoberfläche und hydrothermaler Nachbehandlung. Dieses Verfahren beruht auf eine Spannungsentladung des als Anode geschaltetes Implan tats, welches mittels einer hohen Spannung von über 200 V die oxidierte Titanoberfläche mit Calcium- und Phosphorato men dotiert. Der Elektrolyt ist in diesem Fall eine wässri ge Lösung mit β-Glycerophosphat und Calciumacetat, also ei ne organische Verbindung von Phosphat und Calcium. Mittels einer hydrothermalen Behandlung bei 300°C kristallisiert anschließend die Hydroxylapatitschicht aus den vorliegenden Ca- und P-Atomen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die Titanoxidschicht mit Calcium und Phosphor mittels hohem Energieaufwand dotiert wird, die erst dem hydrothermalen Prozeß durch Diffusion zu HAp kristallisiert.Thin-film techniques have also become known electrochemical modification of a titanium surface and hydrothermal aftertreatment. This process is based on a voltage discharge of the implan connected as an anode tats, which by means of a high voltage of over 200 V the oxidized titanium surface with calcium and phosphorato men endowed. In this case the electrolyte is watery solution with β-glycerophosphate and calcium acetate, ie egg ne organic compound of phosphate and calcium. through a hydrothermal treatment crystallized at 300 ° C. then the hydroxyapatite layer from the present Ca and P atoms. A disadvantage of this method is that the titanium oxide layer with calcium and phosphorus by means of high Energy expenditure is doped, which is only the hydrothermal Process crystallized by diffusion to HAp.

Aus der DE 195 04 386 C2 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Titan bzw. Titanlegierungen mittels elektrochemischer Reaktion bekannt. Hierbei wird die Substratelektrode ab wechselnd kathodisch und anodisch geschaltet, damit ein fließender Übergang von der Calciumphosphatschicht zu dem oxidierten Titankörper aufbaut. Nachteilig ist, daß der Elektrolyt, bestehend aus CaCl₂ und NH₄H₂PO₄, mit NH₄OH auf einen geeigneten pH-Wert eingestellt werden muß und daß der Elektrodenaufbau teuer (Platinelektrode) und kompliziert ist.DE 195 04 386 C2 discloses a method for coating titanium or titanium alloys by means of an electrochemical reaction. Here, the substrate electrode is alternately switched cathodically and anodically, so that a smooth transition from the calcium phosphate layer to the oxidized titanium body builds up. It is disadvantageous that the electrolyte, consisting of CaCl ₂ and NH ₄ H ₂ PO ₄ , has to be adjusted to a suitable pH with NH ₄ OH and that the electrode structure is expensive (platinum electrode) and complicated.

In der DE 692 28 793 T2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Implantates angegeben, das im Wesentlichen darin be steht, daß mittels eines Plasma-Sprühverfahrens zur Ausbil dung einer Beschichtung, die aus Tricalciumphosphat be steht, auf einem metallischen Substrat mit einem hydrother malen Verfahren kombiniert wird, das ein Umwandeln der Be schichtung in eine Apatitkeramikschicht, in dem das be schichtete Kernmaterial bis zu 100 Stunden lang einer Be handlung bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck in einer wässrigen Lösung, die Calcium- und Phosphationen ent hält, unterzogen wird. Im Ergebnis wird ein sogenanntes stöchiometrisches Hydroxylapatit erzeugt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß sehr lange Behandlungszeiten er forderlich sind, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Weiterhin ist zu vermuten, daß es aufgrund des an sich be kannten, eingesetzten Plasmasprühverfahrens zur Ausbildung von sehr hohen Schichtdicken kommt, die für eine feste Ver bindung zwischen Gewebe und Metallkörper eher nachteilig sind.DE 692 28 793 T2 describes a process for the production indicated an implant, which essentially be is that by means of a plasma spray process for training a coating made of tricalcium phosphate stands on a metallic substrate with a hydrother paint method is combined, which involves converting the Be layering in an apatite ceramic layer in which the be layered core material for up to 100 hours act at elevated temperature and pressure in an aqueous solution that contains calcium and phosphate ions holds, is subjected. The result is a so-called stoichiometric hydroxyapatite generated. A disadvantage of this procedure is that he has very long treatment times are required to achieve the desired result. Furthermore, it can be assumed that it is due to the be known, used plasma spraying method for training comes from very high layer thicknesses, which for a solid Ver bond between tissue and metal body rather disadvantageous are.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe implantierbare Metallkörper mit bioaktiven Ma terialien, die Calciumphosphat enthalten, zu beschichten sind, wobei das aufgetragene Material fest mit der Metall oberfläche verbunden sein muß und sich besonders für das Einwachsen von Gewebezellen eignen soll. Darüberhinaus soll das Beschichtungsverfahren eine im Vergleich zu dem bisher bekannten Beschichtungsverfahren eine schnelle Auftragung auf dem Metallkörper ermöglichen.The object of the invention is to provide a method with the help of implantable metal bodies with bioactive Ma coating materials containing calcium phosphate are, the applied material firmly with the metal surface must be connected and especially for that Ingrowth of tissue cells should be suitable. In addition, should the coating process is one compared to the previous one known coating processes a quick application allow on the metal body.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.The problem is solved with the characteristic part of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments are in the subclaims specified.

So wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der implantierbare Metallkörper in einer wässrigen Calcium- und Phosphationen enthaltenden Behandlungslösung als Kathode geschaltet und diese Polarisierung für 0,1 bis 120 min auf recht erhalten wird. Die Spannung, die zwischen der Kathode und einer Anode angelegt wird, beträgt 1 bis 80 V, insbe sondere 2 bis 25 V. Zweckmäßig ist es, als Anode die Ge fäßwand zu verwenden.So the object is achieved in that the implantable metal body in an aqueous calcium and Treatment solution containing phosphate ions as cathode switched on and this polarization for 0.1 to 120 min will get right. The voltage between the cathode and an anode is applied, is 1 to 80 V, esp special 2 to 25 V. It is useful to use Ge as an anode to use the vessel wall.

Erfindungsgemäß ist es erforderlich, daß die Spannung 1 bis 20 min aufrecht erhalten wird. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere beim Aufrechterhalten der Spannung zwischen 2 bis 10 min optimale Resultate hinsichtlich einer kleinen Schichtdicke und einer inselartigen Struktur erreicht wer den, die zu einer Rauheit Ca₃PO₄-haltigen Schicht führen, die sich hervorragend eignet, das Einwachsen der dort an setzenden Osteogenen- oder anderen Gewebezellen zu begün stigen. Ein Konstanthalten der Spannung über den gesamten Behandlungszeitraum hat sich als sehr vorteilhaft hinsicht lich der Ausbildung der Schicht erwiesen. According to the invention, it is necessary that the voltage is maintained for 1 to 20 minutes. It has been shown that, in particular when maintaining the tension between 2 to 10 minutes, optimal results are achieved with regard to a small layer thickness and an island-like structure, which lead to a roughness Ca ₃ PO ₄ -containing layer, which is excellently suitable for waxing to settle there on osteogenic or other tissue cells. Keeping the voltage constant over the entire treatment period has proven to be very advantageous with regard to the formation of the layer.

Die Behandlungslösung wird erfindungsgemäß dadurch herge stellt, daß eine vorgelegte Calciumhydroxidlösung mit Phos phorsäure versetzt wird, bis ein pH-Wert zwischen 2,5 und 8 erreicht wird.The treatment solution is herge according to the invention represents that a submitted calcium hydroxide solution with Phos phosphoric acid is added until a pH between 2.5 and 8 is achieved.

Erfindungsgemäß soll die Behandlungslösung hinsichtlich der Konzentration an Calciumphosphat gesättigt sein. Gegebenen falls ist es erforderlich, vor dem eigentlichen Beginn der elektrochemischen Behandlung die Behandlungslösung zu fil trieren bzw. zu zentrifugieren, um ausgefallenes Phosphat abzutrennen.According to the treatment solution in terms of Concentration of calcium phosphate must be saturated. given if necessary, before the actual start of the electrochemical treatment to fil the treatment solution centrifuge or centrifuged to precipitated phosphate separate.

Wichtig für die Ausbildung der dünnen Schicht in Verbindung mit einer Inselstruktur ist die Homogenisierung der Behand lungslösung während der Aufrechterhaltung der Spannung. Das kann durch Rühren oder durch eine Ultraschallbehandlung er folgen.Important for the formation of the thin layer in connection with an island structure is the homogenization of the treatment solution while maintaining tension. The can by stirring or by ultrasound treatment consequences.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sollte die Metallkörperoberfläche vor dem Einbringen des Metall körpers in die Behandlungslösung einer Vorbehandlung unter zogen werden. Das kann erfindungsgemäß durch eine Behand lung des Körpers in Gegenwart einer Calciumhydroxidlösung bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einem Auto klaven erfolgen. Zum Anderen ist es erfindungsgemäß mög lich, diese Vorbehandlung auf physikalische Weise vorzuneh men, indem mittels einer Teilchenglimmentladung bzw. einem kalten Plasma die Behandlung der Oberfläche erfolgt.In an advantageous development of the invention the metal body surface before inserting the metal body in the treatment solution under a pretreatment be drawn. According to the invention, this can be done by a treatment body in the presence of a calcium hydroxide solution at increased pressure and temperature in a car enslaved. On the other hand, it is possible according to the invention Lich to do this pretreatment physically men by means of a particle glow discharge or cold plasma treatment of the surface is done.

Es hat sich gezeigt, daß die auf diese Weise, nämlich durch elektrochemische Behandlung der Metallkörperoberflächen, erzeugte Beschichtung zu einem Gemisch von unterschiedli chen Modifikationen des Calciumphosphates führen. Vorteil hafterweise lassen sich diese gebildeten Modifikationen durch eine Nachbehandlung bei erhöhtem Druck und bei erhöh ter Temperatur in Gegenwart von Calciumhydroxidlösung schnell in ein Hydroxylapatit überführen, ohne daß die vor her gebildete dünne Schicht und die inselartige Struktur zerstört werden. Dieser Vorgang läuft relativ schnell ab. In Abhängigkeit von der Schichtdicke wird diese Nachbehand lung zwischen 0,5 und 24 Stunden, insbesondere zwischen 1 und 5 Stunden, durchgeführt. Die Nachbehandlung kann bei spielsweise in einem Autoklaven durchgeführt werden. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, diesen Autoklaven mit Teflon auszukleiden. Die gewählten Temperaturen und Drücke liegen zwischen 80 und 200°C bzw. zwischen 2 und 10 bar. Die je weils zu wählenden Bedingungen sind abhängig von der geför derten qualitativen und quantitativen Zusammensetzung der dünnen Schicht.It has been shown that in this way, namely through electrochemical treatment of metal body surfaces, generated coating to a mixture of differ Chen modifications of the calcium phosphate lead. benefit unfortunately, these modifications can be made by post-treatment at elevated pressure and at elevated ter temperature in the presence of calcium hydroxide solution quickly convert to a hydroxyapatite without the forth formed thin layer and the island-like structure be destroyed. This process takes place relatively quickly. Depending on the layer thickness, this post-treatment is carried out between 0.5 and 24 hours, especially between 1 and 5 hours. The aftercare can for example in an autoclave. It has proved to be expedient, this autoclave with Teflon undress. The selected temperatures and pressures are between 80 and 200 ° C or between 2 and 10 bar. The ever The conditions to be selected depend on the hazard the qualitative and quantitative composition of the thin layer.

Die implantierbaren Metallkörper, die nach dem erfindungs gemäßen Verfahren beschichtet werden, sind beispielsweise solche aus Titan, Chrom, Nickel, Aluminium und deren Legie rungen mit Siliziumkupfer und Magnesium sowie aus entspre chenden Stahllegierungen.The implantable metal body according to the Invention appropriate methods are coated, for example those made of titanium, chrome, nickel, aluminum and their alloy with silicon copper and magnesium as well as from corrections steel alloys.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, geome trisch komplizierte Bauteile zu beschichten, die sich mit den bekannten, herkömmlichen Beschichtungsverfahren nicht vorteilhaft haben beschichten lassen.With the method according to the invention it is possible to geome to coat technically complicated components that not the known, conventional coating processes advantageous to have coated.

Die Beschichtung erfolgt allseitig bis in die kleineren, offenen Poren der Metalloberfläche hinein. Einfaches Struk turieren der Metalloberfläche, z. B. durch Schleifen, Sand strahlen oder Aufschäumen der Oberfläche, behindert nicht eine gleichmäßige Ausbildung einer Hydroxylapatitschicht. The coating is applied on all sides down to the smaller, open pores in the metal surface. Simple structure turieren the metal surface, for. B. by grinding, sand radiate or foam on the surface, does not interfere uniform formation of a layer of hydroxyapatite.

Die Oberflächenkontur bleibt somit erhalten. Unter kosten günstigen Bedingungen und mit kurzer Prozeßzeit können auch implantierbare geometrisch komplizierte Metallkörper erfin dungsgemäß beschichtet werden.The surface contour is therefore retained. Under cost favorable conditions and with a short process time can also implantable geometrically complex metal body invented be coated according to the invention.

Die erfindungsgemäße Weiterbildung, nämlich eine dünne Cal ciumphosphatschicht auf ein metallisches Implantat von we nigen nm bis zu einigen µm aus einer reinen Ca²⁺-PO₄ ^3--Lösung direkt zu kristallisieren, die in einem zweiten Prozeß zu einer festhaltenden Hydroxylapatitschicht umgewandelt wird, dient zugleich der Sterilisation des ganzen ImplantatesThe further development according to the invention, namely to crystallize a thin calcium phosphate layer on a metallic implant from a few nm up to a few μm directly from a pure Ca ²⁺ -PO ₄ ^3- solution, which is converted into a retaining hydroxylapatite layer in a second process, also serves to sterilize the entire implant

Mittels einer nachträglichen Wärmebehandlung kann die Hy droxylapatitschicht oberflächig zu dem leicht resorbierba ren Tricalciumphosphat umgewandelt werden, so daß ein Schichtsystem von TCP-HAp-CaTiO₃ auf dem Titanimplantat möglich ist. Aufgrund der schnelleren Resorbierbarkeit von TCP sind auch Anwendungen in der mittel- oder kurzweiligen Implantologie denkbar. Es werden keine Zusatzstoffe wie Binder oder Verflüssiger, die später entfernt werden müs sen, verwendet. Es handelt sich ausschließlich um eine rei ne wässrige Calcium/Phosphat Lösung, so daß keine Verunrei nigungen entstehen und ein hohes Maß der Biokompatibilität erreicht wird.By means of a subsequent heat treatment, the surface of the hydroxyapatite hy can be converted to the easily resorbable tricalcium phosphate, so that a layer system of TCP-HAp-CaTiO ₃ on the titanium implant is possible. Due to the faster resorbability of TCP, applications in medium or short-term implantology are also conceivable. No additives, such as binders or plasticizers, that have to be removed later are used. It is exclusively a pure aqueous calcium / phosphate solution, so that no impurities arise and a high degree of biocompatibility is achieved.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von verfahrenstech nischen beispielhaften Details unter der Zugrundelegung ei nes Metallkörpers aus Reintitan näher beschrieben. Bei der weiteren Beschreibung wird Bezug genommen auf Fig. 1 bis Fig. 8.The invention is described in more detail below with reference to procedural technical details based on a metal body made of pure titanium. In the further description, reference is made to Fig. 1 to Fig. 8.

Es zeigenShow it

Fig. 1 SIMS Tiefenprofil nach der Ca(OH)₂-Modifikation, Calciumtitantschicht mit abnehmendem Calciumgehalt, Fig. 1 SIMS depth profile after the Ca (OH) ₂ modification, calcium titanium layer with decreasing calcium content,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Benetzungsverhal tens in Bezug auf die Oberflächenenergie (Quelle: Material signs and technologie, "Medical and dental materials", vol. 14), Figure 2 is a schematic representation of the Benetzungsverhal least with respect to the surface energy. (Source:. Signs material and technology, "Medical and Dental Materials", vol 14),

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 3 is a schematic representation of an apparatus for performing the method,

Fig. 4 eine elektrochemische Beschichtung von Dicalcium phosphatdihydrit (DCPD) auf einem Titannetz (REM-Aufnahme), Fig. 4 is an electrochemical coating of dicalcium phosphatdihydrit (DCPD) on a titanium mesh (SEM photograph),

Fig. 5 rasterelektronische Aufnahmen der Beschichtung auf einem Titannetz nach der hydrothermalen Behandlung, Fig. 5 scanning electron micrographs of the coating on a titanium mesh after the hydrothermal treatment,

Fig. 6 eine EDX-Elementverteilung nach der Hydrothermalbe handlung, Figure 6 treatment. EDX element distribution after Hydrothermalbe,

Fig. 7 XRD, streif.Einf.Phasenbestimmung, Brushite- Beschichtung nach elektrochemischen Prozeß und Fig. 7 XRD, striped phase determination, brushite coating after electrochemical process and

Fig. 8 XRD, streif.Einf.Phasenbestimmung, Hydroxylapatit nach der Hydrothermalbehandlung. Fig. 8 XRD, streaked simple phase determination, hydroxyapatite after the hydrothermal treatment.

Bekannt ist, daß zur Beschichtung aus einer übersättigten Calciumphosphatlösung die chemische Oberflächemnodifizie rung von Titan mit NaOH erfolgt. Dies führt einerseits zu einer verbesserten Haftfestigkeit von Hydroxylapatit und andererseits zu einer frühzeitigeren heterogenen Keimbil dung. Die natürlich oxidierte Titanoberfläche wird mittels der NaOH-Lösung geätzt und teilweise zu einer Natriumtita natschicht umgewandelt. It is known that for coating from a supersaturated Calcium phosphate solution the chemical surface modification tion of titanium with NaOH. On the one hand, this leads to an improved adhesive strength of hydroxyapatite and on the other hand to an earlier heterogeneous germ dung. The naturally oxidized titanium surface is created using the NaOH solution etched and partially to a sodium tita natural layer converted.

Das ist auch, wie es erfindungsgemäß weiterbildend vorgese hen ist, mittels einer Ca(OH)₂-Lösung mit einer Druck- Temperatur Behandlung im Autoklaven möglich. Der Tempera turbereich liegt zwischen 100 und 250°C mit einem Druck bis zu 20 bar. Vorzugsweise ist hier die Konzentration nahe der maximalen Löslichkeit nämlich 0,022 M zu nehmen. Die Ele mentverteilung nach der Behandlung und nach Reinigung im Ultraschallbad zeigt Calcium und eine erhöhte Sauerstoff konzentration in der Oberfläche, wie aus Fig. 1 ersicht lich.This is also possible, as is further developed according to the invention, by means of a Ca (OH) ₂ solution with a pressure-temperature treatment in the autoclave. The temperature range is between 100 and 250 ° C with a pressure of up to 20 bar. The concentration close to the maximum solubility is preferably 0.022 M. The element distribution after treatment and after cleaning in an ultrasonic bath shows calcium and an increased oxygen concentration in the surface, as can be seen from FIG. 1.

Eine physikalische Modifikation der Titan- bzw. Metallober fläche kann auch entsprechend einer erfindungsgemäßen Wei terbildung über eine Teilchen-Glimmentladung bzw. ein "kal tes Plasma" (RFGD: Radio Frequence Glow Discharge) durchge führt werden. Hierbei erhöht sich die Oberflächenenergie des Metallkörpers, was zu einem verbesserten Benetzungsver halten führt und damit die Haftfestigkeit und die Bildung sehr dünner Schichten begünstigt und offensichtlich auch die schnelle Schichtbildung begünstigt. Vorzugsweise ist bei Titan eine Leistung von 125 Watt, eine Behandlungsdauer von 2 min. ein Druck von 0,5 Torr und Sauerstoff als Trä gergas anzuwenden. Diese Parameter sind jedoch stark von der Geometrie des Plasmagerätes (verwendetes Gerät: Emitech K1050) abhängig und können somit stark variieren. Das Be netzungsverhalten mit Wasser kann in jedem Fall von unbe handelten Oberflächen mit einem Kontaktwinkel von ca. 60° bis nahezu zur vollständigen Benetzung (≈ 0°) verändert werden, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.A physical modification of the titanium or metal surface can also be carried out in accordance with a further development according to the invention via a particle glow discharge or a "cold plasma" (RFGD: Radio Frequency Glow Discharge). Here, the surface energy of the metal body increases, which leads to an improved wetting behavior and thus favors the adhesive strength and the formation of very thin layers and obviously also favors the rapid layer formation. Titanium has a power of 125 watts, a treatment time of 2 minutes. use a pressure of 0.5 torr and oxygen as the carrier gas. However, these parameters strongly depend on the geometry of the plasma device (device used: Emitech K1050) and can therefore vary widely. The wetting behavior with water can in any case be changed from untreated surfaces with a contact angle of approx. 60 ° to almost complete wetting (≈ 0 °), as is shown schematically in FIG. 2.

Fig. 3 zeigt schematisch und beispielhaft eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens. Fig. 3 shows schematically and by way of example a possible device for performing the method according to the invention.

Die Beschichtung wird aus einer wässrigen Behandlungslösung 4 hergestellt, bestehend aus den Ausgangskomponenten Ca(OH)₂ und H₃PO₄. Es wird soviel H₃PO₄ dem Ca(OH)₂ zu titriert bis sich ein pH-Wert kleiner als 8,3 und größer 4,3 einstellt. Vorzugsweise liegt der pH-Wert bei 5 bis 6, das entspricht in etwa ein Ca/P Verhältnis von 1/1. Die so hergestellte Behandlungslösung wird zentrifugiert und de kantiert. Das zu beschichtende Implantat, hier ein Titan plättchen, wird nach der Vorbehandlung in der Behandlungs lösung 4 als Kathode 3 geschaltet. Die Anode 2 ist ein me tallischer Körper oder eine elektrisch leitende Gefäßwand. Aufgrund der positiv geladenen Ca²⁺ Ionen, die sich im elektrischen Feld zur Kathode 3 bewegen, entsteht eine Kon zentrationserhöhung an der Oberfläche der Kathode 3, die dann zur Ausscheidung kristalliner Calciumphosphate wie Mo netit bzw. Brushit führt. Die mittels des Spannungsgebers 1 angelegte Spannung beträgt hier 10 V, wobei niedrigere Spannungen eine gleichmäßigere und feinere kristalline Be schichtung erlauben. Die Stromdichte beträgt dabei ca. 5 mA/cm² und steigt nach 10minütiger Behandlung auf ca. 7 mA/cm² an. Der Abstand zwischen Anode 2 und Kathode 3 be trägt 1 bis 2 cm, kann aber in bezug auf die Stromstärke und -dichte variiert werden. Abhängig von der Zeit und Spannung kann die Schichtdicke bestimmt werden. Für eine durchschnittlich 3 µm Schicht beträgt die Behandlungszeit etwa 10 min. Das als Anode 2 ausgebildete Gefäß befindet sich in einem Ultraschallbad 5, das die Homogenisierung der Behandlungslösung 4 bewirkt.The coating is produced from an aqueous treatment solution 4 , consisting of the starting components Ca (OH) ₂ and H ₃ PO ₄ . So much H ₃ PO _{4 is} titrated to the Ca (OH) ₂ until a pH of less than 8.3 and greater than 4.3 is established. The pH is preferably 5 to 6, which corresponds approximately to a Ca / P ratio of 1/1. The treatment solution thus prepared is centrifuged and decanted. The implant to be coated, here a titanium plate, is switched as the cathode 3 in the treatment solution 4 after the pretreatment. The anode 2 is a metallic body or an electrically conductive vessel wall. Due to the positively charged Ca ²⁺ ions, which move to the cathode 3 in the electric field, there is a concentration increase at the surface of the cathode 3 , which then leads to the excretion of crystalline calcium phosphates such as monite or brushite. The voltage applied by means of the voltage generator 1 is 10 V here, with lower voltages allowing a more uniform and finer crystalline coating. The current density is approx. 5 mA / cm ² and rises to approx. 7 mA / cm ² after 10 minutes of treatment. The distance between anode 2 and cathode 3 be 1 to 2 cm, but can be varied with respect to the current strength and density. The layer thickness can be determined depending on the time and voltage. The treatment time for an average 3 µm layer is about 10 minutes. The vessel designed as anode 2 is located in an ultrasonic bath 5 , which causes the treatment solution 4 to be homogenized.

Die überwiegend quantitative Umwandlung der Mone tit/Brushit-Schicht in Hydroxydapatit kann in einer Weiter bildung der Erfindung zur Optimierung der bioaktiven Eigen schaft der Schicht beitragen. The predominantly quantitative conversion of the mons tit / brushite layer in hydroxyapatite can in a further education of the invention to optimize the bioactive Eigen contributing to the shift.

In Fig. 4 und Fig. 5 sind rasterelektronische Aufnahmen ei ner Monelit/Brushit-Schicht und einer Hydroxylapatit- Schicht auf einem Titannetz dargestellt. Deutlich sind die inselartigen Strukturen erkennbar.Scanning electron micrographs ei ner Monelit / brushite layer and a hydroxyapatite layer in FIG. 4 and FIG. 5 are shown on a titanium net. The island-like structures are clearly recognizable.

Gemäß der Gleichung
According to the equation

3 CaPO₃(OH).H₂O + 2 Ca(OH)₂ → Ca₅(PO₄)₃(OH) + 4 H₂O
3 CaPO ₃ (OH) .H ₂ O + 2 Ca (OH) ₂ → Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ (OH) + 4 H ₂ O

wandelt sich z. B. Brushit in Gegenwart von Calciumhydroxyd unter erhöhtem Druck und Temperatur zu Hydroxylapatit und Wasser um. Die beschichteten Implantate werden mit einer 0,02 M Ca(OH)₂ in einen mit Teflon ausgekleideten Autoklaven gegeben. Der pH-Wert von 8 sollte hierbei nicht unter schritten werden, da sonst die Reaktion nicht vollständig abläuft und das Ca/P Verhältnis von 1,67 nicht hergestellt werden kann. In diesem Fall (z. B. bei sehr großen Implanta ten und dicken Schichten) ist eine übersättigte Ca(OH)₂- Lösung notwendig. Beispielsweise wird in 3 Stunden das Brushit bei einer Temperatur von 150°C und einem Druck von 3 bar zu Hydroxylapatit umgewandelt. Das Autoklavieren bei über 134°C hat noch den entscheidenden Vorteil das Implantat im letzten Verfahrensschritt zu sterilisieren. Zur Optimie rung hinsichtlich der Haftfestigkeit und des Phasenbestan des können die Verfahrensparameter Druck, Temperatur und Zeit im Autoklaven spezifisch dem thermodynamischen Modifi kationswechsel zu Hydroxylapatit angepaßt werden.changes z. B. brushite in the presence of calcium hydroxide under elevated pressure and temperature to hydroxylapatite and water around. The coated implants are placed with a 0.02 M Ca (OH) ₂ in an autoclave lined with Teflon. The pH should not fall below 8, as otherwise the reaction will not go to completion and the Ca / P ratio of 1.67 cannot be established. In this case (e.g. with very large implants and thick layers) a supersaturated Ca (OH) ₂ solution is necessary. For example, the brushite is converted to hydroxylapatite in 3 hours at a temperature of 150 ° C and a pressure of 3 bar. Autoclaving at over 134 ° C has the decisive advantage of sterilizing the implant in the last process step. The process parameters pressure, temperature and time in the autoclave can be specifically adapted to the thermodynamic modification change to hydroxylapatite in order to optimize the adhesive strength and the phase inventory.

Mittels energiedispersiver Elementverteilung (Fig. 6) und röntgenographischer Phasenuntersuchungen (Fig. 7 und Fig. 8) im Untersuchungsverfahren des streifenden Einfallswin kels konnten die entsprechenden Elemente und Phasen ermit telt werden.By means of energy-dispersive element distribution ( Fig. 6) and X-ray phase examinations ( Fig. 7 and Fig. 8) in the examination process of the grazing angle of incidence, the corresponding elements and phases could be determined.

Claims

1. A method for coating implantable metal bodies with bioactive materials containing calcium phosphate, characterized in that the metal body in a treatment solution containing aqueous calcium and phosphate ions switched as a cathode and this polarization maintained for 0.1 to 120 min becomes.

2. The method according to claim 1, characterized in that a voltage of between the cathode and an anode 1 to 80 V, in particular from 2 to 25 V, is applied.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the tension is maintained for 1 to 20 min.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the tension is maintained for 2 to 10 min.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the tension is constant over the entire period will.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for the preparation of the treatment solution to a pre-laid calcium hydroxide solution (Ca (OH) ₂ ) phosphoric acid (H ₃ PO ₄ ) is added.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that pH between 2.5 and 8 in the treatment solution is set.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in the treatment solution a saturated solution of Cal ciumphosphate is discontinued.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the treatment solution before starting the electrochemical Treatment is filtered or centrifuged if necessary.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the treatment solution while maintaining the Voltage is homogenized.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the metal body surface before inserting the me tall body in the treatment solution of a pretreatment treatment.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the pretreatment is carried out in the presence of a Ca (OH) ₂ solution at elevated pressure and temperature.

13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that a physical pretreatment using a part Chen glow discharge or a cold plasma.

14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that after the electrochemical treatment, the metal bodies are subjected to a post-treatment at elevated pressure and at elevated temperature in the presence of Ca (OH) ₂ .

15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the after-treatment was carried out between 0.5 and 24 h becomes.

16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the aftertreatment is carried out between 1 and 5 h.

17. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the temperature between 80 and 200 ° C during the aftermath action is discontinued.

18. The method according to any one of claims 1 to 17, characterized in that the pressure in the aftertreatment between 1 and 10 bar is set.

19. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that as an implantable metal body z. B. titanium, Chromium, nickel, aluminum and their alloys with sili zium, copper and magnesium as well as from corresponding Steel alloys are used.