DE69533448T2

DE69533448T2 - Preparierung einer implantatoberfläche

Info

Publication number: DE69533448T2
Application number: DE69533448T
Authority: DE
Inventors: D. Keith BEATY
Original assignee: Implant Innovations Inc
Current assignee: Biomet 3I LLC
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2015-12-01
Also published as: NO972425D0; NO310332B1; DE69536061D1; US7857987B2; DE69533448D1; US7547399B2; JPH11511662A; EP0794745B1; EP0794745A4; US20080135521A1; JP3681396B2; EP1488760A3; EP0794745A1; US7550091B2; ATE274861T1; EP1488760B1; KR100402637B1; US5603338A; US5876453A; NO972425L

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Oberflächen von Vorrichtungen, welche chirurgisch in lebenden Knochen implantiert werden sollen, und ein Implantat mit der verbesserten Oberfläche.
Hintergrund der Erfindung
Der Erfolg von prothetischen Vorrichtungen, welche chirurgisch in lebenden Knochen implantiert werden, hängt vollständig davon ab, dass eine dauerhafte Verbindung zwischen den sich gegenüberliegenden bzw. konfrontierenden Oberflächen der Vorrichtung und des Wirtsknochens erzielt und beibehalten wird. Chirurgische Verfahren zur Vorbereitung des lebenden Knochens, welcher eine chirurgisch implantierte prothetische Vorrichtung aufnehmen soll, sind seit 20 Jahren oder länger bekannt, es verbleibt jedoch eine erhebliche Kontroverse betreffend der idealen Eigenschaften der Oberfläche der Vorrichtung, welche dem Wirtsknochen gegenüberliegt.
Es ist durch klinische Erfahrung, die sich über einige Jahrzehnte erstreckt, bekannt, dass Titan und dessen verdünnte Legierungen ausgezeichnete Biokompatibilität mit lebenden Knochen aufweist, um geeignete Materialien zur Verwendung bei der Herstellung von chirurgisch implantierbaren prothetischen Vorrichtungen zu sein, wenn das Gebiet des Einbaus geeignet vorbereitet wird, um diese aufzunehmen. Es gibt jedoch wenig Gewissheit über die idealen physikalischen Eigenschaften der Oberfläche der prothetischen Vorrichtung, welche dem Wirtsknochen gegenüberliegt. Zum Beispiel zeigt das dentale Implantat, welches aus Titan hergestellt ist, einen ausreichend vorhersehbaren Erfolg, die künstliche Wurzel zu werden, welche am häufigsten gewählt wird, um das Gebiss von zahnlosen Patienten wiederherzustellen, der Erfolg hängt jedoch zum Teil von der mikromorphologischen Natur der Oberfläche des Implantats ab, welche in Kontakt mit dem Wirtsknochen steht. Da es keinen Standard für die Mikromorphologie der Oberfläche von Zahnimplantaten gibt, weisen die Oberflächen von kommerziellen Implantaten einen weiten Bereich von möglichen Texturen auf. Es ist bekannt, dass die Osseointegration von Zahnimplantaten zum Teil von der Befestigung und der Ausbereitung von Knochenbildner-ähnlichen Zellen auf der Implantatoberfläche abhängt. Es scheint, dass solche Zellen einfacher an rauhen Oberflächen als an glatten Oberflächen haften, eine optimale Oberfläche für eine Langzeitstabilität wurde jedoch bisher noch nicht definiert.
Wilke, H.J. et al. haben gezeigt, dass es möglich ist, die Haltekraft von Implantaten zu beeinflussen, indem die Morphologie der Oberflächenstruktur verändert wird: „The Influence of Various Titanium Surfaces on the Interface Strength between Implants and Bone", Advances in Biomaterials, Band 9, Seite 309–314, Elsevier Science Publishers BV, Amsterdam, 1990. Während gezeigt wird, dass die erhöhte Oberflächenrauhigkeit ein stärkeres Verankern bereitstellt, kommentieren diese Autoren, dass es „nicht ausschließlich aus der Rauhigkeit einer Oberfläche, wie in dem Experiment dargestellt, abgeleitet werden kann. Offensichtlich hängt die Scherfestigkeit auch von der Art der Rauhigkeit und den vorhandenen Abmessungen in der rauhen Oberfläche ab, die durch chemische Behandlung modifiziert werden kann." Buser, D. et al., „Influence of Surface Characteristics on Bone Integration of Titanium Implants", Journal of Biomedical Materials Research, Band 25, Seite 889–902, John Wiley & Sons, Inc., 1991, berichten die Überprüfung von Knochenreaktionen auf die Titanimplantate mit verschiedenen Oberflächeneigenschaften, um die biomechanischen Ergebnisse, welche von Wilke et al. berichtet wurden, auszudehnen. Die Autoren legen dar, dass glatte und Titanplasma-gesprühte („TPS") Implantatoberflächen mit Implantatoberflächen verglichen wurden, die durch alternative Verfahren hergestellt wurden, wie Sandstrahlen, Sandstrahlen kombiniert mit Säurebehandlung und Plasma-beschichtet mit HA. Die Untersuchung wurde mit Hilfe mit histomorphometrischen Analysen durchgeführt, welche die Ausdehnung der Knochen-Implantat-Grenzfläche in der Spongiosa misst. Die Autoren legen dar, dass „geschlossen werden kann, dass die Ausdehnung der Knochen-Implantat-Grenzfläche positiv mit einer erhöhten Rauhigkeit der Implantatoberfläche zusammenhängt."
Frühere Versuche, die unternommen wurden, um biokompatible Oberflächen an chirurgisch implantierbaren prothetischen Vorrichtungen zu erzielen, haben viele Formen angenommen, umfassend Säureätzen, Ionenätzen, chemisches Mahlen, Laserätzen und Funkenerosion, wie auch Beschichten, Umhüllen und Plattieren der Oberfläche mit verschiedenen Materialien, zum Beispiel Knochen-kompatiblen Apatitmaterialien, wie Hydroxyapatit oder Whitlockit oder vom Knochen abgeleiteten Materialien. Beispiele der U.S. Patente auf diesem Gebiet sind 3,855,638 und 4,818,559. Ein Verfahren der Ionen strahl-Sputtermodifikationen auf der Oberfläche von biologischen Implantaten ist von Weigand, A. J. et al. in J. Vac. Soc. Technol., Band 14, Nr. 1 Jan./Feb. 1977, Seite 326-331 beschrieben worden.
Wie Buser et al. (Ibid Seite 890) ausführen, bleibt der Prozentanteil der Knochen-Implantat-Grenzfläche, die notwendig ist, um eine ausreichende Verankerung zu erzielen, um eine erfolgreiche Implantatfunktion als eine krafttragende Einrichtung über einen Zeitraum zu erzielen, unklar. Ähnlich zeigen Wennerberg et al. „Design and Surface Characteristics of 13 Commercially Available Oral Implant Systems" Int. J. Oral Maxillofacial Implants 1993, Seite 622 – 633, dass sich unterschiedlich untersuchte Implantate deutlich in der Oberflächentopografie unterscheiden und kommentieren: „Welche der Oberflächenrauhigkeitsparameter das Ergebnis eines Implantates am besten beschreibt und vorhersagt, ist nicht bekannt" (Seite 632).
Hochfrequenz-Glüh-Entladungsbehandlungen, auch als Plasmareinigungs-(„PC")-Behandlung bezeichnet, sind in Swart, K. M. et al. „Short-term Plasma-cleaning Treatments Enhance in vitro Osteoblast Attachment to Titanium", Journal of Oral Implantology, Band XVIII, Nr. 2 (1992), Seite 130 – 137 beschrieben. Diese Autoren kommentieren, dass Gasplasma verwendet werden können, um organische Verunreinigungen und dünne existierende Oxide zu entfernen. Ihre Schlussfolgerungen empfehlen, dass kurzzeitige PC-Behandlungen eine relativ verunreinigungsfreie stark benetzbare Oberfläche erzeugen können. Die U.S. Patente Nr. 5,071,351 und Nr. 5,188,800, welche beide dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehören, beschreiben und beanspruchen Verfahren und Mittel zur PC-Reinigung von einem chirurgischen Implantat, um einen Kontaktwinkel von weniger als 20 Grad bereitzustellen.
EP-A-0 388 575 offenbart ein Implantat mit einer porösen Oberfläche mit einer Mikro-Rauhigkeit mit einer Porengröße von 2 um oder weniger. Dieses Implantat wird hergestellt durch Behandlung mit einer reduzierenden Säure wie HF, HCl oder HCl + H₂SO₄.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Implantat mit einer Rauhigkeit bereitzustellen, die im wesentlichen über die Fläche des Implantats gleichmäßig ist, welche sich mit dem Knochen verbinden soll, in welchen das Implantat eingeführt wird, und welches auf seiner Oberfläche eine im wesentlichen gleichförmige Mikromorphologie aufweist und welches hergestellt werden kann, ohne die Oberflächen zu verunreinigen, wie auch ein Verfahren zur Herstellung der Oberfläche solch eines Implantats.
Dieser Gegenstand wird durch das Implantat und das Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 10 erzielt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die ursprüngliche Oxidschicht von der Oberfläche eines Titanimplantats entfernt, um eine Oberfläche bereitzustellen, die weiter behandelt werden kann, um eine im wesentlichen gleichmäßige Oberflächenstruktur oder Rauhigkeit bereitzustellen, und anschließend eine weitere und sich unterscheidende Behandlung der resultierenden Oberfläche im wesentlichen in Abwesenheit von unreagiertem Sauerstoff durchgeführt. Die Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht kann durch jedes gewünschte Verfahren bewirkt werden, wird jedoch vorzugsweise durch Eintauchen des Implantats in Flusssäure unter Bedingungen bewirkt, welche das ursprüngliche Oxid schnell entfernen, während im wesentlichen eine gleichförmige Oberfläche auf dem Implantat beibehalten wird. Die weitere Behandlung unterscheidet sich von der Behandlung, welche verwendet wurde, um die ursprüngliche Oxidschicht zu entfernen und erzeugt eine gewünschte gleichmäßige Oberflächentextur, Säure-ätzen der Oberfläche, die nach der Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht zurückbleibt. Um das Verbinden des Implantats an dem Knochen zu unterstützen, in welchen es implantiert wird, kann ein das Knochenwachstum unterstützendes Material, wie Knochenmineralien, Hydroxyapatit, Whitelockit oder knochenmorphogene Proteine an der behandelten Oberfläche abgeschieden werden. Das Implantat wird vorzugsweise in einer Sauerstofffreien Umgebung nach der Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht gehalten, um die Möglichkeiten zu minimieren, dass sich das Oxid wieder bildet, bevor die nachfolgende Behandlung durchgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein diagrammartiger Schnitt durch einen Titankörper, welcher mit einer Schicht des ursprünglichen Oxids bedeckt ist;
2 ist der gleiche Abschnitt, welcher in 1 dargestellt ist, nachdem die Oberfläche mit einem feinen Kies beaufschlagt wurde;
3 ist der gleiche Bereich wie in 2 dargestellt, nach dem Ätzen des Körpers mit einer Ätzsäure;
4 ist der gleiche Bereich welcher in 2 dargestellt ist, nachdem zunächst das ursprüngliche Oxid entfernt wurde und anschließend der Körper mit einer Säure geätzt wurde;
5A und 5B sind Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen („SEM") von zwei Titan-Zahnimplantate, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
6A und 6B sind SEM's der gleichen Implantate, welche in 5A und 5B dargestellt wurden, mit einer höheren Vergrößerung;
7 ist eine Kurve der Ergebnisse einer Auger Elektronenspektroskopie-Analyse einer Titanoberfläche, welche Luft ausgesetzt wurde.
8A und 8B sind SEM's von zwei Zahnimplantaten, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden; und
9A und 9B sind SEM's der gleichen Implantate, welche in den 8A und 8B gezeigt sind, mit einer höheren Vergrößerung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bezugnehmend auf die Figuren, und zunächst auf 1, weist ein Titankörper 10, welcher Luft ausgesetzt wurde, an seiner Außenoberfläche 12 eine unregelmäßige Schicht 14 aus einem Oxid oder Oxiden von Titan auf, welche sich natürlich bilden. Diese Oxidschicht 14 wird hier als „ursprüngliche Oxid" Schicht bezeichnet und weist typischerweise eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 150 Angstrom auf. Diese ursprüngliche Oxidschicht, welche sich natürlich auf dem Titan bildet, wenn dieses Luft ausgesetzt ist, ist tatsächlich eine Kombination unterschiedlicher Oxide des Titans, umfassend TiO, TiO₂, Ti₂O₃ und Ti₃O₄. Die Konzentration dieser Oxide verringert sich in dem Titankörper mit Entfernung von der Oberfläche des Körpers. Die Oxidkonzentration kann mit einem Auger Spektrometer gemessen werden.
Die Auger Elektronenspektroskopie (AES) misst die Energie von Auger Elektronen, die erzeugt werden, wenn ein angeregtes Atom sich durch ein strahlungsloses Verfahren nach der Ionisierung durch ein Elektron mit hoher Energie, Ionen- oder Röntgenstrahl entspannt. Das Spektrum einer Menge an Elektronen, die als eine Funktion der Energie emittiert werden, geben eine Information über die chemische Umgebung des getesteten Materials wieder. Eine der Hauptverwendungen von AES ist die Tiefenuntersuchung von Materialien, um die Dicke (Tiefe) der Oxidschicht auf der Oberfläche von Materialien aufzudecken. Diese Auger Elektronen liegen in einem Energielevel, das sich im allgemeinen zwischen einem Niedrigenergielevel der Emission von sekundären Elektronen bis zu der Energie des auftreffenden Elektronenstrahls erstreckt. In diesem Bereich treten kleine Peaks in dem Spektrum bei bestimmten Energielevels auf, die die Existenz von bestimmten Elementen in der Oberfläche identifizieren.
Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „ursprüngliche Oxidschicht" die Schicht, welche sich von der Oberfläche des Materials bis zu der Tiefe erstreckt, bei welcher sich die Energie des Peak-zu-Peak Sauerstoffprofils, gemessen in einem Auger Elektronenspektrometer, sich um eine Hälfte verringert. Zum Beispiel betrug bei dem Peak-zu-Peak Sauerstoffprofil, welches in 7 dargestellt wurde, die Dicke der ursprünglichen Oxidschicht 130 Angstrom, dies ist die Tiefe, bei welcher das Sauerstoffprofil sich auf die Hälfte der maximalen Intensität verringert. Daher würde die Entfernung einer Schicht mit 130-Angstrom von der Oberfläche des Titankörpers die ursprüngliche Oxidschicht entfernen.
2 zeigt die Oberfäche 12 des Titankörpers 10 nachdem dieser sandgestrahlt wurde, um ein anfängliches Anrauhen zu erzielen, wie nachfolgend im Detail beschrieben. Die Oxidschicht 14 ist immer noch vorhanden, weist jedoch eine rauhere Oberfläche auf als in dem ursprünglichen Zustand, welcher in 1 dargestellt ist.
3 zeigt die sandgestrahlte Oberfläche 12 des Titankörpers nach dem Ätzen des Körpers in einer ätzenden Säure. Der geätzte Bereich 16, bei welchem die ursprüngliche Oxidschicht 14 durch die ätzende Säure entfernt wurde, zeigt eine viel feinere Rauhigkeit aber in den Bereichen, in denen die Oxidschicht verbleibt, verbleibt die in 2 dargestellte, anfängliche Rauigkeit.
4 zeigt die sandgestrahlte Oberfläche 12 des Titankörpers 10, nachdem diese in einer ersten Säure geätzt wurde, um die ursprüngliche Oxidschicht 14 zu entfernen, und anschließend in einer zweiten Säure, um die gewünschte Topografie auf der Oberfläche 16, welche durch die erste Säurebehandlung erzeugt wurde, zu erzeugen. Wie nachfolgend im Detail beschrieben, weist eine bevorzugte Oberflächentopografie eine im wesentlichen gleichmäßige, feine Rauhigkeit über die gesamte Oberfläche 16.
Unter den Verfahren, die bisher verwendet wurden, um die Oberflächen von Zahnimplantaten zu verbessern, die aus Titan bestehen, ist das Ätzen der Oberfläche mit einer Säure, wie einer Mischung aus zwei Teilen (bezogen auf das Volumen) Schwefelsäure und einem Teil (bezogen auf das Volumen) Salzsäure. Man hat herausgefunden, dass solche Säurebehandlungen eine oxidierte Implantatoberfläche nicht gleichmäßig oder konsistent von einem Bereich zum anderen ätzen.
Gemäß einem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird die ursprüngliche Oxidschicht von der Oberfläche eines Titanimplantats vor der Endbehandlung der Oberfläche entfernt, um die gewünschte Topografie zu erzielen. Nachdem die ursprüngliche Oxidschicht entfernt ist, wird eine weitere und unterschiedliche Behandlung der Oberfläche in Abwesenheit von nicht-reagiertem Sauerstoff durchgeführt, um zu verhindern, dass sich die Oxidschicht wieder bildet, bis die gewünschte Oberflächentopografie erzielt wurde. Man hat herausgefunden, dass dieses Verfahren die Herstellung von gleichmäßigen Oberflächenbedingungen ermöglicht, die im wesentlichen gleichmäßig über die so behandelte Implantatoberfläche ist.
Die Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht kann durch das Eintauchen des Titanimplantats in eine wässrige Lösung aus Flusssäure (HF) bei Raumtemperatur bewirkt werden, um die ursprüngliche Oxidschicht mit einer Geschwindigkeit von wenigstens ungefähr 100 Angström je Minute zu entfernen. Eine bevorzugte Konzentration der in diesem Oxid-Entfernungsschritt verwendeten Flusssäure ist 15 % HF/H₂O. Diese Konzentration führt zu einer Ätzrate von ungefähr 200 – 350 Angström per Minute bei Raumtemperatur, ohne Rühren, so dass eine typische ursprüngliche Oxidschicht mit einer Dicke in dem Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 150 Angström in ungefähr einer halben Minute entfernt werden kann. Andere geeignete Ätzlösungen zur Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht und ihre jeweiligen Ätzraten sind:

50 % HF-Ätzrate ~ 600 bis 750 Angström/Min.

30 % HF-Ätzrate ~ 400 bis 550 Angström/Min.

10 % HF-Ätzrate ~ 100 bis 250 Angström/Min.
Eine 100%ige HF ist schwierig zu steuern, und die Ätzrate kann nicht bestimmt werden. Eine bevorzugte 15%ige HF-Lösung ermöglicht im wesentlichen die vollständige Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht mit einem minimalen weiteren Verbrauch der Titanoberfläche, nachdem das Implantat aus der Lösung entfernt wird.
Die ursprüngliche Oxidschicht kann unter Verwendung anderer Säuren entfernt werden, oder durch die Verwendung von anderen Verfahren als Säure-Ätzen. Zum Beispiel erwähnt der oben genannte Artikel von Swart et al. die Verwendung von Plasmareinigen, um dünne Oxide zu entfernen. Unabhängig von der verwendeten Technik ist es jedoch wichtig, im wesentlichen das gesamte ursprüngliche Oxid von der Implantatoberfläche zu entfernen, welche eine Grenzfläche mit dem lebenden Knochen bildet, so dass die nachfolgende Behandlung der Oberfläche eine im wesentlichen gleichmäßige Oberflächentextur bildet, um die gleichmäßige Bindung in dem lebenden Knochen zu fördern. Die ursprüngliche Oxidschicht wird vorzugsweise von im wesentlichen der gesamten Grenzflächenoberflächen zum Knochen des Implantats entfernt. In dem Fall von einschraubbaren Zahnimplantaten, umfasst die Grenzflächenoberfläche zum Knochen normalerweise die gesamte Implantatoberfläche unterhalb eines Kragenrandbereichs an der Seitenwand des Implantats, an dessen Zahnfleischende. Des weiteren ist es bevorzugt, dass eine glatte Oberfläche auf dem Bereich eines Zahnimplantats vorliegt, der nicht in den Knochen eingebettet wird, um das Risiko von Infektionen zu minimieren.
Die Behandlung, welche die Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht folgt, muss sich von der Behandlung unterscheiden, die verwendet wurde, um die ursprüngliche Oxidschicht zu verwenden. Eine relativ aggressive Behandlung ist normalerweise erfordert, um die Oxidschicht zu entfernen, und solch eine aggressive Behandlung erzeugt nicht die gewünschte gleichmäßige Oberflächentextur in der resultierenden Sauerstoff-freien Oberfläche. Daher, nachdem die ursprüngliche Oxidschicht entfernt wurde, wird die resultierende Implantatoberfläche unmittelbar abgespült und neutralisiert, um einen weiteren Angriff auf die Implantatoberfläche zu verhindern. Die Oberfläche wird anschließend der weiteren und unterschiedlichen Behandlung unterworfen, um eine gewünschte gleichmäßige Oberflächentextur zu erzielen. Zum Beispiel ist die bevorzugte weitere Behandlung, welche unten beschrieben ist, eine relativ milde Säure-Ätzbehandlung, welches eine Vielzahl von feinen konusartigen Strukturen bildet, mit relativ gleichförmigen, kleinen Abmessungen. Aufgrund der vorherigen Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht, kann auch eine milde zweite Behandlung der Implantatoberfläche eine im we sentlichen gleichmäßige Wirkung über im wesentlichen die gesamte Knochen-Grenzflächenoberfläche des Implantats erzeugen. Vor der Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht, kann die das Oxid tragende Oberfläche sandgestrahlt werden, vorzugsweise mit Sand aus Titan oder einer verdünnten Titanlegierung. Wie in der zuvor genannten anhängigen U.S. Patentanmeldung 08/149,905 gelehrt, vermeidet die Verwendung des Kieses bzw. Sandes aus Titan die Oberfläche eines Titanimplantats. Daher kann für ein Zahnimplantat, welches aus kommerziellem reinen („CP") Titan besteht, das Strahlenmaterial Titansand mit CP B299 SL-Güte sein. Die bevorzugte Teilchengröße für diesen Sand liegt in dem Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 60 Mikron (gesiebt), und der bevorzugte Druck liegt im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 80 psi.
Die Oberflächenbehandlung, die der Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht von der Implantatoberfläche folgt, kann verschiedene Formen einnehmen, einfach oder in Kombination. Die bevorzugte Behandlung ist ein zweiter Säureätzschritt unter Verwendung einer Ätzlösung bestehend aus einer Mischung aus zwei Teilen (bezogen auf das Volumen) 95,5 % Schwefelsäure in Wasser und ein Teil (bezogen auf das Volumen) 31,45 % Flusssäure in Wasser („modifizierte Salzsäure-Ätzlösung (Muriaticetch)) bei einer Temperatur im wesentlichen oberhalb der Raumtemperatur und im wesentlichen unterhalb des Siedepunktes der Lösung, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 60°C bis ungefähr 80°C. Diese Mischung bietet ein Schwefelsäure/Salzsäureverhältnis von ungefähr 6:1. Die bevorzugte Ätzlösung ist steuerbar und ermöglicht die Verwendung von Ätzdauern in dem Bereich von ungefähr 3 bis ungefähr 10 Minuten. Die Lösung kann hergestellt werden ohne starke Reaktionen zu riskieren, die von dem Mischen mit konzentrierteren HCl-Lösungen (z.B. ungefähr 98 %) mit Schwefelsäure resultieren können. Diese zweite Ätzbehandlung wird vorzugsweise in der Abwesenheit von unreagiertem Sauerstoff durchgeführt, und bevor die Implantatoberfläche wieder oxidiert ist, gefolgt auf die Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht. Natürlich können die Implantate in einer inerten Atmosphäre gehalten werden oder in einer anderen inerten Atmosphäre zwischen zwei Ätzschritten.
Der zweite Ätzschritt erzeugt eine Oberflächentopografie, die viele feine Vorsprünge umfasst mit konusartigem Aussehen im Submikrometer-Größenbereich. Aufgrund der feinen Rauhigkeit der Oberfläche und im hohen Maß der Gleichmäßigkeit der Rauhigkeit über die behandelte Oberfläche, ist die durch dieses Verfahren hergestellte Oberflächentopografie gut für die Osseointegration mit dem benachbarten Knochen geeignet. Wie durch die Arbeitsbeispiele, die im Folgenden beschrieben werden dargestellt, besteht die fertige geätzte Oberfläche aus einem im wesentlichen gleichförmigen Feld von Unregelmäßigkeiten mit Spitze(Peak)-zu-Talhöhen von weniger als ungefähr 10 μm. Bei einer beträchtlichen Anzahl der Unregelmäßigkeiten handelt es sich im wesentlichen um konusförmige Elemente mit Basis zu Spitze-(Peak)-höhen in dem Bereich von 0,3 μm bis ungefähr 1,5 μm. Die Basen dieser konusförmigen Elemente sind im wesentlichen rund mit Durchmessern in dem Bereich von ungefähr 0,3 Mikron bis ungefähr 1,2 Mikron und welche voneinander ungefähr 0,3 Mikron bis ungefähr 0,75 Mikron beabstandet sind. Die im folgenden diskutierten und in den Zeichnungen wiedergegebenen SEM's zeigen die Oberflächentopografie im Detail.
Die Säure-geätzte Oberfläche, die oben beschrieben ist, bietet auch eine gute Stelle für die Anwendung verschiedener Materialien, welche die Verbindung der Oberfläche mit dem benachbarten Knochen unterstützen können. Beispiele solcher Materialien sind Knochen-wachstumssteigernde Materialien, wie Knochenmineralien, Knochen morphogene Proteine, Hydroxyapatit, Whitlockit und Medikamente. Diese Materialien werden vorzugsweise in der Form feiner Teilchen auf die geätzte Oberfläche aufgebracht, welche auf und zwischen den schmalen konusartigen Strukturen eingeschlossen werden. Die Knochen-wachstumssteigernden Materialien werden vorzugsweise in Abwesenheit von Sauerstoff aufgebracht, d.h. unter Verwendung einer inerten Atmosphäre.
Die Rauhigkeit der Oberfläche, auf welche diese Materialien aufgebracht wird, steigert die Haftung der aufgebrachten Materialien an dem Titanimplantat. Die Gleichmäßigkeit der rauhen Oberfläche steigert die Gleichmäßigkeit der Verteilung des aufgebrachten Materials, insbesondere wenn das Material als kleine diskrete Teilchen oder als eine sehr dünne Schicht aufgebracht wird.
Ein bevorzugtes natürliches Knochenmaterial zur Anwendung an der geätzten Oberfläche ist das Mineral, das kommerziell unter der registrierten Marke „BIO-OSS" erhältlich ist. Dieses Material ist ein natürliches Knochenmineral erhalten aus dem Rinderknochen; es ist als chemisch vergleichbar mit mineralisierten menschlichen Knochen beschrieben, mit einer feinen kristallinen biologischen Struktur, und ist geeignet, die Osseointegration von Titanbefestigungen zu unterstützen.
Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele deutlich.
BEISPIEL 1
Eine Charge von 30 zylindrischen Implantaten vom Schraubentyp bestehend aus CP Titanium wurden unter Verwendung von Titaniumsand mit CP B299 SL- Güte mit Teilchengröße im Bereich von 10 bis 45 μm mit einem Druck von 60 bis 80 psi sandgestrahlt. Nach dem Sandstrahlen wurde die ursprüngliche Oxidschicht von den Implantatoberflächen entfernt, indem 4 Implantate in 100 ml einer 15%igen Lösung aus HF in Wasser bei Raumtemperatur für 30 Sekunden eingeführt wurden. Die Implantate wurden anschließend aus der Säure entfernt, in einer Lösung aus Natriumbicarbonat neutralisiert und in 150 ml einer „modifizierten Salzsaüure-Ätzlösung" (wie oben beschrieben) bei Raumtemperatur für 3 Minuten eingeführt. Die Implantate wurden aus der Säure entfernt, neutralisiert, abgespült und gereinigt. Alle Proben zeigten sehr ähnliche Oberflächentopografien mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit der Ätzung über der Oberfläche, wenn sie miteinander bei SEM Ermittlungen verglichen wurden. Die Beständigkeit der Oberflächenmerkmale (Peaks und Täler) wurde auch beobachtet. Die SEM's in den 5A, 5B, 6A und 6B zeigen die Oberfläche von zwei der Implantate, Probe A–1 und Probe A–4 mit Vergrößerungen von 2.000 und 20.000. Es kann beobachtet werden, dass die Oberflächenmerkmale über die dargestellte Fläche gleichmäßig und konsistent sind. Der Maßstab, welcher auf den Fotografien mit 20.000-facher Vergrößerung dargestellt ist, ist 1 Mikron = 0,564 inch. Bei dieser Vergrößerung erscheint die Oberfläche durch ein zweidimensionales Feld von Konussen charakterisiert zu werden, mit (wie in den SEM's dargestellt) zwischen ungefähr 0,17 inch bis ungefähr 0,27 inch ragen. Die Basisdurchmesser der Konusse variieren zwischen ungefähr 0,17 inch bis ungefähr 0,33 inch. Wenn diese Zahlen in metrischer Einheiten auf der oben genannten Skala (1 Mikron = 0,564 inch) führt dies zu:

Konushöhebereich (ungefähr) = 0,30 bis 0,50 Mikron

Konusbasisdurchmesser (ungefähr) = 0,30 bis 0,60 Mikron.
Das gleiche Maß der Gleichförmigkeit wurde in allen Proben gefunden und zwischen Probe und Probe bei Vergrößerungen von 2.000 und 20.000, wie verglichen mit ähnlichen Proben, die dem Ätzen ohne vorherige Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht unterworfen wurde, wie im folgenden Beispiel 2 beschrieben.
BEISPIEL 2
Vier der Implantate, die wie in Beispiel No. 1 beschrieben sandgestrahlt wurden, wurden in 150 ml der „modifizierten Salzsäure-Ätzlösung" für 10 Minuten eingeführt. Die Implantate wurden entfernt, neutralisiert und gespült und gereinigt. Die SEM-Fotografien, die bei Vergrößerungen von 2.000 und 20.000 aufgenommen wurden, zeigten dass die Ätzlösung die ursprüngliche Oxidschicht nach 10 Minuten in der Ätzlösung nicht entfernen konnte. Dieses Versagen, die ursprüngliche Oxidschicht zu entfernen (100 – 150 Angstrom-Einheiten dick), führt zu einer nicht gleichmäßig geätzten Oberfläche, wie in 3 dargestellt. In den Flächen der Implantat-Oberflächen, in denen die ursprüngliche Oxidschicht entfernt wurde, war die Topografie der bei den Implantaten in Beispiel Nr. 1 beobachteten ähnlich.
BEISPIEL 3
Eine Charge von zylindrischen Implantaten vom Schraubentyp hergestellt aus CP Titan wurden in eine 15%ige Lösung aus HF in Wasser bei Raumtemperatur für 60 Sekunden eingetaucht, um die ursprüngliche Oxidschicht von den Implantatoberflächen zu entfernen. Eine Plastikkappe wurde über die Spitze jedes Implantats geführt, um diese vor der Säure zu schützen. Die Implantate wurden anschließend aus der Säure entfernt und in entionisiertem Wasser für 30 Sekunden bei leichtem Rühren des Wassers gespült. Die Implantate wurden anschließend in eine Lösung aus Natriumbicarbonat für 30 Sekunden eingetaucht, erneut unter Rühren der Lösung, und anschließend wurde der Spülvorgang mit entionisierte Wasser wiederholt. Anschließend wurden die Implantate in die „modifizierte Salzsäure-Ätzlösung" (oben beschrieben) bei 70°C für 5 Minuten eingetaucht. Die Implantate wurden anschließend von der Säure entfernt und gespült und neutralisiert durch Wiederholung der gleichen Schritte, die bei der Entfernung der Implantate aus HF durchgeführt wurde. Alle Proben zeigten sehr ähnliche Oberflächentopografien mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit der Ätzung über die Oberfläche, wenn diese mit anderen SEM Ermittlungen verglichen wurden. Eine Beständigkeit der Oberflächenmerkmale (Spitzen und Täler) wurde auch beobachtet. Die SEM's in den 8A, 8B, 9A und 9B zeigen die Oberflächen von zwei der Implantate, Probe 705MB und Probe 705MC, mit Vergrößerungen von 2.000 und 20.000. Es wird deutlich, dass die Oberflächenmerkmale über die Flächen konsistent und gleichmäßig sind. Der Maßstab, der auf den Fotografien mit 20.000facher Vergrößerung dargestellt ist, ist 1 Mikron = 0,564 Inch. Bei dieser Vergrößerung erscheint die Oberfläche durch ein zweidimensionales Feld von Konussen charakterisiert zu werden, welche in der Höhe in dem Bereich (wie in den SEM's dargestellt) zwischen ungefähr 0,17 inch bis ungefähr 0,27 inch liegen; die Basisdurchmesser dieser Konusse variieren zwischen 0,17 inch bis ungefähr 0,33 inch. Werden diese Zahl in metrische Einheiten auf dem oben genannten Maßstab (1 Mikron = 0,564 inch) für

Konushöhebereich (ungefähr) = 0,30 bis 0,50 Mikron

Konusbasisdurchmesserbereich (ungefähr) = 0,30 bis 0,60 Mikron.
Das gleiche Maß der Gleichmäßigkeit wurde in allen Proben ermittelt, und zwischen Probe und Probe bei Vergrößerungen von 2.000 und 20.000, im Vergleich mit ähnlichen Proben, die einem Ätzen ohne vorheriger Entfernung der ursprünglichen Oxidschicht unterworfen wurde, wie in dem vorangehenden Beispiel Nr. 2 beschrieben.

Claims

Implantat, welches chirurgisch in einen lebenden Knochen einsetztbar ist, wobei das Implantat aus Titan hergestellt ist und eine Oberfläche, welche sich mit dem Knochen verbindet, indem die ganze native bzw. ursprüngliche Oxidschicht von der Oberfläche des Implantats entfernt ist, und anschließend bei einer weiteren und unterschiedlichen Behandlung die resultierende Oberfläche mit Säure geätzt ist, bevor diese erneut oxidieren konnte, um eine im wesentlichen gleichförmige Oberflächentextur zu erzielen, bestehend aus einem im wesentlichen gleichmäßigen Feld von Unregelmäßigkeiten mit Höhen zwischen Berg und Tal von weniger als 10 μm, wobei eine beträchtliche Anzahl der Unregelmäßigkeiten konusförmige Elemente sind, mit Höhen von der Basis zu der Spitze bzw. dem Peak von 0,3 bis 1,5 mm und wobei die konusförmigen Elemente runde Basen mit einem Durchmesser in dem Bereich von 0,3 bis 1,2 μm aufweisen.
Implantat nach Anspruch 1, welches ein zu schraubendes Zahnimplantat ist, umfassend eine sich mit dem Knochen verbindende Oberfläche, umfassend die ganze Implantatoberfläche über einem engen Bund- bzw. Manschettenbereich an der Seitenwand des Implantats an dessen Zahmfleischende.
Implantat nach Anspruch 2, wobei der enge Bund- bzw. Manschettenbereich die erste Drehung des mit Gewinde versehenden Bereichs des Implantats einschließt.
Verfahren zur Vorbereitung der Oberfläche eines Implantats, welches chirurgisch in einen lebenden Knochen implantiert wird, und welches aus Titan hergestellt sind, wobei das Implantat eine Oberfläche mit einer nativen bzw. ursprünglichen Oxidschicht darauf aufweist, umfassend die Schritte: (a) Entfernen der nativen bzw. ursprünglichen Oxidschicht von der Implantat oberfläche indem das Titanimplantat in Salzsäure getaucht wird, um im wesentlichen das ganze native bzw. ursprüngliche Oxid von der Implantatoberfläche zu entfernen, und (b) Ätzen der Oberfläche des Implantats, bevor die Implantatoberfläche erneut oxidieren konnte, mit einer Mischung aus Schwefelsäure und Salzsäure um eine im wesentlichen gleichmäßigen Oberflächentextur zu erzielen, bestehend aus einem im wesentlichengleichmäßigen Feld von Unregelmäßigkeiten mit Höhen zwischen Berg und Tal von weniger als 10 μm, wobei eine beträchtliche Anzahl der Unregelmäßigkeiten konusförmige Elemente sind, mit Höhen von der Basis zu der Spitze bzw. dem Peak von 0,3 bis 1,5 mm und wobei die konusförmigen Elemente runde Basen mit einem Durchmesser in dem Bereich von 0,3 bis 1,2 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Implantat nach der Entfernung der nativen bzw. ursprünglichen Oxidschicht in einer sauerstofffreien Umgebung gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Ätzen mit Säure in einer wässrigen Lösung durchgeführt wird, bei welcher das Verhältnis zwischen Schwefelsäure und Salzsäure während des Schrittes (b) ungefähr 6:1 beträgt und wobei der Schritt (b) bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Schritte 4 bis 6, wobei der Schritt (b) bei einer Temperatur zwischen 60 bis 80°C für 3 bis 10 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Schritte 4 bis 7, des weiteren umfassend den Schritt des Abscheidens auf der mit Säure geätzten Oberfläche, welche nach dem Schritt (b) erhalten wird, wenigstens eines Materials, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Knochenmineralien, Hydroxyapatit, Whitlockit, morphogenen Knochenproteinen und Medikamenten.
Verfahren nach einem der Anspürche 4 bis 8, des weiteren umfassend den Schritt des Abstrahlens der Oberfläche des Implantats bevor die native bzw. ursprüngliche Oxidschicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Abstrahlens ein Schleifmittel einsetzt, bestehend aus Titan oder einer verdünnten Titanlegierung.