DE69200343T2

DE69200343T2 - Implantat von hoher Festigkeit und hohem Modul bestehend aus einer Filament- oder Filmmasse sowie dessen Herstellungsmethode.

Info

Publication number: DE69200343T2
Application number: DE69200343T
Authority: DE
Inventors: Sylwester Gogolewski; Slobodan Tepic
Original assignee: Synthes AG Chur
Current assignee: Synthes GmbH
Priority date: 1991-02-21
Filing date: 1992-02-08
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2012-02-09
Also published as: EP0499917B1; ATE110284T1; US5728336A; JPH0576551A; CA2061556A1; DE69200343D1; EP0499917A1

Description

Die Erfindung betrifft ein hochfestes High- Modulus-Polymer-Implantmaterial, das mehrere Polymer- Struktureinheiten mit hochgereckten Kernen umfaßt, die in einer nicht gereckten Polymermatrix eingebettet sind, sowie ein Herstellungsverfahren für dieses Material.
Die Verwendung von Polymermaterial für chirurgische Implante erfordert eine hohe Festigkeit, die gegenwärtig nur durch Faser- oder Folieherstellungstechniken erzielt werden kann, d.h. durch Schmelz oder Lösungsspinnen und anschließendes Warmziehen. Die Fasern können der Verstärkung des Material dienen, um feste Verbundstoffe herzustellen. Wenn Verbundstoffe zur Herstellung von Implanten verwendet werden, verschärft die aggressive In-vivo- Umgebung das Problem der Aufblätterung. Wenn Hitze zur Herstellung eines verstärkten Monofilamentverbundstoffes angewandt wird, führt der starke wärme- und oxidationsbedingte Qualitätsverlust des Polymers zum vorzeitigen Verlust der mechanischen Eigenschaften und der chemischen Stabilität in vivo.
Die beanspruchte Erfindung soll diese Nachteile aufheben.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein hochfestes, aus einem Verbundfaden oder einem Folielaminat bestehendes aufblätterungsfestes High- Modulus-Polymer-Implantmaterial herzustellen und ein Herstellungsverfahren für dieses Material vorzuschlagen.
Das Implantmaterial sollte vorzugsweise chemisch homogen sein, doch ist es durchaus möglich, Materialien mit anderer chemischer Zusammensetzung zu verwenden, die untereinander verträglich sind.
Für diese Erfindung empfohlene Iinplantmaterialien sind Thermoplastpolymere, insbesondere Polyethylene, Polyethylen-Therephtalate, Polycaproamide und Polylactide. Das Molekulargewicht dieser Polymermaterialien und die Verteilung des Molekulargewichts müssen die Voraussetzungen für die Faser- und/oder Foliebildung erfüllen, wenn ein dem Fachmann bekanntes und geeignetes Verfahren angewandt wird.
Die Hauptschritte des Herstellungsverfahrens für das erfindungsgemäße Implantmaterial sind
1) Oberflächenquellung der gereckten Polymer- Struktureinheiten (Monofilamente oder Folien) in einem geeigneten Lösungsmittel. Geeignete Lösungsmittel sind solche, die sich in einem bestimmten Polymer auflösen, doch zugleich problemlos vom Polymermaterial entfernt werden können.
2) Bildung eines Monofilamentbündels oder eines Foliesandwiches, anschließend Durchziehen des Bündels oder des Sandwiches durch eine Öffnung (oder Durchführen durch Walzen), die an ihrer engsten Stelle kleiner oder gleich der Gesamtquerschnittfläche der Monofilamente im Bündel oder der Folien im Sandwich ist.
3) Erhaltung der Spannung des Verbundfadens bzw. des Folielaminates nach der Öffnung und Entfernen des Lösungsmittels.
Die Neuheitsmerkmale, die diese Erfindung kennzeichnen, sind einzeln in den Patentansprüchen enthalten, die im Anhang beiliegen und Teil dieser Anmeldung sind. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer verarbeitungstechnischen Vorteile und ihres spezifischen Nutzens beziehe man sich auf die beiliegenden Zeichnungen und die Beschreibung, in denen empfohlene Ausführungen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind.
Es zeigen :
Fig. 1 ein Teilquerschnitt durch ein Monofilamentbündel des erfindungsgemäßen Implantmaterials, das die geometrischen Parameter verdeutlicht;
Fig. 2 ein schematischer Querschnitt des Herstellungsgerätes für Verbundspinnfäden des erfindungsgemäßen Implantmaterials;
Fig. 3 ein vergrößerter Querschnitt der ringförmigen Öffnung des Herstellungsgerätes zur Herstellung der Verbundfäden des erfindungsgemäßen Implantmaterials;
Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Folielaminat- Verbundverfahrens;
Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Folielaminat- Verbundverfahrens zur Herstellung eines offenen (geschlitzten) Rohrquerschnitts, und
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten geschlossenen Folielaminat-Rohrquerschnitts.

Beschreibung der empfohlenen Ausführungen

Die Fig. 1 veranschaulicht die geometrischen Anforderungen an das Verfahren zur Bildung von Verbundfäden.
In Fig. 1a sind die Monofilamente 1 mit kreisförmigen Querschnitten und Radius R im Bündel gerichtet. Die Oberflächenquellung der Monofilamente 1 durch ein Lösungsmittel bildet eine aus einem hochviskosen Lösungsmittel bestehende Membran 2. Der Gradient der Lösungsmittelkonzentration hängt von der Diffusion ab, die den hochgereckten Kern 3 der Monofilamente 1 intakt läßt. Die Spinnfäden 1 sind in dem Bündel eng zusammengefaßt und bilden Hohlräume 4. Die Fig. 1b zeigt ein komprimiertes Monofilamentbündel 1 (das entsteht, wenn das Material aus der Öffnung des in Fig. 2 dargestellten Herstellungsgeräts austritt). Die hochviskosen, gequellten Membranen 5 werden deformiert, wodurch sie die Hohlräume 4 in Fig. 1a beseitigen, und entlang den Flächen 6 verbunden. Die Extraktion des Lösungsmittels erfolgt überwiegend durch die Diffusion hochviskoser, gequellter Membranen 5 eines teilweise amorphen Polymers in diesen Zonen, wobei die Kerne 3 der ursprünglichen Monofilamente 1 intakt bleiben. Die effektive Mindestdicke der gequellten Membran, die erforderlich war, um die Hohlräume 4 zu schließen, beträgt etwa 5% des Spinnfadenradius. Wenn die Dicke der Membran über diesen Wert erhöht wird, entstehen weiche Zonen im Verbundfaden, die die hochgereckten Kerne 3 trennen. In einigen Anwendungen kann dies wünschenswert sein, da die Gesamtsteife, insbesondere bei Biegen oder Verdrehen, unter Kontrolle bleibt. Auch die Fortpflanzung von Rissen wird durch diese amorphen Zonen unterbunden.
Die Fig. 2 stellt das Herstellungsgerät zur Herstellung von Verbundfäden schematisch dar. Die Monofilamente 10 werden von den Spulen 11 durch die Einfuhröffnungen 12 in die geschlossene Kammer 13 geführt. Die Kammer enthält das Lösungsmittel 14, das im Gleichgewicht mit den gesättigten Lösungsmitteldämpfen 15 ist, bei einer Temperatur T&sub1;. In der Kammer 13 sind die Monofilamente 10 in einem Bündel 16 angeordnet. Das Bündel 16 wird durch die kegelförmige Öffnung 17 in eine zweite Kammer 18 geführt. In der Kammer 18 wird das Lösungsmittel 14 im luftleeren Raum bei einer Temperatur T&sub2; vom Verbundfaden 20 gelöst. Die zweite Kammer 18 ist über Ausgang 19 mit einer Luftabzugsquelle verbunden. Der Verbundfaden 20 wird durch die Wirkung des luftleeren Raums vom Lösungsmittel entfernt und mit Hilfe der in unterschiedlichen Richtungen drehenden Wickelwalzen 22 durch Verschluß 21 aus der Kammer 18 herausgezogen. Je nach verwendeter Öffnung 17 lassen sich Verbundfäden 20 mit unterschiedlich geformten (runde, viereckige, flache usw.) vollen Querschnitten herstellen. Wie bereits oben erwähnt, können auch Rohrquerschnitte hergestellt werden.
Die Fig. 3 zeigt beispielsweise eine Öffnung zur Herstellung runder Rohrquerschnitte. Das Faserbündel 30 wird in eine kegelförmige runde Öffnung 37 gezogen, die zwischen dem Öffnungsteil 31 und dem Kegel 32 entsteht. Kegel 32 wird durch mehrere dünne Träger 33 festgehalten. Wenn man das Faserbündel 30 in der angegebenen Pfeilrichtung 35 durch die Öffnung 37 zieht und die Spannung des Bündels 30 nach der Öffnung 37 aufrecht erhält, während man das Lösungsmittel entfernt, verbindet man einzelne Monofilamente zu einem festen Rohr 34. Die Fläche des kleinsten Öffnungseingangs ist kleiner oder gleich der Gesamtquerschnittfläche der Fasern in Bündel 30. Eine Anwendungsmöglichkeit solcher Rohre 34 sind intramedulläre Nägel in der Traumatologie.
Die Fig. 4a zeigt das Verbundverfahren bei der Folielaminierung.
Das Folielaminat 43 wird durch Quellung einzelner Folien 40 mit einem Lösungsmittel und anschließendem Durchziehen - in Pfeilrichtung 44 - des Foliesandwiches 40 durch eine Öffnung hergestellt, die vorzugsweise durch einen Walzensatz 41 gebildet wird, welcher entweder passiv oder aktiv in Pfeilrichtung 42 dreht. Wenn man die Spannung des Sandwiches nach der durch den Walzensatz 41 gebildeten Öffnung beibehält und das Lösungsmittel entfernt, entsteht ein festes Folielaminat 43.
Wie in Fig. 4b veranschaulicht ist, wird nur eine dünne Oberflächenschicht 45 der Einzelfolien 40 gequellt, damit der gereckte hochfeste Kern 46 der Einzelfolien 40 intakt bleibt.
Die Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Folieverbundverfahren zur Herstellung eines offenen, d.h. geschlitzten, Rohrs 52, das beispielsweise zur Herstellung orthopädischer intramedullärer Nägel verwendet werden könnte. Hochgereckte Polymerfolien 50 werden mit einem geeigneten Lösungsmittel oberflächengequellt und um einen Kern 51 mit Radialklinge 53 gewickelt, um einen offenen Rohrquerschnitt 52 zu erzeugen. Das Zusammenwickeln und Verbinden der Folien 50 erfolgt mit Hilfe mehrerer Walzen 54 (von denen in der Figur nur eine Doppelwalze dargestellt ist), die in Pfeilrichtung 55 drehen. Der Kern 51 sollte mit Rohr 52 in Pfeilrichtung 56 drehen. Ein Durchlaufverfahren ist möglich, wenn mehrere Kerne 51 verwendet werden, die kontinuierlich nacheinander angebracht werden. Die Kerne 51 werden vom Rohr 52 entfernt, wenn das Rohr 52 auf die richtige Länge geschnitten und erneut in das Durchlaufverfahren aufgenommen wird.
Wie in Fig. 6 veranschaulicht wird, ist es außerdem möglich, ungeschlitzte Rohre mit Hilfe eines Zylinderkerns 61 ohne Radialklinge herzustellen. Die Folien 60 werden um den Kern 61 gewickelt, so daß ihre Ansätze 63 tangential um das Rohr 62 versetzt werden, wie dies in Fig. 6a dargestellt ist.
Eine weitere Beeinflussung der Verdrehungsfestigkeit wird durch spiralenförmig gewickelte Folien 60 um den Kern 61 erzielt, wie dies in Fig. 6b dargestellt ist.
Nachstehend wird eine Reihe bioverträglicher chemischer Verbundstoffe aufgelistet, die erfindungsgemäß als Implantmaterial verwendet werden können.

Polyethylen

Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht werden gemäß dem in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren mit Dämpfen von kochendem Toluol behandelt. Das resultierende hochfeste High-Modulus- Verbundfadenseil kann als intramedullärer Nagel in der Osteosynthese verwendet werden, wenn es auf die richtige Größe beschnitten wird.

Polyethylen-Terephtalat

Polyethylen-Terephtalat-Fasern, -Monofilamente oder -Folien können gemäß dem in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren zu Verbundfaden- und/oder Verbundfoliematerial verarbeitet werden, wenn man Dämpfe von kochendem Dimethylsulfoxid (DMSO) verwendet.

Polycaproamide

Nylon-6-Fasern können zu einem Verbundfadenimplantat der Erfindung verarbeitet werden, wenn man die Fasern durch Dämpfe konzentrierter Ameisensäure führt.

Polylactide

Durch Schmelzspinnen oder Gel-Extrusionsblasen hergestellte warmgezogene Polylactid-Fasern, wie dies in Gogolewski, Pennings, J. Appl. Polym Sci 28, 1045-1061 (1983), beschrieben ist, können erfindungsgemäß zu Verbundfadenimplantaten verarbeitet werden, wenn man Dämpfe von chlorierten oder fluorierten Lösungsmitteln verwendet, wie beispielsweise Chloroform, Methylenchlorid oder Hexafluoropropanol.

Claims

1.- Hochfestes High-Modulus-Polymer- Implantmaterial, das mehrere Polymer-Struktureinheiten mit hochgereckten Kernen umfaßt, die in einer nicht gereckten Polymermatrix eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix durch eine Lösungsmittelbehandlung der gereckten Polymer- Struktureinheiten hergestellt wird.

2.- Implantmaterial nach Anspruch 1, bei dem die Polymer-Struktureinheiten Spinnfäden sind.

3.- Implantmaterial nach Anspruch 1, bei dem die Polymer-Struktureinheiten Folien sind.

4.- Implantmaterial nach Anspruch 1, bei dem die Kerne und die Matrix chemisch gleichförmig sind.

5.- Implantmaterial nach Anspruch1, bei dem die lösungsmittelbehandlungsfähigen gereckten Polymer- Struktureinheiten auf Polyamiden, Polyestern, Polyhydroxysäuren, Polyolefinen oder Polyvinylalkoholen basieren.

6.- Implantmaterial nach Anspruch 1, bei dem das Volumenverhältnis der Kerne zur Matrix um 1 zu 10 liegt.

7.- Implantmaterial nach Anspruch 6, bei dem das Volumenverhältnis der Kerne zur Matrix um 5 zu 10 liegt.

8.- Implantmaterial nach Anspruch 1 in Form eines geschlitzten Rohres zur Anwendung als intramedullärer Nagel in der Orthopädie.

9.- Verfahren zur Herstellung eines hochfesten High-Modulus-Polymerverbundfaden-Implantmaterials aus gereckten Polymerfasern, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgende Schritte umfaßt :

a) Behandlung der Oberfläche mehrerer gereckter Polymer-Monofilamente mit einem Lösungsmittel, das die Oberfläche quellen kann;

b) Bildung eines gerichteten Bündels aus Monofilamenten mit der lösungsmittelgequellter Oberfläche;

c) Durchziehung des Bündels durch eine Öffnung, wobei die Fläche der engsten Stelle dieser Öffnung kleiner oder gleich der Gesamtquerschnittfläche der Monofilamente im Bündel oder der Folien im Sandwich ist;

d) Erhaltung der Spannung des Bündels nach der Öffnung und anschließend Entfernen des Lösungsmittels.

10.- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung ringförmig ist.

11.- Verfahren zur Herstellung eines hochfesten High-Modulus-Polymerfolielaminat-Implantmaterials aus gereckten Polymerfasern, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgende Schritte umfaßt :

a) Behandlung der Oberfläche mehrerer gereckter Polymerfolien mit einem Lösungsmittel, das die Oberfläche quellen kann;

b) Bildung eines Sandwiches aus den Folien mit der lösungsmittelgequellter Oberfläche;

c) Durchziehung des Sandwiches durch eine Öffnung, wobei die Fläche der engsten Stelle dieser Öffnung kleiner oder gleich der Gesamtquerschnittfläche der Folien im Sandwich ist;

d) Erhaltung der Spannung des Sandwiches nach der Öffnung und anschließend Entfernen des Lösungsmittels.

12.- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung durch mehrere Walzen gebildet wird, die auf das Foliesandwich einwirken.

13.- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gereckten Polymer-Monofilamente in eine erste geschlossene Kammer - die das Lösungsmittel enthält, das sich im Gleichgewicht mit den Dämpfen des Lösungsmittels befindet - geführt, zu dem Bündel zusammengefaßt und durch Öffnung in eine zweite Kammer gezogen wird, die über einen Ausgang mit einer Luftabzugsquelle verbunden ist, und von dem Lösungsmittel entfernt wird, um einen Verbundfaden zu bilden, der aus der zweiten Kammer herausgezogen wird.

14.- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gereckte Polymerfolie zu dem Sandwich zusammengefaßt, in eine erste geschlossene Kammer - die das Lösungsmittel enthält, das sich im Gleichgewicht mit den Dämpfen des Lösungsmittels befindet - um einen zylinderförmigen Kern gewickelt und aus der Vielzahl Walzen in eine zweite Kammer gezogen wird, die über einen Ausgang mit einer Luftabzugsquelle verbunden ist, und von dem Lösungsmittel entfernt wird, um ein Verbundrohr zu bilden, das aus der zweiten Kammer herausgezogen wird.

15.- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine Radialklinge aufweist, um ein geschlitztes Verbundrohr zu bilden.

16.- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kern mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Verbundrohr mitbewegt.

17.- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kerne kontinuierlich nacheinander angebracht werden.

18.- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfasern aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht hergestellt werden und das Lösungsmittel Toluol ist.

19.- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfasern aus Polyethylen- Terephtalat hergestellt werden und das Lösungsmittel Dimethylsulfoxid ist.

20.- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfolien aus Polyethylen- Terephtalat hergestellt werden und das Lösungsmittel Dimethylsulfoxid ist.

21.- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfasern aus Nylon 6 hergestellt werden und das Lösungsmittel Ameisensäure ist.

22.- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfasern aus Polylactid hergestellt werden, und das Lösungsmittel ein chlorierter oder fluorierter Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Chloroform, Methylenchlorid oder Hexafluoropropanol, ist.