SE0900560A1 - Jonsubstituerade hydroxiapatitytbeläggningar - Google Patents

Abstract

Sammanfattning Uppfinningen avser en metod för att bilda en kristallin ytbeläggriing av en jonsubstituerad kalciumfosfat på ett substrat innefattande stegen: a)b) d) tillhandahålla ett substrat, tillhandahålla en första vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner,magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner,karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 ochen temperatur av 20°C till 100°C, sänka ner åtminstone en del av substratet i den första vattenhaltigalösningen under en tidsperiod tillräcklig för att en första ytbeläggning skabildas, tillhandahålla en andra vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner,magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner,karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 ochen temperatur av 20°C till 100°C, varvid lösningen vidare innefattar en ellerflera av substitutionsjonerna Sr2+, Sit", Zn2t, Ba2t, Fe3+, F-, sänka ner åtminstone en del av substratet i den andra vattenhaltigalösningen under en tidsperiod tillräcklig för att ett andra kristallint lager av ytbeläggning ska bildas. Uppfinningen avser dessutom en kristallin jonsubstituerad hydroxiapatitytbelåggriing framställd enligt metoden.

Description

15 20 25 30 inducerade förändringarna i materialets egenskaper och också till den direkta effekten av Si i fysiologiska processer hos ben- och bindevävnadssytemen. Si- substitution fråinjar biologisk aktivitet genom omvandlingen av ytan hos materialet till en biologiskt ekvivalent hydroxiapatit, genom att öka lösligheten hos materialet, genom att skapa en mer elektronegativ yta och genom att skapa en finare mikrostruktur. Frisättning av Si-komplex till det extracellulâra mediet och närvaron av Si vid ytan av materialet kan inducera ytterligare dosberoende stimulatoriska effekter pä celler hos ben- och broskvävnadssystem [6].

Eftersom strontium är kemiskt och fysiskt nära släkt med kalcium är den lätt att föra in som en naturlig substitution för kalcium i hydroxiapatit. Strontium har visats ha effekterna att öka benbildning och att minska benresorption, vilket leder till en ökning i benmassa och förbättrade benmekaniska egenskaper i normala djur och människor. Sr-substituerade hydroxiapatitkeramer har uppvisat bättre mekaniska egenskaper än ren hydroxiapatit och ökade prolifieringen och differentieringen av osteoblastceller i in vitro-studie [7].

Magnesium har påvisats i höga koncentratíoner i ben- och broskvävnad under de initiala faserna av osteogenesis och för att orsaka accelerationen av kârnbildningskinetiken av hydroxiapatit och för att hämma dess kristallisationsprocess. Landi et al. har observerat att Mg~substituerad hydroxiapatit förbättrade beteendet hos celler när det gäller adhesion, proliñering och metabolisk aktivitet i jämförelse med stökiometrisk hydroxiapatit [8].

Zink är ett större spårämne och har visat sig spela en viktig roll i mänsklig vävnadsutveckling. In vitro-försök har visat att zink hämmar benresorption och har stimulatorisk effekt på benbildning. Zinksubstituerad hydroxiapatit är potentiellt ett material som kan ha samma effekter. När zink har varit substituerat in i HA och trikalciumfosfat-kristallgittret (TCP) har det visat sig hämma osteoklaster in vitro och att främja bentillväxt in vivo.

Trots de fördelaktiga resultaten, är den kliniska tillämpningen av jonsubstituerade keramer och cement begränsad på grund av den låga mekaniska styrkan. Genom ytbeläggning av implantat med jonsubstituerad HA kan den högre mekaniska 10 15 20 25 30 styrkan av en metall kombineras med de egenskaperna hos den jonsubstituerade HA. Därför är jonsubstituerad hydroxiapatit som ytbeläggning på implantat av intresse. Sådana ytbeläggningar framställda hittills har framställts genom plasmasprayning [9], sol-gel [10], magnetron-sarnsputtring [l 1], pulserad laserdeponering [12] och míkro-arc-oxídationstekniker (eng. microarc oxidation)

[13]. Dessa ytbeläggningstekniker har några nackdelar även om de är relativt vanligt använda. Till exempel är ytbeläggningarna relativt tjocka och spröda och har dessutom kemiska defekter. De fäster inte alltid bra till substraten. Dessutom kan sådana ytbeläggningar inte appliceras jämnt och uniformt till ytor med komplexa geometrier såsom porösa och urkarvade ytor. Dessutom är högtemperaturbehandling essentiell för att skapa dessa ytbeläggriingar, vilket begränsningar vilka substratmaterial som kan användas. För att överkomma några av dessa nackdelar har lågtemperaturförfaranden använts för att skapa hydroxiapatitkeramytbeläggningar genom lösningsbaserade metoder. Bunker et al. har upptäckt en teknik för framställning av en oktakalciumfosfat-ytbeläggriing genom att indränka (eng. soaking) substratet i en lösning innehållande kalciumklorid [14]. De andra exemplen ñnns i US-patenten 6,905,723B2 [15] och 6,569,489Bl [16] i vilka hydroxíapatitytbelåggningar är framställda genom att använda lösningen innehållande Ca2*, PO43~, Sr, Na+, K+, HCOff, Cl-, MgQ* och möjligtvis också Si- och F-joner så som nämns i den detaljerade beskrivningen.

Biomineralisering är ett naturligt själv-assemblerande förfarande för biomineralbildning i vattenbaserad lösning. I människokroppen består alla normala och de flesta patologiska kalcíficeringar av kalciumfosfatföreningar. Men hydroxiapatitinnehållet i ben är inte stökiometrisk kalciumfosfat, utan istället en kalciumbristande och multísubstituerad hydroxíapatit som är bildad genom biomineralisering. Wu et al. har rapporterat att ett biomineraliserat HA-lager på vävnadsbärarytan kunde öka cellprolifieringshastigheten och differintieringsnivån

[18].

US 6,569,481 och WO 9741273 beskriver förfaranden för att ytbelägga biomedicinska implantat med hydroxiapatitytbeläggningar via ett biomineraliseringsförfarande. De resulterande ytbeläggningarna kan valfritt dessutom innehålla silikat och sulfat. Beskrivningen av prekursormaterialen som 10 15 20 25 30 används för att bilda HA-ytbeläggningarna med fastlösningsjonerna är inte beskrivet i de citerade dokumenten.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning är baserad på förståelsen att ett biomineraliserat lager kommer att ha fördelaktiga effekter på benbindning och benregenerering.

Biomineralisering kombinerad med jonsubstitution kommer att ha fördelar på grund av att jonsubstitiierade hydroxiapatitytbelåggningar har en stor likhet med det naturliga mineralet i ben, vilket är baserat på ett biomineraliseringsförfarande.

Dessutom, eftersom biominerliseringsförfarandet sker i en vattenhaltig lösning, är den tillämpbar på vilken öppen yta som helst och är inte begränsad av den komplexa geometrin hos irnplantaten. Biomineraliseringsförfarandet är också en lågtemperaturteknik som är energieffektiv och är tillåmpbar på temperaturkänsliga substratmaterial. Föreliggande uppfinning avser framför allt kombinationen av ytbeläggningskemin och morfologin erhållen genom att applicera förfarandet och materialen så som beskrivet i uppfmriingen.

Denna uppfinning tillhandahåller en ny framställningsteknik av jonsubstituerad hydroxiapatít eller brushit eller monoetit eller amorfa kalciumfosfatytbeläggningar eller kombinationer därav, innehållande substitutionsjoner så som Fy Sr2*, Si4+, Zn2*, Bai", Feß* på implantat. Framställningstekriiken är baserad på ett biomineraliseríngsförfarande.

Denna nya teknik är baserad på ett biomineraliseringsförfarande som använder en modifierad simulerad kroppsvåtska och en fosfatbuffertlösning innehållande de katjoniska och anjoniska substituerade jonerna i kalciumfosfatytbelåggningen.

Katjoniska substitutioner är Sr2+, Sr", Zn2+, Ba2+, Feß* etc., anjoniska substituitioner år F- etc. Källan till jonsubstitutionerna kan vara lösliga salter och delvis lösliga salter innehållande jonema som ska substitueras så som SrClz, SrCOs, Sr(NO3)2, NaSiOg, kalciumsilikat (CaOSiOg, CaO(SiO2)2, CaO(SiO2)3), ZnClg, ZnSO4, BaClg, FeClg, Fe(NO3)3, NaCos, NaF, NaFPO4. ^ 10 15 20 25 30 Därmed tillhandahåller föreliggande uppfinning ett förfarande för framställning av en kristallín ytbelâggning av en jonsubstituerad kalciumfosfatförening på ett substrat innefattande stegen: a) tillhandahålla ett substrat, b) tillhandahålla en vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner, magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner, karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 2,0 till 10,0 och en temperatur av 20°C till l00°C, företrädesvis ett pH mellan 6,0 till 8,0 och en temperatur mellan 37°C och 60°C, varvid lösningen vidare innefattar en eller flera av substitutionsjonerna Sr2+, Si4*, Zn2+, Ba2*, Fe3+, F~, och c) sänka ner åtminstone en del av substratet i den vattenhaltiga lösningen för en tidsperiod tillräcklig för att den kristallina ytbelâggningen ska bildas.

Koncentrationen av kalciumjoner kan vara i intervallet 0,01 - 25 l0~3M.

Koncentrationen av magnesiumjoner kan vara i intervallet 0,01 - 15 lO-SM.

Koncentrationen av natriumjoner kan vara i intervallet 0,01 - 1420 l0-3M.

Koncentrationen av kaliumjoner kan vara i intervallet 0,01 - 1420 l0~3M.

Koncentrationen av kloridjoner kan vara i intervallet 0,01 - 1030 10~3M.

Koncentrationen av fosfatjoner kan vara i intervallet 0,01 - 10 l0~3M.

Koncentrationen av karbonatjoner kan vara i intervallet 0,01 - 270 10-3M.

Koncentrationen av sulfatjoner kan vara i intervallet 0,01 - 5 10~~°>M.

Företrådesvis kan koncentrationen av kalciumjoner vara i intervallet 0,5 - 2,5 10-3 M Företrâdesvis kan koncentrationen av magnesiumjoner vara i intervallet 0,2 - 1,5 10~3M.

Företrâdesvis kan koncentrationen av natríumjoner vara i intervallet 100- 150 10- SM.

Företrädesvis kan koncentrationen av kaliumjoner vara i intervallet 1,0 - 5,0 10~3M.

Företrådesvis kan koncentrationen av kloridjoner vara i intervallet 100 - 150 10-3M.

Företrädesvis kan koncentrationen av fosfatjoner vara i intervallet 1,0 - 10 10~3M.

Företrâdesvis kan koncentrationen av karbonatjoner vara i intervallet 1,0 - 50 10- SM.

Företrâdesvis kan koncentrationen av sulfatjoner vara i intervallet 0, 1 - 1,0 IO-SM. 10 15 20 25 30 Koncentrationen av katjoner som ska substitueras, det vill säga Sr2+, Sit", Zn2+, Ba2*, Fe3+, kan vara i intervallet 0,01 - 0,1 10-3 M och koncentrationen anjoner, det vill säga F~, som ska substitueras kan vara i intervallet 1 - 100 l0~3M.

Katjonerna och anjonerna som ska substitueras in i den biomineraliserade hydroxiapatitytbeläggningen kan tillsättas till lösningen med en kontrollerad katjon/ anjon- eller anjon/fosfat-kvot (inklusive hydroxid).

Förfarandet enligt uppfinningen kan användas till olika substrat innefattande titan, titanlegeringar, andra metaller och legeringar, biokeramer, bioaktiva glas och polyrnerer.

Förbehandling av substratet, framför allt substrat bildad av metall och legeringar, för att bilda en funktionaliserad bioaktiv yta kan vara nödvändig. Förbehandling av ytor i vattenhaltig lösning så som -OH, ~COOH, -NHg-lösningar är det som eftersträvas så som beskrivet i känd teknik. Till exempel ren titan och titan är förbehandlad genom att använda alkalisk lösning, syralösning och UV-strålning

[17] för att kunna aktivera ytorna för att erhålla en bioaktiv yta med förmåga att främja hydroxiapatittillväxt.

Förfarandet enligt uppfinningen kan företrädesvis användas till benförankrat implantat där ett förhöjt och ett permanent benläkande är önskvärt för att erhålla en god klinisk funktion. Exempel på sådana applikationer är dentala implantat, kraniofaciala implantat eller Ortopediska implantat.

Halten av substituerat kalcium genom katjonisk substitution är up till 80% och halten av substituerad fosfat och hydroxid genom anjoniska substitutioner är upp till 30%.

Tjockleken hos de joniskt substituerade hydroxiapatitytbeläggningarria framställda genom biomineralisering kan kontrolleras till intervallet 10 nm till 100 pm genom nedsänkriingstiden och temperaturen och jonkoncentrationema hos lösningen i förfarandet. 10 15 20 25 Biomineraliseringsförfarandetemperaturen är från 20°C till l00°C företrädesvis 37 °C till 60°C.

Förfarandet enligt uppfinningen kan användas för att ytbelägga ytor med komplexa geometrier så som porösa material och utkarvade material.

Förfarandet enligt uppfinningen tillåter dessutom ytbeläggníng av endast en del av ett implantat likväl som att ytbelägga olika delar av implantatet med ytbeläggningar med olika jonsubstitutioner och/ eller tjocklek.

Förfarandet enligt uppfinningen kan användas för att tillverka inte bara singeljonsubstituerade hydroxiapatitytbeläggningar utan också tvä-, tre- och fyr- joniskt substituerade hydroxiapatitytbelâggningar.

Bildandet av joniskt substituerade hydroxiapatitytbeläggningar genom biomineraliseringsförfarande innefattar indränkning av bioaktiva implantatprov i en minerliserad lösning så som modifierad simulerad kroppsvätska (SBF) och fosfatbuffertlösnirig (PBS) (Tabell 1), innehållande olika katjoner och anjoner. Den mineraliseringsbara lösningen innefattar de stora oorganiska jonerna närvarande i människokroppen nämligen Na+, K+, Ca2+, I-ICOy, HPO42~, S042- etc.

Tabell 1. J onkoncentrationer i blodplasma, modifierad SBF och modifierad PBS (l0- sM) Jon Blodplasma (mmol/ 1) SBF (mmol/ l) PBS* (mmol/ l) Na* 142 142 145 K* 5 5 4,2 Mg2+ 1 ,5 1 ,5 0,49 Ca2+ 2,5 2,5 0,9 1 Cl- l 03 148 143 HCOa' 27 4,2 HPO42~ 1 1 9,6 S042- 0,5 0,5 *zköpt från Sigma-Aldrich 10 15 20 25 30 Biomineraliseringsförfarandet kan delas upp i multipla steg för jonerna, så som F- och Zn2+, som kan bilda kalciumfosfatföreningar med låg löslighetsproduktskonstant. Förfarandet är att indränka substratet i den mineraliserade lösningen i 1-3 dagar, och sen flytta den till den vattenhaltiga lösningen innehållande jonerna som ska substitueras i 1-3 dagar. Detta förfarande repeteras tills den tilltänkta tjockleken och/eller jonhalten har uppnåtts hos de nya ytbelâggningarna.

Därmed tillhandahåller föreliggande uppfinning också ett förfarande för bildningen av en kristallin ytbeläggriing av en jonsubstituerad hydroxiapatit på ett substrat innefattande stegen: a) tillhandahålla ett substrat, b) tillhandahålla en första vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner, magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner, karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 och en temperatur av 20°C till lO0°C, c) sänka ner åtminstone en del av substratet i den första vattenhaltiga lösningen under en tidsperiod tillräcklig för att en första kristallin ytbeläggning ska bildas, d) tillhandahålla en andra vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner, magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner, karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 och en temperatur av 20°C till lO0°C, varvid lösningen vidare innefattar en eller flera av substitutionsjonerna Sr2+, Si4+, Zn2+, Ba2+, Fe3+, F~, och e) sänka ner åtminstone en del av substratet i den andra vattenhaltiga lösningen under en tidsperiod tillräcklig för att ett andra kristallint lager av ytbeläggning ska bildas.

Valfritt, steg b) till e) kan repeteras vilket antal gånger som helst.

Under biomineraliseringsytbeläggningsförfarandet indränks de bioaktiva implantatproverna, efter rengöring, i den mineraliseringsbara lösningen med substituerade joner vid en bestämd temperatur under en tidsperiod tillräcklig för 10 15 20 25 30 att ett lager av kristallin ytbelåggning ska bildas, normalt 1~2 veckor. Proverna tas bort från lösningen och skölj s med avjonat vatten och torkas i luft.

Halten katjoniska substitutioner av kalcium i den jonsubstituerade hydroxiapatitytbeläggningen enligt uppfmningen är upp till 80% och halten av anjoniska substitutioner av fosfat och hydroxid är upp till 30%.

Tjockleken av den joniskt substituerade hydroxiapatitytbeläggningen framställd genom biomineralisering kan kontrolleras till intervallet l0nm till 100um genom nedsånkningstiden och temperaturen och jonkoncentrationerna i lösningen i förfarandet.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller dessutom en kristallin jonsubstituerad hydroxiapatitytbeläggning framställd genom förfarandet enligt uppfinningen.

Föreliggande uppfinningen tillhandahåller dessutom en kristallin jonsubstituerad hydroxiapatitytbelåggning med specifika kännetecken som bestäms genom a) Röntgendiffrakation (XRD) b) Svepelektronmikroskopi (SEM) c) Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och/ eller d) Time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (ToF-SIMS) Via ytbeläggnirigsförfarandet så som beskrivet här ovan kan morfologin hos kalciumfosfatytbeläggningen kontrolleras. Via jonisk substitution av Sr i hydroxiapatit består den bildada HA-ytbelåggningen på Ti-substrat av sfåriska partiklar, t.ex. så som illustreras i Fig. 4 och via tillsättning av Si innehåller ytbeläggningsmorfologin små flakliknande partiklar, t.ex. så som illustrerat i Fig. 17. Förmågan att kontrollera ytbelåggriingsmorfologi ger ytbelåggriingen optimal porositet för att interagera med vårdvävnaden.

TILLÃMPNINGAR Baserat på den stora bredden av ytbelåggningar som kan framställas med uppfinningen kan olika tillämpningar betraktas. 10 15 20 25 30 10 Användningen av de bioaktiva ytbeläggningarna med dess fördelaktiga biologiska effekter gör dem lämpliga att tillämpas på biomedicinska implantat. Detta innefattar temporära och permanenta material där ytbelåggningen kan förbättra bindningen av implantatet till vävnader. En speciell omständighet år det kliniska behovet av ett snabbt och permanent läkande ben runt ett implantat, t.ex. dentala, karniofaciala och Ortopediska implantat. Exempel på det senare innefattar tillämpningar med spinalimplantat, artroplastik, osteosyntes tillämpningar och fixeringsanordriingar, brosk- och subkondrala bendefekter, fyllmedel för håligheter i ben och andra situationer där ett implantat bör fxera bendelar, förstärka ben och ersätta defekter och tillåta att funktionella belastningar tillämpas. Av särskilt intresse är implantat i benvåvnader som år försvagade på något vis på grund av sjukdom (t.ex. osteoporos, diabetes), trauma, åldrande och som följd av behandling (t.ex. strålbehandling).

Ytterligare möjliga situationer är när prognosen för en lyckad implantatbehandling är lägre med mindre optimala implantatytor. Också i de situationer där anatomin hos patienten resulterar i en försämrad prognos för framgång, så som i områden med små mängder av ben som kan tillhandahålla initial implantatstabilitet, kommer användningen av uppfinningen att vara fördelaktig.

Möjligheten att endast täcka delar av ett implantat som uppfinningen erbjuder, eller att framställa olika typer av ytbeläggningar på olika delar av ett implantat, öppnar upp möjligheten för att skräddarsy ytegenskaperna hos irnplantaten för optimalt biologiskt utförande i förhållande till speciella typer av vävnader och för individuella patienter. För ett benförankrat implantat som penetrerar huden eller mukosa kan uppfinningen användas för att applicera en ytbeläggning enbart till de delar av implantatet som är i kontakt med ben. Användningen av olika ytbelåggningar på olika delar av implantatet kan också användas för att skapa ytbeläggningar som tillhandahåller den optimala responsen beroende på vilken typ av benvävnad olika delar av implantatet år i kontakt med. För ett benfórankrat implantat som år i kontakt med både kortíkalt ben och benmärg, kan olika delar av implantatet förses med olika ytbeläggningar designade för att optimera utförandet i dessa typer av vävnader. 10 15 20 25 30 11 BESKRIVNING AV FIGURER Figur 1. XRD~mönster av värmebehandlade titanplattor indränkta i den 0,06 mmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37°C (A) respektive 60°C (B) i 1 vecka. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) Figur 2. XRD-mönster av värmebehandlade titanplattor indrânkta i den 0,06 mmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37°C (A) respektive 60°C (B) i 2 veckor. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) Figur 3. SEM-bilder av vârmebehandlad titanyta, förstoring (A) 3000 x, (B) 10000 x.

Figur 4. SEM-bilder av vårrnebehandlad titanyta efter indrånkriingi 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 37 °C, förstoring 10000 x.

Figur 5. SEM-bilder av vårmebehandlad titanyta efter indränkriingi 0,06 mM strontium~PBS i 2 veckor vid 37 °C, förstoring 10000 x.

Figur 6. SBM-bilder av vârmebehandlad titanyta efter indränkriingi 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 7. SBM-bilder av vårrnebehandlad titanyta efter indränkningi 0,06 mM strontium-PBS i 2 veckor vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 8. SEM-bilder av vårmebehandlad titanyta efter indränkning i 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 37°C, förstoring (A) 10000 x (B) 45000 X.

Figur 9. SEM~bi1der av vârmebehandlad titanyta efter indrânkning i 0,6 mM strontíum-PBS i 1 vecka vid 60°C, förstoring (A) 10000 x (B) 50000 x.

Figur 10. XRD-mönster av PVD-behandlade titanplattor indränkta i den 0,06 mmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37 °C (A) respektive 60°C (B) i 1 vecka. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) 10 20 25 30 12 Figur 11. XRD-mönster av PVD-behandlade titanplattor genomdränkta i den 0,06 mmol/1 och 0,6 mmol/1 Sr-PBS-lösning vid 37 °C (A) respektive 60°C (B) i 2 veckor. (*: specifika toppen för hydroxiapatit) Figur 12. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 13. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i 0,06 mM strontium-PBS i 1 vecka vid 60°C, förstoring (A) 3000 x (B) 30000 x.

Figur 14. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i 0,6 mM strontium-PBS i l vecka vid 60°C, förstoring (A) 3000 x (B) 30000 x.

Figur 15. SBM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indrânkning i 0,06 mM strontium-PBS i 2 veckor vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 16. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkriing i 0,6 mM strontium-PBS i 2 veckor vid 60°C, förstoring (A) 1000 x (B) 30000 x.

Figur 17. SEM-bilder av PVD-behandlad titanyta efter indränkning i kisel-PBS i 1 vecka vid 37 °C, förstoring (A) 1000 x (B) 5000 x.

Figur 18. SEM-bild av vårmebehandlad titanyta efter indrânkriing i Si- och Sr-PBS i 1 vecka vid 37°C.

Figur 19. Illustrering av Si- och Sr-jonsignaler från den biomineraliserade ytan från TOF-SIMS.

EXEMPEL Exempel 1. Avsättning av strontiumsubstituerad hydroxiapatityrtbeläggning på. vårmebehandlade titanytor. 10 15 20 25 13 10mm x 10mm titanplattor behandlades med värme (vid 800°C i 2 timmar) för att ge en titandioxid yta. De behandlade plattorna rengjordes först med ultraljud i aceton följt av etanol och till sist sköljdes de med avjonat vatten och torkades i 37 °C. Två typer av mineraliserbara lösningar erhölls från den modifierade fosfatbuffertlösningen (PBS) (se Tabell 2). Den låga koncentrationen av Sr-PBS var 0,06 mmol/1. Den höga var 0,6 mmol/1. Det initiala pH i den låga var 7,20 och 7,21 vid 37°C respektive 60°C. Det initiala pH i den höga var 7,19 och 7,15 vid 37 °C respektive 60°C. Varje två prov indrâriktes i 40m1 förvårmd lösning i en förseglad plastflaska som sedan placerades i ugnen vid 37 °C respektive 60°C. Plattorna inkuberades under olika tidsperioder från 1 vecka till 2 veckor. Alla prover sköljdes därefter med avjonat vatten och torkades i luft. Proven analyserades sen genom att använda tunnfilmsröntgendiffraktion (TF-XRD), fåltemissions- svepelektronmikroskopi (FESEM), röntgenfotoelektronspektroskopispektra (XPS) och time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS).

Tabell 2. J onkoncentrationer i blodplasma, PBS och strontium-PBS (10-3M) Jon (mmol/l) N a* K* Mg2+ Ca2+ Cl- HPO42~ Sr2* Blodplasma 142,0 5,0 1,5 2,5 103,0 1,0 PBS 145,0 4,2 0,49 0,91 143 9,6 - 06Sr-PBS 145,0 4,2 0,49 0,9 1 143 9,6 0,6 ooßsr-PBS 145,0 4,2 0,49 0,91 143 9,6 0,06 Resultaten visas i ñgur 1~9. Ytbelâggningen av biomineraliserad strontiumsubstituerad hydroxiapatit var uppbyggd av två lager efter indrânkning i den mineraliserbara lösningen i 1 och 2 veckor. Det nedre lagret var en tunn och tät ytbelâggning och det övre lägret var en lucker och porös ytbelåggning (figur 8 och 9 visar dessa resultat tydligt).

Exempel 2. Avsättning av strontiumsubstituerad hydroxiapatitytbeläggning på PVD-behandlade titanytor.

Behandlingsförfarandet var liknande det i Exempel 1 men substraten var PVD- behandlade titanytor.

PVD-behandlingen var enligt följande: 10 15 20 25 30 14 Titanplattor placerades i en PVD-kammare (Baltzer 640R). Magnetroneffekten och det partiella syretrycket under ytbeläggningssteget var 1,5 kW respektive 1,5xl0-3 mbar. Inställningen av PVD-apparaturen var optimerad för maximal framställning av rutilstrukturen i TiOg-filmen.

Exempel 3. Avsättning av kiselsubstituerad hydroxiapatitytbelâggning på PVD- behandlade titanytor. 10mm x 10mm titanplattor behandlades genom att använda PVD-behandling för att ge titandioxidyta. De behandlade ytorna var först rengjorda med ultraljud i aceton följt av etanol och till sist sköljda med avjonat vatten och torkade vid 37 °C. Den mineraliseringsbara lösningen innefattande silikat erhållen från den modifierade fosfatbuffertlösningen (PBS). Den modifierade PBS-lösningen var framställd enligt följande: (1) 3mg trikalciumsilikat tillsattes till 40ml PBS-lösning, omrörd över natten (2) Den grumliga lösningen centrifugerades sedan och supematantlösningen agerade den míneraliseringsbara lösningen (3) pH-värdet och sammansättningen hos lösningen analyserades genom pH- meter respektive ICP-AES.

Vaxj e två prover indräriktes i 40ml förvärmd lösning i en fórseglad plastflaska, som sedan placerades i ugnen i 60°C i 1 vecka. Alla prov sköljdes sen med avjonat vatten och torkades vid 37 °C. Proven analyserades sen genom att använda tunnfilmröntgendiffraktometer (TF-XRD), fâltemissionssvepelektronmikroskopi (FESEM), röntgenfotoelektronspektroskopispektra (XPS) och time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS).

Resultaten år presenterade i Figur 17.

Exempel 4. Framställning av jonsubstituerade hydroxiapatitytbeläggnirigar Andra refererade jonsubstituerade (CO32~, F~, Cl, Mg2+, Zn2+, Ba2*, Feß* etc) hydroxiapatitytbeläggningar framställda enligt förfarandet kan erhållas genom liknande förfaranden som de i Exempel 1-3. Lösningen som innefattar olika joner kan framställas genom att lösa upp lösliga salter i modifierad SBF och PBS. 10 15 20 25 30 15 Dessa joniskt substituerade hydroxiapatitytbelåggningar framställda enligt metoden bildades på andra substrat så som bioaktíva keramer (hydroxíapatit, trikalciumfosfat (TCP), kalciumsilikat, zirkoniumdioxid etc), bioaktiva glas (4585 bioglas®, AW glas-keramer, bioaktiv 58S-glas etc) metaller (titan, titanlegeringar, rostfritt stål, CoCrMo-legering etc), kol och polymerer (collagen, glutin, PLGA, PGA etc.).

Exempel 5. Framstållning av Si- och Sr-samsubstituerade kalciumfosfatytbelåggriingar.

Substratbehandlingsförfarandet var så som beskrivet i Exempel 1.

Lösningen innefattande silikat och strontium erhölls från en modifierad fosfatbuffertlösning (PBS). Silikatkållan var natriumsilikatlösning och strontiumkållan var strontiumnitrat i detta exempel. Si-jonkoncentrationen kontrollerades till 0,07 5-0,15 mM och Sr-jonkoncentrationen kontrollerades till 0,06-0,6 mM.

Proven indråriktes i 40ml förvärmd lösning i en förseglad plastflaska, som sedan placerades i ugnen vid 37 °C i 1 vecka. Alla prov skölj des sen med avjonat vatten och torkades vid 37 °C efter iridrânkriing. Proven analyserades sedan genom att använda tunnfilmröntgendiffraktometer (TF-XRD), fåltemissionssvepelektronmikroskopi (FESEM), röntgenfotoelektronspektroskopispektra (XPS) och time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS).

Resultaten år presenterade i Figurerna 18-19. Analysen visar att den sam- substituerade apatitytbelâggriingen bildades på substratet, se SBM-bilderna. TOF- SIMS-resultaten visade att det farms Si- och Sr-jonsígnaler från ytan. ZCa/ZISr var omkring 0,83 och BSiOX/EPOX var omkring 0,08. Dessa resultat visar att Si- och Sr- samsubstituerad apatitytbelåggning bildades på de vårmebehandlade Ti- substraten. 10 15 20 25 16 Referenser 1. M. Vallet-Regi, J .M.G. Calbet, Calcium phosphate as substitution of bone tissues. Progress in Solid State Chemistry 2004;32: 1-31. 2. S.V. Dorozhkin, M. Epple, Bioligical and medical significance of calcium phosphates. Angew Chem Int Ed 2002;41:3l30~3146. 3. A.L. Oliveira, R.L. Reis, P. Li, Strontium-substituted apatite coatíng grown on Ti6A14V substrate through biomimetic Synthesis. J Biomed Mater Res Part B 2007;83:258-265. 4. K.A. Gross, L.M.R. Lorenzo, Sintered hydroxyfluorapatites. Part I: Síntering ability of precipitated solid solution powders. Biomaterials 2004;25: 1375-1384. 5. C. Robinson, R.C. Shore, S.J. Brookes, S. Strafford, S.R. Wood, J. Kirkham, The Chemistry of Enamel Caries. Crit Rev Oral Biol Med 2000; 1 1:481~495. 6. A.M. Pietak, J .W. Reid, M.J. Stott, M. Sayer, Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics. Biomaterials 2007 ;28:4023-4032. 7. E. Landi, A. Tampieri, G. Celotti, S. Sprio, M. Sandri, G. Logroscino, Sr- substituted hydroxyapatites for osteoporotic bone replacement. Acta Biomaterials 2007;3:961-969. 8. E. Landi, A. Tampieri, M.M. Belmonte, G. Celotti, M. Sandri, A. Gigante, P.

Fava, G. Biagini, Biomimetic Mg- and Mg,CO3-substituted hydroxyapatites: Synthesis charcterization and in vitro behaviour. J Euro Ceram Soc 2006262593- 26O 1 . 9. W. Xue, H.L. Hosick, A. Bandyopadhyay, S. Bose, C. Ding, K.D.K. Luk, K.M.C. Cheung, W.W. Lue, Preparation and cell-materials interactions of plasma sprayed strontium-contairiing hydroxyapatite coating. Surface ön Coatings Technology 2007;20 1 :4685-4693. 10. G. Qi, S. Zhang, K.A. Khor a, W. Weng, X. Zeng, C. Liu, An interfacial study of sol-gel-derived magnesium apatite coatings on Ti6A14V substrates. Thin Solid Films 2008;516:5172-5175. 10 15 20 17 11. E.S. Thian, J. Huang, S.M. Best, Z.H. Barber, W. Bonfield, Novel Silicon- Doped Hydroxyapatite (Si-hydroxyapatite) for Biomedical Coatings: An In Vitro Study Using Acellular Simulated Body Fluid. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater 2006;7 6:32 6-333. 12. E.L. Solla, P.Gonzalez, J. Serra, S. Chiussi, B. Leon, J. Garcia Lopez, Pulsed laser deposition of silicon substituted hydroxyapatite coatings from synthetical and biological sources. Applied Surface Science 2007 ;254:1 189-1 193. 13. Y. Han, D.H. Chen, L. Zhang, Nanocrystallized SrHA/ SrHA-SrTiOQ/SrTiOr TiO2 multilayer coatings formed by micro-are oxidation for photocatalytic application. Nanotechnology 2008; 1923357 05. 14. B.C. Bunker, P.C. Rieke, B.J. Tarasevich, A.A. Campbell, G.E. Fryxell, G.L.

Graff, L. Song, J. Liu, J .W. Virden, G.L. McVay, Ceramic Thin-Film Formation on Functionalized Interfaces Through Biomimetic Processing Science 1994;264:48-55. 15. Li P. Patent: Strontium substituted apatite coating. US 6,905,723 B2 2005. 16. Li P. Patent: Bioactive ceramic coating and method. US 6,569,489 Bl 2003. 17. X. Zhao, X. Liu, C. Ding, Acid-induced bioactive titania surface. J Biomed Mater Res A 2005;75:888~894. 18. C. Wu, J. Chang, W. Zhai, S. Ni, A novel bioactive porous bredigite (Ca7MgSi4O16) scaffold With biomimetic apatite layer for bone tissue engineering. J Mater Soi-Mater in Med 2007; l8(5):857-864.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 18 Patentkrav . Förfarande för att bilda en ytbelâggning av en jonsubstituerad kalciumfosfat på ett substrat innefattande stegen: a. tillhandahålla ett substrat, b.til1handahålla en vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner, magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner, karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 2,0 till 10,0 och en temperatur av 20°C till lOO°C, varvid lösningen vidare innefattar en eller flera av substitutionsjonerna Sr2+, Si4+, Zn2r, Ba2+, Fe3*, F~, c. sänka ner åtminstone en del av substratet i den vattenhaltiga lösningen för en tidsperiod tillräcklig för att den kristallina ytbelâggningen ska bildas. . Förfarande för att bilda en kristallin ytbelåggning av en j onsubstituerad kalciumfosfat på ett substrat innefattande stegen: a. tillhandahålla ett substrat, b.tillhandahålla en första vattenhaltig lösning innefattande kalciumjoner, magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner, karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 och en temperatur av 20°C till lOO°C, c. sänka ner åtminstone en del av substratet i den första vattenhaltiga lösningen under en tidsperiod tillräcklig för att en första ytbeläggriing ska bildas, d.tillhandahålla en andra vattenhaltíg lösning innefattande kalciumjoner, magnesiumjoner, natriumjoner, kaliumjoner, kloridjoner, fosfatjoner, karbonatjoner, sulfatjoner som har ett initialt pH i intervallet 6,0 till 8,0 och en temperatur av 20°C till lOO°C, lösningen innefattar dessutom en eller flera av substitutionsjonerna Sr2*, S143 Zn2+, Ba2*, Fe3*, F~, e. sänka ner åtminstone en del av substratet i den andra vattenhaltiga lösningen under en tidsperiod tillräcklig för att ett andra kristallint lager av ytbeläggning ska bildas. 19 3. Förfarande enligt krav 2 där stegen b) till e) repeteras. 4. Kristallin jonsubstimerad hydroxiapatítytbelâggning framställd genom metoden enligt något av krav 1 till 3.