SE514323C2 - Implantat samt förfarande och användning vid implantat - Google Patents

Description

2, TEKNIKENS STÅNDPUNKT Det är tidigare känt att implantat tillverkade av kommer- siellt rent (99,6%) titan under vissa förutsättningar med- ger läkning av omgivande benvävnad så att en nära kontakt kan uppnàs mellan implantat och vävnad. Den nära kontakten mellan implantat och normal benvävnad, ofta kallad osseo- integration, medger i sin tur god permanent förankring av implantatet, vilket kan utnyttjas i olika kliniska behand- lingssituationer. Benförankrade titanimplantat kan använ- das som fästelement för tandersättningar och tandproteser, eller för andra typer av proteser eller anordningar (jfr fingerleder, ögon- och öronproteser, hörapparater). Orsa- ken till goda beninläkningsresultat som speciellt fás med titanimplantat som framställts genom svarvning eller fräs- ning kan anses vara en gynnsam kombination av struktur (topografi och ytráhet) och kemiska sammansättningar som tillverkningsmetoden ger upphov till. Det kan därvid hän- till 7902035-0. titanytor har typiskt en ytráhet (Ra) sammansättning är visas svenska patentet Ovan nämnda i intervallet 0,1-1 huvudsakligen (< 10 nm) Ytan anges också ha en porositet pà skalan av um. Ytans kemiska titandioxid (TiOfl oxidskikt. 10-1000 nm. Om portätheten hos de tidigare kända ytorna som finns i form av ett tunt närmare studeras med svepelektronmikroskopi framgår att portätheten hos dessa ytor är relativt làg, samt att pordjupet i oxiden aldrig kan överstiga 10 nm.

Ett flertal experimentella studier har utförts för att undersöka beninläkning kring andra typer av titanytor än svarvade eller frästa. Olika ytprepareringsmetoder har för att modifiera olika egenskaper, oxidtjocklek, Som exempel pà metoder som bl.a. därvid använts som t.ex. yttopografi, ytsammansättning, etc. hos titanytorna. tidigare använts för att modifiera. yttopografi pà titanimplantat kan nämnas: sandblästring, plasmasprutning, partikelsint- ring, elektropolering och anodisk, oxidation. De samlade 5143323 3 resultaten från sådana studier visar att yttopografi på olika nivåer kan påverka beninläkning och implantatets mekaniska förankring både kvalitativt och kvantitativt, jämför nämnda patentskrift. Det har sà t.ex. visats att gängformade titanimplantat med sandblästrad ytor med ytrà- het (Ra) på mikrometernivá kan ge upphov till högre urvrid- ningskrafter än enbart svarvade eller frästa ytor. Det har även påvisats att vissa typer av elektrokemiskt modifie- rade titanytor kan ge en snabbare beninläkning än de svar- vade eller frästa titanytorna. Orsaken till denna förbätt- ring skulle kunna vara en kombination av en gynnsammare yttopografi och en högre oxidtjocklek. De sistnämnda ytorna kan anses vara heterogena och består huvudsakligen av släta områden med en relativt tät oxid (TiO2), och en minoritet av områdena som har en ytråhet och en viss oxid- porositet på nivån kring l um. Den förhöjda oxidtjockleken hos dessa ytor, ca 200 nm, kan förväntas resultera i en förbättrad korrosionsbeständighet hos materialet, och där- med en gynnsam effekt på grund av den lägre titanjonfri- släppningshastighet som därvid uppkommer.

Med bakgrund av ovanstående kända faktum kan man således ställa hypotesen att en hög oxidporositet och hög oxid- tjocklek kan ha en positiv effekt på beninläkningshastig- heten kring titanimplantat. Det är även känt att de biolo- giska förloppen kring inläkningen i anslutning till nämnda implantat kan påverkas genom användning av olika typer av substanser. Således är det känt att hastigheten med vilken ben kan bildas i hög grad kan påverkas med tillväxtfakto- rer som åstadkommes medelst substanser som initierar eller stimulerar bentillväxt, varvid som exempel kan nämnas substanser tillhörande superfamiljen TGF-ß, och andra benmatrixproteiner.

Det är i och för sig känt att åstadkomma olika typer av porösa ytor eller skikt av titanbaserat material. Det kan därvid hänvisas bl.a. till den av Dunn, m.fl. publicerade artikeln ”Gentamicin sulfate attahcement and release from 5146523 »í;xfua;:æ$jW ”I anodized TI-6A1-4V orthopedic materials” i ”Journal of Bio- medical Materials Reserach, Vol. 27, 895-900 (l993)”.

I denna artikel visas rent allmänt att man kan åstadkomma porösa titan och oxidskikt med hjälp av s.k. anodisk oxi- dation som är en elektrokemisk metod. I anslutning härtill föreslås att skiktet eller skikten skall utnyttjas som depå eller lager för antibiotiska substanser.

Det kan även hänvisas till artikeln ”Formation and charac- terization of anodic titaniunl oxide films containing Ca and P” of Hitoshi Ishizawa och Makoto Ogino i ”Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 29, 65-72 (l995)”.

Denna artikel visar att det är även känt att medelst elek- trokemisk metod åstadkomma förhållandevis tjocka titan- oxidlager som genom metoden förses med porarrangemang som tilldelar skikten en framträdande porös struktur. I an- slutning' härtill omnämnes även. att skikten. kan. användas som bärare för substans för snabb beninväxt.

Porösa ytskikt har sàledes tillverkats tidigare pà titan- ytor avsedda som implantatmaterial. I de flesta fallen har syftet med dessa preparationer dock varit annat än vad som avses vid föreliggande uppfinning. Således har man tidi- gare bl.a. föreslagit att utveckla kalcium och fosforinne- hållande oxidskikt, vilka genom ytterligare behandling kan fàs att fälla ut hydroxyapatitkristaller ovanpà oxidskik- tet. Det kan även hänvisas till de amerikanska patent- skrifterna 4 330 891 och 5 354 390 samt till den euro- peiska patentskriften 95l0238l.l (676 179).

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN TEKNIsKfr PROBLEM Vid hithörande slag av implantat föreligger behov av att speciellt i mjuka benstrukturer eller benkvaliteter uppnà förkortade inläkningsförlopp mellan ben och implantat.

Därvid skall titanmaterialets och tillväxtsubstansens 514 323 s egenskaper utnyttjas i största möjliga utsträckning. Upp- finningen utgår bl.a. från detta problem.

Det är i och för sig känt att utnyttja implantat med skruvförband som skall förankras i käkben. Det är därvid känt att käkbenets kvalitet kan variera avsevärt. Vid speciellt de inre delarna av käkbenet kan benmaterialet vara framträdande mjukt och/eller representera förhållan- devis tunna trabekler. Det är därvid angeläget att i dylika fall kunna effektuera tillförlitliga implantatfastsättningar. Uppfinningen löser även detta problem och föreslår därvid effektiva implantat och metoder att förankra implantaten i även mjukt benmaterial.

I anslutning till uppfinningen utnyttjas bl.a. metod för att framställa det förhållandevis tjocka och porösa mate- rialet. Det är därvid väsentligt att entydiga och effek- tiva metoder kan utnyttjas. Uppfinningen löser även detta problem.

Tidigare metoder och anordningar har utgått från problem att bygga bentillväxt vid implantatet och därvid har man tagit mindre hänsyn till samverkan mellan implantatet och ifrågavarande benmaterial. Det är angeläget att etablera en effektiv bioaktiv yta mellan implantatet och tandbenet eller motsvarande ben. Uppfinningen löser även detta pro- blem.

Det är även angeläget att uppnå en effektiv substanseta- blering i den porösa ytan eller strukturen som skall fun- gera som en depå för ifrågavarande tillväxtsubstans. Upp- finningen löser även detta problem.

Det är av stort intresse att. den. porösa. strukturen. som fungerar som depå för tillväxtinitierande eller tillväxt- stimulerande substans på ett kpntrollerat sätt kan næd- verka i substansens frisläppning under en önskad eller förutbestämd tidsperiod. Det kan således vara av intresse 514fzås e att få en bättre styrd substanseffektuering under viss tidsrymd som skall kunna väljas efter det aktuella fallet.

Uppfinningen löser även denna problematik.

Det är av stort intresse att praktiskt kunna föra fram im- plantattekniken ett ytterligare steg inom teknikomràdet där den praktiska tillämpningen utnyttjar bioaktiva ytor i stället för att såsom tidigare enbart utgå från titanmate- rialets egenskaper i sig. Genom att stimulera bentill- växten i implantatsammanhang kan man bl.a. inom det den- tala området skapa styrmöjligheter att förbättra fastväx- ningsproblematiken. Uppfinningen löser även detta problem.

Det har visat sig att man kan förvänta sig effektiva fast- läkningsprocesser i anslutning till implantat för applice- ring i. hálupptagning i. ben, framförallt i. käkbenfl Genom att tillföra en eller flera bioaktiva substanser direkt i en omgivande 'vävnad. eller* benmiljö som skall förstärkas kan stimulansfunktioner effektivt uppnås. Uppfinningen är speciellt avsedd att lösa även detta problem.

Implantat för* hålupptagning :i käkben är oftast försedda med en eller flera gängor, via vilken respektive vilka im- plantatet mekaniskt skall förankras i hàlupptagningen medelst iskruvning. Tillförandet av viss ojämnhet i. yt- strukturen som skall iskruvas medför krav på större idrag- ningskrafter som i sig inte fär motverka bärfunktionen för den bioaktiva substansen. Uppfinningen löser även detta problem.

Det är känt att käkbensstatusen varierar väsentligt från fall till fall och att vid mjuka och/eller tunna käkbens- förhållande det är angeläget att kunna skapa arrangemang som förstärker bentillväxten i dylika sammanhang. Uppfin- ningen avser att lösa även detta problem.

För att skapa framträdande porositet i aktuellt oxidskikt är det angeläget att utnyttja rätta oxideringsmetoder som 514 323 ? kan vara helt avgörande för om man lyckas uppnà det efter- strävade eller inte. Uppfinningen löser även. detta. pro- blem.

LÖSNINGEN Det son1 väsentligen. huvudsakligen kan anses vara känne- tecknat för ett implantat enligt uppfinningen är att sub- stansen under en utdragen tidsperiod som kan sträcka sig skall vara påverkad av en eller till och/eller ben- mellan t.ex. 1-2 veckor, flera frisläppningsfunktioner för substansen som respektive omgivande vävnad eller vävnads- tillväxtomràde styrd eller optimal substansav- ger en givning. Own läknings- eller' bentillväxtfunktionen. gynnas härav kan även andra substansavgivningsförlopp etableras.

I ett utföringsexempel arbetar implantatet med mer än en, två ástadkomna medelst dvs. eller flera frisläppningsarrangemang som är olika porarrangemang inom ett eller flera delområden pá en eller flera av de inledningsvis om- Därvid kan porer med olika porkarakteristi- Sá kan t.ex. olika pordjup, nämnda ytorna. ker utnyttjas. öppna respektive :mer eller mindre slutna porer, olika portätheter, etc. vara anordnade inom ett eller flera delområden pà nämnda ytor. De olika delomràdena kan även vara anordnade med olika porkarakteristiker.

Det är även väsentligt att oxidskiktet pà titanet är sam- mansatt pà ett fördelaktigt sätt. oxidskiktets yta innefatta ca 20% titan, I en utföringsform skall ca 55% syre och ca 20% kol. Oxidskiktet skall som sàdant vara framträdande poröst.

I en föredragen utföringsform är implantatet av det slag Implantatet skall ätminstone i anslutning till nämnda gängor uppbära nämnda som innefattar en. eller flera gängor. oxidskikt respektive ytor. ....< 514 .pizza s I en föredragen utföringsform uppvisar oxidskiktet en yträhet av ca 1-5 um eller lägre samt har en tjocklek företrädesvis inom intervallet 2-10 um. Oxidskiktet skall vara framträdande poröst med pordiametrar inom intervallet 0,0l-l0 um.

Det som huvudsakligen kan anses vara kännetecknande för ett implantat är även att det innefattar ett med hàlupp- tagningen i ett ben samverkbart parti i titan och att titanpartiet därvid är utformat med en eller flera fram- trädande tjocka titanoxidskikt uppvisande ytor som i hål- tagningen är motställbara benet. Ytterligare kännetecken är att respektive oxidskikt är anordnat med porarrangemang som fungerar som depå. för bentillväxt initierande och/ /eller stimulerande substans och att vid med substans pàfylld depà och implantatets position i hàlet en fri- släppningsfunktion för substansen till omgivande vävnad eller ben träder i funktion.

Frisläppningsfunktionen kan därvid vara styrd under vald väsentligt utsträckt tidsperiod. Frisläppningsfunktionens styrning kan därvid vara effektuerad medelst val av porar- rangemang och porkarakteristiker i eller pá nämnda skikt.

Det som huvudsakligen kan anses vara kännetecknande för ett förfarande enligt uppfinningen är att ímplantatet framställes, t.ex. medelst maskinbearbetning, med parti av titan som uppbär ytor motställbara benet i implantatets position i hålet. Nämnda titan pä nämnda yta eller ytor utsättes för anodisk oxidation i en utsträckning som ger ett framträdande poröst och förhållandevis tjockt oxid- skikt pá respektive berörda yta. Till nämnda porösa och tjocka skikt appliceras, t.ex. genom indränkning eller doppning i eller pàdroppning och/eller pápensling av sub- stans, bentillväxt initierande eller stimulerande substans TS som därvid kan utgöras av BMP. Implantatet isättes i sitt läge i hålet medförande att processen för substansens frisläppning till benet uppstartas i och med isättningen 514, 323 q genom paverkan av processen utlösande komponenter i vävnad och/eller ben.

I en utföringsform kan implantatet vid nämnda ytor uppbä- rande del eller delar förses med en eller flera gängor, via vilka implantatet iskruvas i det upptagna benet. I en utföringsform doppas det oxiderade skiktet och dess till- hörande porsystem i behållare med substans under vald tidsrymd, t.ex. 1. timme, så. att effektiv' inträngning' av substansen i det porösa skiktet sker.

Den nya användningen enligt uppfinningen kännetecknas därav att det framträdande porösa och tjocka titanoxid- skiktet som tillförts bentillväxt initierande eller stimu- lerande substans användes pà implantat isättbart i hàl i ben, företrädesvis käkben.

I en föredragen utföringsform kännetecknas användningen av att det porösa skiktet med lagrad substans användes pà im- plantat med gänga(-or), ledimplantat, etc.

Det soul huvudsakligen, kan. anses vara. kännetecknande för ett implantat enligt uppfinningen är även att oxidskiktet uppvisar en tjocklek inom intervallet l-20 um, företrädes- vis 2-20 um. I en föredragen utföringsform uppvisar oxid- skiktet en ytràhet inom ett intervall 0,4-5,0 um. I en yt- terligare utföringsforn1 är oxidskiktet, höggradigt. poröst med ett antal porer av lxl07-1x10“° porer/cnf. Respektive yta uppvisar huvudsakligen porer med diameterstorlekar inom intervallet 0,1-10 um. Total porvolym ligger företrädesvis i intervallet 5x104-10% cmf Ett förfarande för den i ovan omnämnda anodiska oxidatio- nen kan huvudsakligen anses vara kännetecknad av att den elektrolytiska sammansättningen tillföres utspädda oorga- niska syror och/eller utspädda organiska syror och/eller mindre mängder flourvätessyra eller ~väteperoxid och att f-c .fu s14appf32ís :o energikällan väljes att arbeta. med spänningsvärde eller spänningsvärden inom intervallet 150-400 volt.

I en utföringsform kan spänningen varieras för samma im- plantat tidsàtskilt för att skapa olika porstorlekar inom samma ytomràden. Dessutom kan implantatets läge i elektro- med elektrolytsammansättningen lyten ändras tillsammans och/eller spänningen för att skapa områden med olika skikttjocklekar, porositeter eller porkarakteristiker pà implantatet.

FÖRDELAR Genom det i ovan angivna erhålles en ny dimension inom im- Tidi- gare kliniska undersökningar som öppnat vägen för använ- plantatstekniken, speciellt pà det dentala området. dandet av bioaktiva substanser kan nu få praktiska till- lämpningar, speciellt i anslutning till hálupptagning i ben av lägre kvalitet med avseende pà hårdhet och kvanti- tet. applicering i hälupptagningar i käkben där den bioaktiva Uppfinningen ger speciella fördelar vid implantats- substansen kan ges ytstora och styrda diffunderingsfunk- tioner (koncentrationsdiffunderingar) ut i det omgivande benmaterialet. Läknings- och bentillväxtperioden kan sty- ras och effektiviseras genom kombination av titanmateria- let i sig, implantatets geometriska form och den bioaktiva substansen. Ekonomiskt fördelaktiga förfaranden kan eta- bleras pá marknaden och förpreparerade implantat och för- packningar kan tillhandahållas. Alternativt kan substans och implantat (med sin specifika porösa oxidskiktskarak- tär) tillhandahållas var för sig och sammanföras pá plats enligt angivelser.

FIGURFÖRTECKNING En, för' närvarande föreslagen 1itföringsforn1 av' anordning, förfarande och användning enligt uppfinningen. skall be- skrivas i nedanstående s14 $2s H under samtidig hänvisning till bifogade ritningar där figur figur figur figur figur figur figur figur figur l la lb 3 i vertikalsnitt visar delar av ett gängför- sett implantat förankrat genom iskruvning i ett käkben, i vertikalsnitt. och. delytförstoringar' visar en gänga i implantatet enligt figuren 1, var- vid på gängytan oxidskikt etablerats, fràn sidan och i vertikalsnitt visar delvis i bioaktiv substans neddoppad. del av implan- tatet enligt figurerna 1 och la, varvid det porösa skiktet indränkes med ifrågavarande substans, i diagramforn1 visar frisläppningsfunktionen för i oxidskiktet deponerat bioaktivt mate- rial, i perspektiv visar i kraftig förstoring delar av ett poröst titanoxidskikt pá ett implantat enligt figuren l, i perspektiv visar delar av ett andra poröst titanoxidskikt enligt figuren 1, i diagramform visar pordiameterstorlekarna och porantalet i skiktet enligt figuren 3, ovanifràn. visar en första utföringsforn1 pà oxidskiktets porkaraktär som àstadkommits med använd sammansättning pà elektrolyt, oxida- tionsenergi och tid, ovanifràn visar en andra utföringsform av titanoxidets porkaraktär, _ ~ ,4 , , _, ., . . . - H 4 « _ _ _, . < (f 1 . <~f = '_» ,_ _ .. .i < e< _ , ««U U _. .- (ß-f <. fr - « < . _ ,. . n.

IQ, figur 8 fràn sidan visar utrustning för anodisk oxi- dation av ett implantat enligt figuren l, figur 9 i diagramform visar spännings- och strömfunk- tioner som utnyttjas i anslutning till oxide- ringsförloppet enligt figuren 9, och figur 10 i tabellform visar i titanoxidskikt ingående parametrar.

DETALJERAD UTFÖRINGSFORM I enlighet med ovanstående föreslås genom föreliggande uppfinning bl.a. en metodik som möjliggör att en hög oxid- porositet och stor oxidtjocklek skall kunna etableras pá ett titanimplantat för att fungera som bärare av substans som initierar, stimulerar och ökar beninläkningshastig- heten för implantatet i ett aktuellt benmaterial i männi- skokroppen. Uppfinningen bygger pá insikten att det är känt att hastigheten med vilken ben bildas i hög grad kan påverkas av tillväxtfaktorer som àstadkommes med t.ex.

TGF-B och andra benmatrixproteiner. Uppfinningen avser därvid. bl.a. att. pà ett kontrollerat sätt tillföra och frisläppa sådana substanser kring metallimplantatet i om- givande ben. Oxidskiktet utformas med framträdande stor porositet. Porernas volym fungerar som depäer för substan- serna. Porväggarnas relativt stora ytarea utnyttjas för att immobilisera substanserna genom adsorbtion. Implantat- ytan utgörs i enlighet med uppfinningen av en framträdande porös titanoxid som i sig uppvisar positiva egenskaper vid inlänkningen. För att kontrollera frisläppningshastigheten av de aktiva substanserna föreslås genom föreliggande uppfinning att portätheten (dvs. antalet porer per ytenhet) och porgeometri (diameter och djup) skall varie- ras pà ett kontrollerat sätt.

N- 512.24 325 13 i Bl.a. avser föreliggande uppfinning ett ytskikt pà titan- implantat som är utformat sà att dess egenskaper i sig har en positiv effekt pá beninläkningen kring implantatet samt dessutom ha funktionen att utgöra bärare för ett effektivt substrat som pà ett kontrollerat sätt tillföres implantat- ytan för att sedan i vävnaden frisläppa biologiskt aktiva substanser som har en pàskyndande effekt pà benbildningen kring implantatet. Ytan består därvid av ett oxidskikt som till stor del innefattar TiO2 samt har ytràhet Ra som före- trädesvis ligger pà nivàn l-5 um (t.ex. 4 um) eller lägre.

Dessutom skall oxidskiktet ha en tjocklek som i en utfö- ringsform skall kunna varieras inom intervallet 1-20 um. I undantagsfall kan det bli aktuellt med värden ned mot 0,5 um. Oxidskiktet skall vidare vara framträdande poröst med stort antal öppna porer per ytenhet och med pordiametrar som kan varieras inom intervallet 0,01-10 um. I en före- dragen utföringsform uppvisar oxidskiktet en tjocklek inom intervallet 2-20 um. I en ytterligare utföringsform upp- visar oxidskiktet en ytràhet inom intervallet 0,4-5 um. I nämnda föredragna utföringsform är oxidskiktet höggradigt poröst och uppvisar ett antal av lxlO7-lxl0m porer/cnf.

Vidare skall implantatet i den föredragna utföringsformen ha porer med diameterstorlekar inom intervallet 0,1-10 um.

Porvolymen väljes i enlighet med ovan. Detta arrangemang skall i sig kunna kombineras med porer med andra karakte- ristiker, mindre diameterstorlekar, mer eller mindre slutna utföringsformer samt med olika djup. Det àstadkomna porösa oxidskikten ger upphov till tvà huvudsakliga effek- ter inom implantattillämpningar i ben. För det första kan ytans egenskaper i sig förväntas resultera i en pàskyndad beninläkning och förankring av implantatet genom den före- dragna kombinationen av ytràhet, porvolym, porositet och oxidtjocklek. Dessutom som en andra effekt kan ytskiktet fungera som ett lämpligt sätt att immobilisera kontrolle- rade mängder biologiskt aktiva substanser som påverkar tillväxtförloppet i benet. Ytskiktet fungerar sàledes som bärare för ifràgavarande substans. Immobiliseringen kan 51,4 323 111 utföras i princip på olika sätt där det första åstadkommes genom spontan adsorption från ifrågavarande lösning av aktuella molekyler på porväggarnas ytor. I en andra utfö- ringsform utnyttjas det faktum att de aktuella substan- serna har en nettoladdning skild från noll, vilket medför att adsorption från lösning på porväggarnas ytor kan på- skyndas med hjälp av elektriskt fält som tillförts genom applicering av lämplig spänning på provet i en cell. Ett tredje sätt är att med tryck pressa substanserna in i porerna, varvid ifrågavarande substans tilldelas en lämp- lig viskositet. Ett fjärde sätt att applicera substans är att utnyttja sig av en gelbärare för substansen. Gelbära- ren med substansen appliceras eller tryckes mot det porösa oxidskiktet. Gelbäraren är av högvisköst slag. Frisläpp- ningen eller frisläppningsfunktionen av respektive för ifrågavarande substans in i vävnaden blir för de olika fallen beroende på porernas geometriska utfonnningar.

Genom att styra porgeometrierna eller porkarakteristikerna kan olika frisläppningshastigheter åstadkommas. Genom olika kombinationer av mindre och större porer kan fri- släppningen programmeras för att följa en önskad sekvens i tiden. Detta utföres genom det faktum att hög frisläppning erhålles i det initiala skedet från större porer, vilket àtföljes av en långsam eller långsammare frisläppning över längre tid från små och/eller djupa porer.

I figuren l visas med 1 delar av ett käkben i vilket ett hål 2 upptagits. I hàlupptagningen eller hålet 2 har ett implantat 3 iskruvats via sina gängor 3a. Nämnda gängor åstadkommer vid implantatets iskruvning i hålet en motsva- rande gängbildning la i käkbenet. Alternativt kan hålet vara f örgängat .

I figuren la visas i mycket kraftigt förstorat skick (för tydlighetens skull) ytkaraktären på en gänga 3a' . Med 4 och 5 representeras oxidskikt på ifrågavarande ytor 6, 7 på ifrågavarande gängdel 3a' . Gängan eller gängorna är 51A; 325 15 svarvade eller frästa och eventuellt polerade eller under- kastade annan. maskinteknisk bearbetning. Implantatet 3, 3a' förutsättes i föreliggande fall bestå av 'titan och nämnda skikt 4 och 5 utgöres av titanoxidskikt som åstad- kommes i enlighet med nedanstående. I figuren la visas ett första delomràde 8 på ytan 7. Ifrågavarande delområde kan innefatta porer med olika porstorlekar, pordjup, etc. i enlighet med ovanstående. I figuren la visas även en andra delförstoring av en del 9 av ytan 6. De olika delområdena 9a och 9b i delområdet 9 kan förses med olika porkarak- tärer.

I figuren lb anges med 10 en behållare för substans ll i enlighet med ovanstående. I behållaren är delar av ytan 6' och titanoxidskiktet 4' visade neddoppade i substansen ll.

I anslutning till neddoppningen i. substansen JJ. tränger substans in i det porösa skiktet 4' som därefter, då im- plantatet avlägsnas från behållaren, fungerar som depå eller lager för den sålunda inträngda substansen. Neddopp- nings- eller adsorptionstiden väljes i beroende av det porösa skiktets utformning. I en utföringsform skall skik- tet 4' vara neddoppat i substansen, t.ex. i 1 timme (se även nedanstående).

I figuren 2 visas olika styrda frisläppningsfunktioner med kurvor 12, 13 och 14. Kurvan 12 visar en första frisläpp- ningsfunktion under en aktuella tidsperiod som kan utgöras av eller väljas till 1-2 veckor. Andra förlopp på fri- släppningsfunktionen kan väljas, vilket visas medelst kur- vorna 13 och 14 där kurvan 13 är mer avtaganden än kurvan 12 och där kurvan 14 visar en initialt kraftig utlösnings- funktion som minskar förhållandevis snabbt. Valet av fri- släppningsfunktion eller kurvform kan väljas i beroende av erfarenheter för' bentillväxtprocessen. Den första kurvan visar en relativt långsamt avtagande utlösningsfunktion.

Figurerna 3 och 4 avser att Visa olika titanoxidskiktupp- byggnader 4" och 4"'. I uppbyggnaden 4" uppvisar ytan 514;325 ,;;_f;g3§ßfi¿É“ lb diffraktionstoppar härrörande frän kristallstrukturen för rutile och underliggande titan. Uppbyggnaden 4"' enligt figuren 4 visar diffraktionstoppar frán kristallstrukturen för en blandning av anatase, rutile samt underliggande titan. Oxidskikten enligt figuren 3 och 4 har nàgot olika relativa koncentrationer. Sàledes uppvisar oxidskiktets yta enligt figuren 3 en sammansättning av 2l,l% Ti, 55,6% och 20,6% C. Dessutom ingår mindre mängder S (0,8%), N (l,4%) och P (0,6%). Sammansättningen för oxidskiktet en- ligt figuren 4 är 21,3%, 56,0% respektive 20,5% (samt O,8%, 0,7% respektive O,6%). Antal porer i de visade oxid- skikten kan ligga i omradet 187,6 x 106. En total porvolym eller porositet kan väljas omkring 21,7 x 104 cma. Oxid- skikten kan indränkas i substans med indränkningstider om t.ex. upp till 48 timmar.

Figuren 5 avser att med 15 Visa i titanoxidskiktet enligt figuren, 3 pàförda pordiametrar. Sàledes framgår antalet porer med diametrar inom området 0,1-0,8 um.

Figurerna 6 och 7 visar olika utföringsformer pá porkarak- teristiker eller poruppbyggnader 16 och 17.

Titanoxidskikten enligt ovan àstadkommes företrädesvis med s.k. anodisk oxidation som är en elektrokemisk metod.

Principen och förfaringssättet för att åstadkomma ifråga- varande skikt beskrives i anslutning till figurerna 8 och 9. I figuren 8 är en behållare angiven med 18. En titan- anod är angiven med 19 och en porös nätkatod är visad med 20. En teflonisolering för titananoden är visad med 21 och anoderna sträcker sig' genom. ett teflonlock 22. Dessutom ingar en magnetomrörare 23. Anslutningarna för anoden och katoden är angivna med 19' respektive 20'. Implantatet eller de delar av implantatet som skall prepareras är företrädesvis mekaniskt bearbetade genom svarvning, fräs- ning, polering, etc. Implantatet eller ifrågavarande delar innefattar titanytor som skall behandlas i den elektroke- 514 323 I? miska processen. Implantatet eller ifrågavarande delar monteras på en hållare som nedsänkes i ett bad i behålla- ren bestàende av en elektrolyt 24. De delar av implantatet som ej skall behandlas maskeras med vätsketät skyddshätta eller alternativt med ett lämpligt lack som anbringas på ifrågavarande delar som ej ska behandlas. Implantatet eller' dess nämnda. delar' stål' genon1 hàllaren 5. elektrisk kontakt med anslutningen 19 ovanför elektrolytens yta. I elektrolyten fungerar nämnda katod 20 som motelektrod.

Denna motelektrod utgöres av lämpligt material, t.ex. Pt, guld eller grafit. Företrädesvis monteras motelektroden till hàllaren så att hela arrangemanget tillsammans fixe- ras i elektrolytbadet 24. Den anodiska oxidationen åstad- kommes genom att anbringa en elektrisk spänning mellan im- plantatet/implantatdelen/implantatdelarna och motelektro- den, varvid implantatet eller dess aktuella del eller delar tilldelas positiv potential. Implantatet, implan- tatsdelen/implantatsdelarna, motelektroden och elektroly- ten utgör en elektrokemisk cell där implantatet eller dess respektive del bildar anod. Den elektriska potential- skillnaden mellan implantat respektive implantatdel och motelektrod ger upphov till en ström av negativt (positiv) laddade elektrolytjoner till implantatet respektive im- plantatdelen (motelektroden). Om elektrolyten valts på ett lämpligt sätt resulterar' elektrodreaktionerna i. cellen i att oxidskikt bildas på implantatet respektive implantat- delens yta. Då elektrodreaktionerna även resulterar i gas- bildning bör elektrolyten omröras på lämpligt sätt vilket sker med nämnda magnetomrörare 23 som hindrar att gasbubb- lor kvarstår vid elektrodytorna.

Bildningen av titanoxidskiktet och dess slutliga egenska- per påverkas av ett flertal parametrar i processen, t.ex. elektrolytens sammansättning och temperatur, pàlagd spän- ning och ström, elektrodgeometri samt behandlingstid. I nedanstående beskrives närmare hur de önskade skikten tillverkas. Vidare ges exempel på hur processparametrarna 514.323 fö' påverkar olika egenskaper hos oxidskikten samt hur oxid- tjocklek och porositet kan varieras.

För att uppnå de önskade skiktegenskaperna utgår man t.ex. från nækaniskt bearbetad yta som kan vara svarvad eller polerad. Ytan rengöres pà lämpligt sätt, t.ex. genom ultraljudrengöring i organiska lösningsmedel för att avlägsna föroreningar från tidigare tillverkningssteg. Det rengjorda implantatet eller den rengjorda implantatsdelen fästes i nämnda behållare, vilken fästes tillsammans næd motelektroden på hàllaren. Arrangemanget kan därvid nedsänkas i elektrolyten. De två elektroderna kopplas därefter till en spänningskälla (ej visad) och en elektrisk spänning tillföres, varvid processen påbörjas.

Processen avslutas efter önskad tid genom att avbryta spänningstillförseln.

Den elektriska spänningen kan tillföras på olika sätt, jämför även figuren 10. Vid en galvanostatisk process hål- les strömmen konstant, varvid spänningen tillåts variera enligt motståndet i cellen, medan vid en potentiostatisk process istället spänningen hålles konstant och strömmen tillàtes variera. De önskvärda skikten bildas lämpligen genom att använda en kombination av galvanostatisk och potentiostatisk kontroll. I ett första skede används gal- vanostatisk kontroll, varvid spänningen tillåtes öka till ett förinställt värde. Då detta spänningsvärde är uppnått övergår processen till att bli potentiostatiskt kontrol- lerad. På grund av det bildade oxidskiktets resistans sjunker strömmen i detta läge.

Figuren 9 visar strömmens 25 och spänningens 26 utveckling i tiden. Det exakta utseendet på kurvorna är beroende på olika. processparametrar' och. återspeglar också. bildningen av oxidskiktet och dess egenskaper.

Upp till en viss spänning, vilken är beroende av elektro- lyt, fås relativt tunna (< 0,2 um) oxidskikt där oxidskikt- . Hr.

M tjockleken är ungefär linjärt beroende på den pålagda spänningen oberoende av behandlingstid efter det att maxi- mal spänning uppnåtts. Dessa skikt är huvudsakligen täta, och uppvisar endast undantagsvis en delvis öppen porosi- tet. För de flesta elektrolyter ligger den kritiska spän- ningen kring 100 volt.

För att uppnå de önskvärda porösa oxidskikten krävs betyd- ligt högre pålagda spänningar, typiskt 150-400 volt, bero- ende på elektrolyt. Vid dessa spänningar är Oxidtjockleken inte längre linjärt beroende på spänningen, utan i stället kan betydligt tjockare skikt framställas. För vissa elekt- rolyter är vid dessa spänningar Oxidtjockleken även bero- ende av behandlingstiden efter att maximal spänning upp- nåtts. Lämpliga elektrolyter för att uppnå porösa skikt med metoden är utspädda oorganiska syror (t.ex. svavel- syra, fosforsyra, kromsyra), och/eller utspädda organiska syror (t.ex. ättiksyra, citronsyra), eller blandningar därav.

Figurerna 6 och 7 visar exempel på porösa oxidskikt till- verkade enligt ovanstående metod, vid 200 volt i 0,35 molar svavelsyra, respektive vid 300 volt i 0,25 molar fosforsyra.

Implantatet som påverkats i svavelsyra uppvisar en yta med hög täthet av öppna porer. 20% av ytan utgörs av porer, med storlekar (diametrar) företrädesvis inom intervallet 0,1-0,5 um. Tfiockleken hos skiktet är 2 um. Implantatet som påverkats i fosforsyra har liknande täthet av porer.

Porstorleksfördelningen kan skilja sig avsevärt. Porstor- lekar kan väljas företrädesvis inom. intervallet 0,3-0,5 um, med ett ansenligt antal större porer (upp till 1,5 um) kan även finnas för ytan. Oxidtjockleken hos detta prov är 5 um. Ifrågavarande implantatyta kan alternativt eller kompletterande förbehandlas kemiskt med t.ex. väteflourid (HF). 514,. "S25 2<0 Tabellen enligt figuren 10 sammanfattar uppbyggnaden hos oxidskikt gjorda med olika processparametrar.

Uppfinningen är inte begränsad till den i ovanstående sà- som exempel visade utföringsformen utan kan underkastas modifikationer inom ramen för efterföljande patentkrav och uppfinningstanken.

Claims (28)

ß r 514: 325%; ll PATENTKRAV

1. Implantat innefattande eller bestående av titan och uppvisande en eller flera ytor applicerbara zí eller vid vävnads- och /eller bentillväxtområde(-n), varvid en eller flera av nämnda ytor är anordnade med, av ett porarrange- mang i ett förhållandevis. tjockt oxidlager på titanet, bildad depå för bentillväxt initierande eller stimulerande substans, k ä n n e t e c k n a t därav, att substansen under en tidsperiod är påverkad av eller arbetar med en eller flera frisläppningsfunktioner som till respektive omgivande 'vävnad eller* vävnads- och/eller' bentillväxtom- råde ger en företrädesvis väsentligen styrd substansavgiv- ning.

2. Implantat enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a t därav, att två eller flera frisläppningsarrangemang är åstadkomna medelst olika porarrangemang inom ett eller flera delområden av en eller flera av nämnda ytor.

3. Implantat enligt patentkravet 1 eller 2, k ä 11 n e- t e c k n a t därav, att porer med olika porkarakteristi- ker, t.ex. öppna respektive mer eller mindre slutna porer, pordjup, portäthet, porvolym, etc. är anordnade inom ett eller flera delområden.

4. Implantat enligt patentkravet 1, 2 eller 3, k ä n - n e t e c k n a t därav, att frisläppningsfunktionen (-erna) arbetar med kombinationer av större och mindre porer anordnade att. effektuera en eftersträvad frisläppningssekvens i tiden.

5. Implantat enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k- n a t därav, att större porer åstadkommer en snabbare fri- släppning och mindre och/eller djupa porer åstadkommer en fördröjd frisläppning. 5111- 323 V”. 'H _ nn. “' ” ' ' øbaU _

6. Implantat enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att olika delområden är anordnade med olika porkarakteristiker.

7. Implantat enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att oxidskiktets yta på titanet innefattar ca 20% titan, kol, och att skiktet i övrigt består av titandioxid. ca 55% syre och ca 20%

8. Implantat kännetecknatdärav, ytråhet av ca 1-5 pm eller lägre. av föregående att oxidskiktet har en enligt något patentkrav ,

9. Implantat kännetecknatdärav, föregående att oxidskiktet har en tjocklek inom intervallet om 1-20 pm, pm. enligt något av patentkrav, företrädesvis 2 - 20

10. Implantat k ä n n e t e c k n a t därav, att oxidskiktet är framträ- enligt något av föregående patentkrav dande poröst med pordiametrar inom intervallet 0,01-10 pm.

11. . i vävnad och/eller ben, Implantat för applicering i hål upptaget t.ex. käkben, därav, att det innefattar ett med hålupptagningen samverk- kännetecknat bart parti i titan, att titanpartiet' är utformat med en eller flera framträdande tjocka titanoxidsikt uppvisande ytor som i hålupptagningen är motställbara vävnaden och/ /eller benet, att respektive oxidsikt är anordnat med por- arrangemang som fungerar som depå för bentillväxt initie- rande och/eller stimulerande substans, t.ex. en substans tillhörande superfamilj en TGF-ß, och att vid med substans påfylld depå hålet en frisläppningsfunktion för substansen till benet träder i och implantatets position i funktion . 514- 32?3§°°§a'°§.:"aLÉff if' m_. a\\ :lg .ßc, (ß. ~

12. Implantat enligt patentkravet 11, k ä.r111 e t e <: k- 11 a t därav, att frisläppningsfunktionen är styrd, under vald tidsperiod.

13. Implantat enligt patentkravet 12, k ä n n e t e c k- n a t därav, att frisläppningsfunktionens styrning är effektuerad medelst val av porarrangemang och porkarakte- ristiker i eller på nämnda skikt.

14. Implantat enligt något av patentkraven 9-13, k ä n- n e t e c k n a t därav, att oxidskiktet är framträdande poröst.

15. Implantat enligt något av patentkraven 9-14, k ä rv n e t e c k n a t därav, att det är ett skruvimplantat som uppbär nämnda oxidskikt respektive ytor på sina eller sina gängor.

16. Förfarande för framställning av implantat enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att implantatet framställes, t.ex. medelst maskinbearbetning, med parti av titan som uppbär ytor vilka utsättes för anodisk oxidation i en utsträckning som ger ett framträ- dande poröst och förhållandevis tjockt oxidskikt på respektive berörda yta, att till nämnda porösa och tjocka skikt appliceras, t.ex. genom indränkning eller doppning, bentillväxt inítierande eller stimulerande substans, t.ex. en substans tillhörande superfamiljen TGF-B.

17. Förfarande enligt patentkravet 16, k ä n n e t e c k- n a t därav, att implantatet vid nämnda ytor uppbärande del/delar förses med en eller flera gängor.

18. Förfarande enligt patentkravet 16 eller 17, k ä n- n e t e c k n a t därav, att oxidskiktet doppas i behål- lare med substans. 51“4“*i323 XR . .,,, U

19. Användning av framträdande poröst och tjockt titan- oxidskikt som tillförts bentillväxt initierande och stimu- tillhörande superfamiljen TGF-ß, k ä n n e t e c k n a d därav, att det på hål i och/eller ben, företrädesvis käkben. lerande substans, t.ex. en substans användes implantat isättbart i vävnad

20. Användning enligt patentkravet 19, k ä n n e t e c k- n a d därav, att det användes på implantatet tillhörande gänga(-or), och/eller arean ovanför gängan(-orna).

21. Användning enligt patentkravet 19 eller 20, k ä n n e- t e c k n a d därav, att det användes vid hål med mjukt och/eller reducerat ben.

22. uppvisande en eller flera ytor applicerbara i eller vid Implantat. innefattande eller' bestående. av 'titan och vävnads- och/eller bentillväxtomräde(-n), varvid en eller flera av nämnda ytor är anordnade med, av ett porarrange- i ett förhållandevis tjockt oxidskikt på titanet, bildad depå för bentillväxt initierande eller stimulerande mang substans, t ex. en substans tillhörande superfamiljen TGF- ß, k ä n n e t e c k n a t därav, att oxidskiktet uppvisar en tjocklek inom intervallet 1-20 pm, t.ex. 2-20 pm.

23. n a t därav, att oxidskiktet uppvisar en ytràhet inom ett Implantat enligt patentkravet 22, k ä r111 e t e c: k- intervall 0,4-5 pm.

24. t e c k n a t därav, att oxidskiktet är höggradigt poröst Implantat enligt patentkravet 22 eller 23, k ä n n e~ med ett antal av 1x107-1x10m porer/cm?

25. Implantat enligt patentkravet 22, 23 eller 24, k ä n - n e t e c k n a t därav, att respektive yta uppvisar huvudsakligen porer med diameterstorlekar inom intervallet 0,1-10 pm, och/eller* att 'total porvolym ligger inom. ett område av 5x10¿ och 10¿ cmï _ ¿-. a H (_ 3- » \. c , " ^ . Al l' ( (1 FC! í K ,. 0 . f w

26. Förfarande för att på implantat som innefattar eller består av titan åstadkomma medelst anodisk oxidation för- hållandevis tjocka oxidskikt på en eller flera titanytor som är' avsedda att: motställas eller anordnas invid ett eller flera vävnads- och/eller bentillväxtomrâden, varvid åtminstone del eller delar som 'uppbär nämnda. yta eller ytor prepareras och nedsänkes i elektrolyt och implantatet bringas i kontakt med elektrisk energikälla ovanför elek- trolytens yta och oxidationsförloppet etableras genom an- slutning till energikällan av även en i elektrolyten an- ordnad motelektrod, k ä n n e t e c k n a t därav, att den elektrolytiska samansättningen tillföres utspädda oorga- niska syror, utspädda organiska syror och/eller mindre mängder flourvätessyra eller vätesperoxid och att energi- källan väljes att arbeta med spänningsvärde(-n) inom intervallet 150-400 volt.

27. Förfarande enligt patentkravet 26, k ä n n e t e c k- n a t därav, att spänningen varieras för samma implantat tidsátskilt för' att skapa olika. porstorlekar inom samma ytområden.

28. Förfarande enligt patentkravet 26 eller 27, k ä n n e- t e c k n a t därav, att implantatets läge i elektrolyten ändras tillsammans med elektrolytens sammansättning och/eller spänningen för att skapa olika oxidtjocklekar och/eller områden med olika porositeter eller porkarakte- ristiker.