WO2006089920A2 - Biodegradable osteosynthesis system for use in the entire locomotor system and corresponding production method - Google Patents

Biodegradable osteosynthesis system for use in the entire locomotor system and corresponding production method Download PDF

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WO2006089920A2
WO2006089920A2 PCT/EP2006/060197 EP2006060197W WO2006089920A2 WO 2006089920 A2 WO2006089920 A2 WO 2006089920A2 EP 2006060197 W EP2006060197 W EP 2006060197W WO 2006089920 A2 WO2006089920 A2 WO 2006089920A2
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biodegradable
matrix
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osteosynthesis system
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Gabriel Caduff
Andreas Rothenbuehler
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Gabriel Caduff
Andreas Rothenbuehler
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    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L31/00Materials for other surgical articles, e.g. stents, stent-grafts, shunts, surgical drapes, guide wires, materials for adhesion prevention, occluding devices, surgical gloves, tissue fixation devices
    • A61L31/12Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
    • A61L31/125Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix
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    • A61L2430/00Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Definitions

  • Biodegradable osteosynthesis system for use in the entire musculoskeletal system and manufacturing process
  • the Binding refers to a biodegradables
  • Biodegradable implants in the non-structural skeletal or dental field have long been known and used.
  • the materials used are very well researched and documented in their bi o mechanical and biochemical properties.
  • the metallic implants commonly used in the supporting skeleton are metal loosening, fractures,
  • CA-A2-2,205,231 at the same time discloses a dispersion- and particle-reinforced composite having material properties which do not reach the required strengths for skeletal osteosynthesis systems.
  • biodegradable osteosynthesis system which would meet the stability requirements to be used in the entire musculoskeletal system.
  • prior art does not provide systems consisting of a biodegradable implant and associated fasteners such as screws, nails, wires, etc., all of the elements involved being made of a biodegradable material.
  • Conventional biodegradable, non-fiber reinforced fasteners of sufficient strength must be made in the manufacturing process with such high pressure that the degradation time is massively increased and the benefits of degradability can not be exploited.
  • the invention seeks to avoid the disadvantages of the implants known from the prior art and has for its object to provide a biodegradable osteosynthesis system, which is suitable for use in the entire musculoskeletal system, and with which at the same time Hospitalization times, rehabilitation and lost time after surgery are shortened.
  • a biodegradable osteosynthesis system for use in the entire musculoskeletal system, comprising at least one implant that is resistant to movement and / or stress and consists of a biodegradable composite material with a matrix and fibers integrated into the matrix Structure of the integrated into the matrix fibers can distinguish from the matrix, with a strength of the composite of at least 300 N / mm 2 .
  • Bn load-stable osteosynthesis implant must be in the bearing
  • Skeleton area can take at least one force (F 1 ), which corresponds to the load that must take the intact bone under load (F K ), and have a stiffness that corresponds substantially to the rigidity of the intact bone.
  • the objects according to the invention are also achieved by a production method of a biodegradable osteosynthesis system for use in the entire musculoskeletal system with the features of the independent method claim.
  • a cost and risk reduction can be achieved, since a further Engriff for removal, as in metallic implants, is no longer necessary.
  • the osteosynthesis system according to the invention can be processed with the same well-known apparatus and tools known from metallic implants. Since the postoperative rehabilitation time is shortened by the load-stable implants, a cost reduction can be additionally achieved by the invention.
  • the inventive system with the features described above can also consist only of individual elements, such as screws or other connecting means with the inventive features that connect parts of the musculoskeletal system together.
  • the screws used should advantageously have a load of 3000 N and a
  • Tangential force of 3700 N can take up in order to be used on supporting parts of the skeleton can (M üller, M. E et al: manual of osteosynthesis, 3rd edition, Springer-Verlag 1992).
  • the system should be designed so that all elements have substantially similar degradation time.
  • the stability of implants for use in the entire musculoskeletal system can be achieved by a matrix material with embedded fiber material, wherein the chemical composition and structure of the fibers integrated into the matrix can differ from the matrix.
  • a matrix material with embedded fiber material wherein the chemical composition and structure of the fibers integrated into the matrix can differ from the matrix.
  • undirected short fibers or oriented long fibers for example of carbon or polyglycolide PGA, are suitable as the fiber material.
  • the typical fiber length of long fibers is in the cm range and corresponds to the length used, for example, in pressing.
  • the typical fiber length of short fibers corresponds fiber-reinforced injection molding compounds and is in the mm range. With reinforcement by fibers, the composite gains strength and rigidity.
  • short fiber reinforced implants can be produced in a very simple and cost-effective manner by injection molding. There is a sufficient number of combinations of matrix and fiber material with a sufficiently large difference between the melting temperatures, so that a simultaneous processing of fiber and matrix in the injection molding process is advantageously possible.
  • textile surface structures such as nonwovens, woven fabrics, scrims, braids, knitted fabrics, knitted fabrics.
  • Suitable matrix materials according to the invention are known lactide / glycolide, copolymers, polylactides, etc., which have the appropriate degradation rates and thermal stabilities.
  • the molecular weight of the polymer should, in order to positively influence the degradation time, be between 10'0OO and 10 million u and preferably between 150'000 and 600'000 u.
  • the matrix material can be supplemented by additives or coatings, such as X-ray contrast agents, antibiotics, as well as bioceramic particles (bioglass) for increasing the strength or hydroxyapatite for improving bone healing. However, this is not necessary to achieve the required strength.
  • the implant and / or the connecting means can be produced in addition to the mentioned injection molding process in the fiber spraying, spin coating, pultrusion, injection winding or legal process or in a combination thereof.
  • the generally low melting temperatures of the matrix materials also allow plastic shape changes to be made under the action of temperature during surgery to conform the implant to the shape of the bone.
  • the inventive osteosynthesis system advantageously replaces conventional metallic osteosynthesis implants.
  • FIGURE shows an example of an inventive osteosynthesis system consisting of a plate and two screws. Only the elements important to the understanding of the invention are shown.
  • the invention relates to an implantable, biodegradable osteosynthesis system for operative attachments in the musculoskeletal system.
  • the 9ystem is capable of accepting larger forces and can thus be used in the entire musculoskeletal system, especially in the area of bumpy skeletons. Surgery to remove the implants is usually not needed.
  • the system is particularly suitable for use in the skeleton of the human body, but it can also be used in the animal body.
  • the biodegradable thermoplastic material According to the invention, the biodegradable thermoplastic material
  • An osteosynthesis system consisting of a movement- or load-stable implant made from a bio-atoxically degradable composite material with a matrix and fibers integrated into the matrix, whereby the chemical composition and structure of the fibers integrated into the matrix may differ from the matrix.
  • Both the strength ⁇ and the elastic modulus E of implants can be adapted by selecting suitable matrix materials and varying the proportion of fibers in the matrix material.
  • the fiber size and the ratio are also between fiber length and fiber diameter as well as the fiber orientation for the material parameters are decisive.
  • the required strength can be described by the forces and forces acting on the bone.
  • the force acting on a material causes a state of tension and deformation. If the applied force exceeds the fracture limit or the deformation exceeds the elongation at break, the failure of the system occurs.
  • the fracture strain of the cancellous bone and cortical bone is about 2% each.
  • the tensile strength of the human cortical bone is about 100 N / mm 2 , the shear strength 80 N / mm and the modulus of elasticity reaches values up to 20O00 N / mm 2 .
  • the movement-stable implant must have all forces (F 1 ) and moments
  • Ost eosynthesesystems E 1 in the area of the connection between bone and implant must correspond approximately to the stiffness of the bone E ⁇ .
  • the osteo ⁇ ynthesis system should have an interfemetary compression of F ⁇ ⁇ 600 N for the attachment in the supporting skeletal region
  • Halpin-Tsai The Halpin-Tsai equations: A review. Polym. Closely. 16 (1976) 344-352).
  • the general calculation procedure for fiber composites is based on a micro- and macro-mechanical analysis and finally on a failure analysis.
  • the equation of Halpin-Tsai can be used, which in the general form reads as follows:
  • equations (2) and (3) can be determined to be about 200 N / mm 2 , which already exceeds previous approaches cited in the "state of the art.”
  • E moduli from equations (1), (2), and (3) can be between 10 and 20 kN / mm 2 and strengths ⁇ above 25'00 O N / mm 2.
  • the typical fiber length of short fibers corresponds to fiber-reinforced injection molding compounds and is in the mm range.
  • the system according to the invention consists of one or more implants which are either stable in movement and / or load-stable and have a strength ⁇ of the composite material of at least 300 N / mm 2 .
  • advantageous embodiments of the invention are implants having a strength of at least 400 to 500 N / mm 2 , of at least 750 N / mm 2 or of more than 1000 N / mm 2 .
  • the movement-stable implant of the osteosynthesis system can absorb the forces and moments resulting from the bending weight of the operated part of the body.
  • the load- stable implant of the osteosynthesis system can have at least forces F, b ⁇ and moments M
  • the stiffness of the load-stable osteosynthesis system 5 in the area between the musculoskeletal system and the implant corresponds approximately to the rigidity of the intact musculoskeletal system E "and will thus be approximately between 10 and 20 kN / mm 2 .
  • the basticity moduli of human bone are known to those skilled in the art and have been determined in several experimental studies.
  • Osteosynthesis systems are created biodegradable implants, which can also be used on supporting parts of the skeleton.
  • Conventional biodegradable implants do not have sufficient strength for use in the area of bumpy skeletons.
  • Metallic implants in the region of the supporting skeleton are stable to movement, ie the body parts to be fixed are in the fixed position during their healing, but can only be moved with the brow weight of the operated body part, without additional burden. Higher loads, such as those caused by walking, are not possible until the bone is largely cured.
  • Osteosynthetic Implants Different stiffness between bone and implant leads under load to various strains and thus loosening or fatigue fractures of the implant.
  • Implants which, in addition to the stability of movement, also have load-stable properties, allow the patient to mobilize the patient quickly and thus shorten the rehabilitation time due to the isoelasticity between the implant and the affected parts of the musculoskeletal system.
  • FIGURE shows a possible form of such inventive biodegradable east heosynthesesystems, which consists for example of a Ostheosyntheseplatte and two screws shown.
  • inventive biodegradable east heosynthesesystems which consists for example of a Ostheosyntheseplatte and two screws shown.
  • materials for implants and connectors need not be the same for all elements of the eosynthesis system.
  • the involved elements of the system according to the invention advantageously have substantially the same rate of degradation. Various factors influence this rate of degradation:
  • the molecular mass of the polymer should be between 10'0OO and 10 million u and is preferably between 150'000 - 600'00O u.
  • the fiber content is for reinforcement only and has no significant influence on the rate of degradation. The rate of degradation is determined almost exclusively by the matrix material.
  • the chemical structure of the matrix material is essentially decisive for the degradation time.
  • the degradation rates are known.
  • Suitable matrix materials according to the invention are known lactide / glycolide, copolymers, polylactides, etc., which are suitable
  • the pore size is definable by the manufacturing process and the additives.
  • sodium chloride can be used as a possible additive sodium chloride.
  • additives can be added to the matrix and influence the rate of degradation as appropriate. As can be seen from many patents, these processes are well known.
  • the fiber composite implant may be characterized by anisotropic and / or within the implant different material properties. Due to different material properties within the implant this can be adapted to different requirements, such as a higher stiffness in the fracture zone or to the maintenance of isoelasticity over wide areas of the bone.
  • the matrix material can also be supplemented with additives or coatings such as X-ray contrast agents, antibiotics, bioceramic particles (bioglass) or hydroxyapatite to improve bone healing or to increase the strength. However, this is not necessary to reach the required strength.
  • the generally low melting temperatures of the matrix materials also make it possible to perform plastic shape changes of the implants before or during the operation under the influence of temperature.
  • the novel fiber composite implants according to the invention can be produced inexpensively.
  • the invention is associated with a cost and risk reduction, since further interventions to remove the implants are no longer necessary.
  • the technical and surgical standards achieved so far, as well as the processing techniques that have been achieved with metallic implants remain advantageously preserved. Due to suitable biomechanical properties, a very early load carrying skeletons is possible after surgery. Hospitalization times, rehabilitation and lost time can be shortened. Since the postoperative rehabilitation time is shortened by the load-stable implants, a cost reduction can additionally be achieved by the invention. Thus, it has been possible by the inventive osteosynthesis system conventional metallic implants largely replaced.

Abstract

The invention relates to an implantable, biodegradable osteosynthesis system for operational connections on the level of the locomotor system. Said system is capable of absorbing major forces and can therefore be used in the entire locomotor system, in particular in the load-bearing skeleton. The inventive system comprises at least one motion-stable or load-stable element which has a strength that is equal to or greater than 300 N/mm2 and which is produced from a biodegradable composite material with a matrix and fibers integrated into the matrix. The chemical composition and structure of the fibers integrated into the matrix differs from those of the matrix. As a result of the suitable biomechanical properties, the locomotor system is able to bear weight already at an early stage after surgery. The times for hospitalisation, rehabilitation and absences from work can be substantially reduced. The osteosynthesis system makes it possible to largely replace traditional metal implants. A method for producing the inventive biodegradable osteosynthesis system is also disclosed.

Description

Biodegradables Osteosynthesesystem zum Bnsatz im gesamten Bewegungsapparat sowie Herstellungsverfahren Biodegradable osteosynthesis system for use in the entire musculoskeletal system and manufacturing process
Technisches GebietTechnical area
Die Bfindung bezieht sich auf ein biodegradablesThe Binding refers to a biodegradables
Osteosynthesesystem zum Bnsatz im gesamten Bewegungsapparat und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben gemässden unabhängigen Ansprüchen.An osteosynthesis system for use throughout the musculoskeletal system and a method of making the same according to the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
Biodegradable Implantate im Bereich des nicht tragenden Skelettsoder der Zahnmedizin sind seit längerem bekannt und in Anwendung. Die dabei verwendeten Materialien sind in ihren bi o mechanischen und biochemischen Bgenschaften sehr gut erforscht und dokumentiert.Biodegradable implants in the non-structural skeletal or dental field have long been known and used. The materials used are very well researched and documented in their bi o mechanical and biochemical properties.
Bei den im tragenden Skelett bisher üblicherweise benutzten metallischen Implantaten sind Metalllockerungen, Brüche,The metallic implants commonly used in the supporting skeleton are metal loosening, fractures,
Unverträglichkeiten etc. möglich. Nachteilig ist, dassdiese Implantate zwar bewegungs-, aber zu einem frühen Zeitpunkt nicht belastungsstabil sind. Zudem werden sie, vor allen im tragenden Skelettbereich, häufig wieder entfernt und erfordern deshalb weitere operative Bngriffe. Die fehlende Belastungsstabilität macht längere Entlastungsphasen notwendig, weshalb mit bisherigem Osteosynthesematerialien keine wesentliche Verkürzung der Rehabilitationszeit erreicht werden konnte.Incompatibilities etc. possible. The disadvantage is that these implants, although motion, but are not stable in load at an early stage. In addition, they are often removed, especially in the supporting skeletal area, and therefore require further surgical intervention. The lack of load stability makes longer periods of relief necessary, which is why with previous osteosynthetic materials no significant reduction of the rehabilitation time could be achieved.
Die bisherigen Anwendungen biodegradabler und faserverstärkter Kunststoffe alsOsteosynthesematerial lassen sich entsprechend CA-A1 -2,205,231 wie folgt charakterisierenPrevious applications of biodegradable and fiber reinforced plastics as the osteosynthesis material can be characterized as follows, according to CA-A1-2,205,231
i) dispersionsverstärkte Verbünde ii) partikelverstärkte Verbünde iii) faserverstärkte Verbündei) dispersion-reinforced composites ii) particle-reinforced composites iii) fiber-reinforced composites
CA-A2-2,205,231 offenbart gleichzeitig einen dispersions- und partikelverstärkten Verbund mit Materialeigenschaften, welche die erforderlichen Festigkeiten f ür Osteosynthesesysteme destragenden Skeletts nicht erreichen.CA-A2-2,205,231 at the same time discloses a dispersion- and particle-reinforced composite having material properties which do not reach the required strengths for skeletal osteosynthesis systems.
Andere Systeme, die biodegradable Materialien einsetzen, verwenden bereits faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Diese weisen jedoch ebenfalls ungenügende Festigkeiten auf . Bn Beispiel f ür einen solchen faserverstärkten Verbundwerkstoff mit einer polymeren M atrix mit ungenügenden M aterialeigenschaften ist aus EP-A2-0 146 398 bekannt. Auch andere Ansätze für Laminate von Osteosyntheseplatten mit gerichteten Fasern (CA-A1 -2,301 ,900), gerichteten Kurzfasern (US-B1 - 6,51 1 ,51 1 ) oder mit Kombinationen davon (CA-A1 -2,301 ,900) können die gestellten Anforderungen ebenfalls nicht erf üllen.Other systems that use biodegradable materials already use fiber-reinforced composites. However, these also have insufficient strength. An example of such a fiber reinforced composite having a polymer matrix with insufficient material properties is known from EP-A2-0,146,398. Also, other approaches to laminates of osteosynthesis plates with directional fibers (CA-A1 -2,301, 900), directed short fibers (US-B1 - 6,511 1, 51 1) or combinations thereof (CA-A1 -2,301, 900), the also do not meet the requirements.
Bisher ist es nicht gelungen, ein biodegradables Osteosynthesesystem zu entwickeln, welches den Stabilitätsanforderungen genügen würde, um im gesamten Bewegungsapparat eingesetzt zu werden. Zudem fehlen im Stand der Technik Systeme, die aus einem biologisch abbaubaren Implantat und dazugehörigen Verbindungsmitteln, wie Schrauben, Nägel, Drähte usw., bestehen, wobei alle beteiligten Elemente aus einem biologisch abbaubaren Werkstoff hergestellt sind. Herkömmliche biodegradable, nicht faserverstärkte Verbindungsmittel von genügender Festigkeit müssen im Herstellprozess mit derart hohem Druck gefertigt werden, dassdie Degradationszeit massiv erhöht wird und die Vorteile der Abbaubarkeit nicht genutzt werden können.So far, it has not been possible to develop a biodegradable osteosynthesis system, which would meet the stability requirements to be used in the entire musculoskeletal system. In addition, the prior art does not provide systems consisting of a biodegradable implant and associated fasteners such as screws, nails, wires, etc., all of the elements involved being made of a biodegradable material. Conventional biodegradable, non-fiber reinforced fasteners of sufficient strength must be made in the manufacturing process with such high pressure that the degradation time is massively increased and the benefits of degradability can not be exploited.
Darstellung der Erf indungPresentation of the invention
Die Erfindung möchte die Nachteile der ausdem Stand der Technik bekannten Implantate vermeiden und hat zur Aufgabe ein biodegradables Osteosynthesesystem zu schaffen, welches zum Einsatz im gesamten Bewegungsapparat geeignet ist, und mit welchem gleichzeitig Hospitalisationszeiten, Rehabilitationen und Arbeitsausfälle nach einer Operation verkürzt werden.The invention seeks to avoid the disadvantages of the implants known from the prior art and has for its object to provide a biodegradable osteosynthesis system, which is suitable for use in the entire musculoskeletal system, and with which at the same time Hospitalization times, rehabilitation and lost time after surgery are shortened.
EΞs ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein biodegradables Osteosynthesesystem zu schaffen, in dem nicht nur das Implantat an sich die Festigkeitsanforderungen erfüllt, sondern auch die benötigten Verbindungselemente, wobei diese ebenfalls aus einem biologisch abbaubaren, faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt werden sollen, so dass ähnliche Eigenschaften der beteiligten Teile erreicht werden.It is a further object of the invention to provide a biodegradable osteosynthesis system in which not only the implant itself meets the strength requirements, but also the required fasteners, which are also made of a biodegradable, fiber-reinforced composite material, so that similar properties of involved parts can be achieved.
Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein biodegradables Osteosynthesesystem aus einem faserverstärkten Verbund zu schaffen, welchesdurch Auswahl der verwendeten Fasern, der Matrixmaterialien und der Faserorientierung für die oben genannten, erfind u ngsgemässen Aufgaben besonders geeignet ist.It is a further object of the present invention to provide a biodegradable osteosynthesis system of a fiber-reinforced composite, which is particularly suitable for the abovementioned, inventive tasks by selection of the fibers used, the matrix materials and the fiber orientation.
Die erfindu ngsgemässen Aufgaben werden durch ein biodegradables Osteosynthesesystem zum Einsatz im gesamten Bewegungsapparat gelöst, bestehend aus mindestens einem bewegungs- und/oder belastungsstabilen Implantat aus einem biologisch abbaubaren Verbundwerkstoff mit einer M atrix und in die M atrix integrierten Fasern, wobei sich die chemische Zusammensetzung und Struktur der in die Matrix integrierten Fasern von der Matrix unterscheiden können, mit einer Festigkeit des Verbundwerkstoffsvon mindestens300 N/mm2. Bn belastungsstabiles Osteosyntheseimplantat muss im tragendenThe objects according to the invention are achieved by a biodegradable osteosynthesis system for use in the entire musculoskeletal system, comprising at least one implant that is resistant to movement and / or stress and consists of a biodegradable composite material with a matrix and fibers integrated into the matrix Structure of the integrated into the matrix fibers can distinguish from the matrix, with a strength of the composite of at least 300 N / mm 2 . Bn load-stable osteosynthesis implant must be in the bearing
Skelettbereich mindestens eine Kraft (F1) auf nehmen können, die der Belastung entspricht, die der intakte Knochen unter Belastung (FK) auf nehmen muss, und eine Steifigkeit aufweisen, die im Wesentlichen der Steifigkeit des intakten Knochens entspricht.Skeleton area can take at least one force (F 1 ), which corresponds to the load that must take the intact bone under load (F K ), and have a stiffness that corresponds substantially to the rigidity of the intact bone.
Die erfindu ngsgemässen Aufgaben werden auch durch ein Herstellungsverfahren eines biodegradablen Osteosynthesesystems zum Einsatz im gesamten Bewegungsapparat mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst. Durch die vorliegende Erfindung kann eine Kosten- und Risikoreduktion erreicht werden, da ein weiterer Engriff zur Entfernung, wie bei metallischen Implantaten, nicht mehr notwendig ist. Die bisher erreichten technischen und chirurgischen Standards, die mit metallischen Implantaten erreicht wurden, bleiben jedoch gleichzeitig vorteilhaft erhalten. Das erfindungsgemässe Osteosynthesesystem kann mit denselben, von den metallischen Implantaten bekannten, bestens eingeführten Apparaten und Werkzeugen verarbeitet werden. Da die postoperative Rehabilitationszeit durch die belastungsstabilen Implantate verkürzt wird, kann durch die Erfindung zusätzlich eine Kosten reduktion erreicht werden.The objects according to the invention are also achieved by a production method of a biodegradable osteosynthesis system for use in the entire musculoskeletal system with the features of the independent method claim. By the present invention, a cost and risk reduction can be achieved, since a further Engriff for removal, as in metallic implants, is no longer necessary. The achieved so far technical and surgical standards, which were achieved with metallic implants, but at the same time advantageously preserved. The osteosynthesis system according to the invention can be processed with the same well-known apparatus and tools known from metallic implants. Since the postoperative rehabilitation time is shortened by the load-stable implants, a cost reduction can be additionally achieved by the invention.
En besonderer Vorteil ergibt sich, wenn das System aus bewegungs- und/oder belastungsstabilen Eementen, wie Ratten, Schrauben, Drähten, Nägeln, Marknägeln usw. zusammengefügt wird, und alle Elemente aus biologisch abbaubaren Werkstoffen hergestellt sind. Das erfindungsgemässe System mit den oben beschriebenen Merkmalen kann aber auch nur aus einzelnen Elementen, wie Schrauben oder anderen Verbindungsmitteln mit den erfindungsgemässen Merkmalen bestehen, die Teile des Bewegungsapparates miteinander verbinden. Die eingesetzten Schrauben sollten vorteilhaft eine Belastung von 3000 N und eineA particular advantage arises when the system of motion and / or load-stable Eementen, such as rats, screws, wires, nails, intramedullary nails, etc., is assembled, and all elements are made of biodegradable materials. The inventive system with the features described above can also consist only of individual elements, such as screws or other connecting means with the inventive features that connect parts of the musculoskeletal system together. The screws used should advantageously have a load of 3000 N and a
Tangentialkraft von 3700 N auf nehmen können, um auch an tragenden Stellen des Skeletts eingesetzt werden zu können (M üller, M . E et al : Manual der Osteosynthese, 3. Auf lage, Springer-Verlag 1992). Das System sollte so ausgelegt werden, dass alle Elemente im Wesentlichen eine ähnliche Abbaudauer aufweisen.Tangential force of 3700 N can take up in order to be used on supporting parts of the skeleton can (M üller, M. E et al: manual of osteosynthesis, 3rd edition, Springer-Verlag 1992). The system should be designed so that all elements have substantially similar degradation time.
Die Stabilität von Implantaten f ür den Ensatz im gesamten Bewegungsapparat kann durch einen Matrixwerkstoff mit eingebettetem Fasermaterial erreicht werden, wobei sich die chemische Zusammensetzung und Struktur der in die M atrix integrierten Fasern von der Matrix unterscheiden können. Als Faserwerkstoff eignen sich beispielsweise ungerichtete Kurzfasern oder gerichtete Langfasern, beispielsweise aus Karbon oder Polyglycolide PGA. Die typische Faserlänge von Langfasern liegt im cm-Bereich und entspricht der Länge, die beispielsweise beim Pressen verwendet wird. Die typische Faserlänge von Kurzfasern entspricht faserverstärkten Spritzgussformmassen und liegt im mm-Bereich. Mit der Verstärkung durch Fasern gewinnt der Verbundwerkstoff an Festigkeit und Steifigkeit. Gegenüber den bereits bekannten biodegradablen Ost eosyntheseim plantaten können kurzfaserverstärkte Implantate auf einfachste und kostengünstige Art und Weise durch Spritzgiessen hergestellt werden. Es besteht eine ausreichende Anzahl von Kombinationen von Matrix- und Fasermaterial mit genügend grosser Differenz zwischen den Schmelztemperaturen, so dass eine gleichzeitige Verarbeitung von Faser und Matrix im Spritzgussverfahren vorteilhaft möglich ist. Neben Kurz- oder Langfasern können erfindungsgemässaber auch textile Rächengebilde verwendet werden, wie Vliese, Gewebe, Gelege, Geflechte, Gewirke, Gestricke.The stability of implants for use in the entire musculoskeletal system can be achieved by a matrix material with embedded fiber material, wherein the chemical composition and structure of the fibers integrated into the matrix can differ from the matrix. For example, undirected short fibers or oriented long fibers, for example of carbon or polyglycolide PGA, are suitable as the fiber material. The typical fiber length of long fibers is in the cm range and corresponds to the length used, for example, in pressing. The typical fiber length of short fibers corresponds fiber-reinforced injection molding compounds and is in the mm range. With reinforcement by fibers, the composite gains strength and rigidity. Compared to the already known biodegradable Ost eosyntheseim plants short fiber reinforced implants can be produced in a very simple and cost-effective manner by injection molding. There is a sufficient number of combinations of matrix and fiber material with a sufficiently large difference between the melting temperatures, so that a simultaneous processing of fiber and matrix in the injection molding process is advantageously possible. In addition to short or long fibers, according to the invention, it is also possible to use textile surface structures, such as nonwovens, woven fabrics, scrims, braids, knitted fabrics, knitted fabrics.
Als Matrixwerkstoff kommen erfindungsgemäss bekannte Lactid/Glycolid, Copolymere, Pölylactide, etc. in Frage, die die geeigneten Degradationsgeschwindigkeiten und Thermostabilitäten aufweisen. Die Molekülmasse des Polymerssollte sich, um die Abbaudauer positiv zu beeinf lussen, zwischen 10'0OO und 10 Mio. u bewegen und liegt vorzugsweise zwischen 150'000 - 600'0OO u.Suitable matrix materials according to the invention are known lactide / glycolide, copolymers, polylactides, etc., which have the appropriate degradation rates and thermal stabilities. The molecular weight of the polymer should, in order to positively influence the degradation time, be between 10'0OO and 10 million u and preferably between 150'000 and 600'000 u.
Das Matrixmaterial kann durch Additive oder Beschichtungen, wie Röntgenkontrastmittel, Antibiotika, sowie biokeramische Partikel (Bioglas) zur Steigerung der Festigkeit oder Hydroxyapatit zur Verbesserung der Knochenheilung ergänzt werden. Zum Erreichen der geforderten Festigkeiten ist dies allerdings nicht notwendig.The matrix material can be supplemented by additives or coatings, such as X-ray contrast agents, antibiotics, as well as bioceramic particles (bioglass) for increasing the strength or hydroxyapatite for improving bone healing. However, this is not necessary to achieve the required strength.
Das Implantat und/oder die Verbindungsmittel sind neben dem genannten Spritzgussverfahren auch im Faserspritz-, Schleuder-, Pultrusions-, Injektions- Wickel- oder Rechtverfahren oder in einer Kombination davon herstellbar.The implant and / or the connecting means can be produced in addition to the mentioned injection molding process in the fiber spraying, spin coating, pultrusion, injection winding or legal process or in a combination thereof.
Die allgemein niedrigen Schmelztemperaturen der Matrixwerkstoffe ermöglichen esausserdem während der Operation plastische Formänderungen unter Temperatureinwirkung vorzunehmen, um das Implantat an die Gestalt des Knochens anzupassen. Mit dem erfindungsgemässen Osteosyntheseεystem werden vorteilhaft herkömmliche metallische Osteosyntheseimplantate ersetzt.The generally low melting temperatures of the matrix materials also allow plastic shape changes to be made under the action of temperature during surgery to conform the implant to the shape of the bone. The inventive osteosynthesis system advantageously replaces conventional metallic osteosynthesis implants.
Kurze Beschreibung der FigurBrief description of the figure
Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur näher erläutert, die ein Beispiel eines erfindungsgemässen Osteosynthesesystems, bestehend aus einer Platte und zwei Schrauben, zeigt. EΞswerden nur die für das Verständnis der Erfindung wichtigen Elemente dargestellt.The invention will be explained in more detail with reference to the single FIGURE, which shows an example of an inventive osteosynthesis system consisting of a plate and two screws. Only the elements important to the understanding of the invention are shown.
Wege zur Ausf ührung der Erf indungWays of carrying out the invention
Die Erfindung bezieht sich auf ein implantierbares, biodegradables Osteosynthesesystem für operative Befestigungen im Bereich des Bewegungsapparates. Das 9ystem ist zur Auf nahme grosserer Kräfte fähig und kann damit im gesamten Bewegungsapparat, insbesondere auch im Bereich destragenden Skeletts, eingesetzt werden. Operationen zur Entfernung der Implantate werden üblicherweise nicht benötigt. Das System ist insbesondere geeignet zum Einsatz im Skelett des menschlichen Körpers, es kann aber auch im tierischen Körper eingesetzt werden.The invention relates to an implantable, biodegradable osteosynthesis system for operative attachments in the musculoskeletal system. The 9ystem is capable of accepting larger forces and can thus be used in the entire musculoskeletal system, especially in the area of bumpy skeletons. Surgery to remove the implants is usually not needed. The system is particularly suitable for use in the skeleton of the human body, but it can also be used in the animal body.
Erfindungsgemäss besteht das biodegradableAccording to the invention, the biodegradable
Osteosynthesesystem aus einem bewegungs- oder belastungsstabilen Implantat aus einem biologisch atoxisch abbaubaren Verbundwerkstoff mit einer M atrix und in die Matrix integrierten Fasern, wobei sich die chemische Zusammensetzung und Struktur der in die M atrix integrierte Fasern von der M atrix unterscheiden können.An osteosynthesis system consisting of a movement- or load-stable implant made from a bio-atoxically degradable composite material with a matrix and fibers integrated into the matrix, whereby the chemical composition and structure of the fibers integrated into the matrix may differ from the matrix.
Sowohl die Festigkeit σ als auch das Elastizitätsmodul E von Implantaten lassen sich anpassen, indem geeignete Matrixwerkstoffe ausgesucht werden und der Anteil der Fasern in dem Matrixwerkstoff variiert wird. Zusätzlich sind auch die Fasergrösse und das Verhältnis zwischen Faserlänge und Faserdurchmesser sowie die Faserorientierung f ür die Material kenn werte entscheidend.Both the strength σ and the elastic modulus E of implants can be adapted by selecting suitable matrix materials and varying the proportion of fibers in the matrix material. In addition, the fiber size and the ratio are also between fiber length and fiber diameter as well as the fiber orientation for the material parameters are decisive.
Für ein Osteosyntheseimplantat im tragenden Skelettbereich kann die erforderliche Festigkeit durch die am Knochen wirkenden Kräfte und M omente beschrieben werden. FJne Kraft, die auf ein Material wirkt, verursacht einen Spannungszustand und eine Verformung. Übersteigt die einwirkende Kraft die Bruchgrenze bzw. die Deformation die Bruchdehnung kommt eszum Versagen des Systems Die Bruchdehnung der Spongiosa und Kortikalis beträgt jeweils rund 2%. Die Zugfestigkeit der menschlichen Kortikalis beträgt rund 100 N/mm2, die Scherfestigkeit 80 N/mm und der E-Modul erreicht Werte biszu 20O00 N/mm2.For an osteosynthesis implant in the supporting skeletal area, the required strength can be described by the forces and forces acting on the bone. The force acting on a material causes a state of tension and deformation. If the applied force exceeds the fracture limit or the deformation exceeds the elongation at break, the failure of the system occurs. The fracture strain of the cancellous bone and cortical bone is about 2% each. The tensile strength of the human cortical bone is about 100 N / mm 2 , the shear strength 80 N / mm and the modulus of elasticity reaches values up to 20O00 N / mm 2 .
Für die Implantate im tragenden Skelettbereich des erfindungsgemässen Ost eosynthesesystems müssen folgende Bedingungen eingehalten werden :For the implants in the skeletal region of the present invention eosynthesesystems the following conditions must be met:
a) Das bewegungsstabile Implantat muss alle Kräfte (F1) und M omentea) The movement-stable implant must have all forces (F 1 ) and moments
(M1) auf nehmen können, die an einem operierten Körperteil ohne Belastung (FKbew, Mκbew) auftreten :(M 1 ) occurring on an operated part of the body without load (F K b ew , Mκb ew ):
Flbew ≥ l"Kbew M fcew ≥ M KbewFlbew ≥ 1 " Kbew M fcew ≥ M Kbew
b) Das belastungsstabile Implantat des Ost eosynthesesystems muss alle Kräfte (F1) und Momente (M1) des intakten Körperteils (FKbei, Mκbei) auf nehmen können :b) The load-stable implant of the eosynthesis system must be able to absorb all forces (F 1 ) and moments (M 1 ) of the intact body part (F Kbe i, Mκ be i):
Fibel ≥ Fκbel M ftel ≥ M KbelPrimer ≥ Fκbel M ftel ≥ M Kbel
c) Die Steifigkeit des belastungsstabilen Implantatesdesc) The rigidity of the load-stable implant des
Ost eosynthesesystems E1 im Bereich der Verbindung zwischen Knochen und Implantat muss ungefähr der Steifigkeit des KnochensEκ entsprechen. Ei ~ EKOst eosynthesesystems E 1 in the area of the connection between bone and implant must correspond approximately to the stiffness of the bone E κ . Ei ~ EK
d) Das Osteoεyntheseεystems sollte f ür den Bnsatz im tragenden Skelettbereich eine interf ragmentäre Kompression von Fκ~ 600 N zurd) The osteo εynthesis system should have an interfemetary compression of F κ ~ 600 N for the attachment in the supporting skeletal region
Förderung der Knochenheilung zulassen.Allow promotion of bone healing.
Zur Berechnung kurzfaserverstärkter Kunststoffe existieren verschiedene Ansätze (z.B. Nielsen, LE; Chen RE: Young's modulus of composites filled with randomly orientated fibresJ. Compos. Mater. 3Various approaches exist for the calculation of short fiber reinforced plastics (e.g., Nielsen, LE; Chen RE: Young's modulus of composites filled with randomly oriented fibers.) Compos. Mater. 3
(1968) 352 - 358 oder Halpin. J. C; Kardos, J.L: The Halpin-Tsai equations: A review. Polym. Eng. Sei 16 (1976) 344-352). Der allgemeine Berechnungsablauf von Faserverbundwerkstoffen erfolgt vorerst in einer mikro- und makromechanischen Betrachtung und schliesslich in einer Versagensanalyse. Für die mikromechanische Analyse kann die Gleichung von Halpin-Tsai herangezogen werden, welche in der allgemeinen Form wie folgt lautet :(1968) 352-358 or Halpin. J. C; Kardos, J.L: The Halpin-Tsai equations: A review. Polym. Closely. 16 (1976) 344-352). For the time being, the general calculation procedure for fiber composites is based on a micro- and macro-mechanical analysis and finally on a failure analysis. For the micromechanical analysis, the equation of Halpin-Tsai can be used, which in the general form reads as follows:
Figure imgf000010_0001
mit
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With
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ξ = k* l l dξ = k * l l d
PF P F
MR = - PMM R = - PM
p \ Elastischer Kennwert des Verbundes pM : Entsprechender Kennwert der Matrix pF \ Entsprechender Kennwert der Faser ξ\ Formfaktor cF \ Faservolumenanteil l, d: Länge und Dicke der Fasern k: Konstante Die makro mechanische Betrachtung kurzfaserverstärkter Kunststoffe kann mit der Mischungsregel erfolgen:p \ Elastic characteristic of the composite p M : Corresponding characteristic of the matrix p F \ Corresponding characteristic of the fiber ξ \ Form factor c F \ Fiber volume fraction l, d: Length and thickness of the fibers k: Constant The macro mechanical consideration of short fiber reinforced plastics can be done with the mixing rule:
Pi c = Pi 1 FOR1 + P22FOR2 (2)Pi c = Pi 1 FOR 1 + P 22 FOR 2 (2)
~p2C = P22FOR1 + P1 λ FOR2 (3) ~ p 2C = P 22 FOR 1 + P 1 λ FOR 2 (3)
mit Verbundkennwerte der jeweiligen Richtungwith composite characteristic values of the respective direction
FORn: prozentualer Anteil der Fasern in der jeweiligen RichtungFOR n : percentage of fibers in each direction
Bereits mit einem Verbund aus PLLA ( Po I y- L- Lact i de) als Matrix- Werkstoff und 60% ungerichteten PGA-Ku rzfasern (Polyglycolide) lassen sich ausden Gleichungen (2) und (3) Festigkeiten von rund 200 N/mm2 erreichen, was bereits bisherige, im Abschnitt „Stand der Technik" zitierte Ansätze übertrifft. Werden Karbonkurzfasern verwendet, lassen sich E- Moduli ausden Gleichungen (1), (2) und (3) zwischen 10 und 20 kN/mm2 und Festigkeiten σ über 25'00O N/mm2 erreichen. Die typische Faserlänge von Kurzfasern entspricht faserverstärkten Spritzgussformmassen und liegt im mm-Bereich.Already with a composite of PLLA (poly-L-lactide) as matrix material and 60% non-oriented PGA polymer fibers (polyglycolides), equations (2) and (3) can be determined to be about 200 N / mm 2 , which already exceeds previous approaches cited in the "state of the art." When carbon short fibers are used, E moduli from equations (1), (2), and (3) can be between 10 and 20 kN / mm 2 and strengths σ above 25'00 O N / mm 2. The typical fiber length of short fibers corresponds to fiber-reinforced injection molding compounds and is in the mm range.
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Tab.1Table 1
Neben der Verwendung von Kurzfasern können auch Langfasern eingesetzt werden. Die typische Faserlänge von Langfasern liegt im cm- Bereich und entspricht der Länge, die beispielsweise beim Pressen verwendet wird. Mit der Verwendung von gerichteten Langfasern insbesondere für Schrauben können die Festigkeiten σ nochmalsgesteigert werden. Neben Kurz- oder Langfasern können erfindungsgemäss ebenfalls textile Rächengebilde wie zum Beispiel Vliese, Gewebe, Gelege, Gef lechte, Gewirke, Gestricke verwendet werden.In addition to the use of short fibers and long fibers can be used. The typical fiber length of long fibers is in the cm range and corresponds to the length, which is used for example during pressing. With the use of directed long fibers, in particular for screws, the strengths σ can be further increased. In addition to short or long fibers according to the invention also textile Rächengebilde such as nonwovens, fabrics, scrims, Gef sechte, knitted fabrics, knits are used.
Das erfindungsgemässe System besteht aus einem oder mehreren entweder bewegungs- und/oder belastungsstabilen Implantaten mit einer Festigkeit σ des Verbundwerkstoffes von mindestens300 N/mm2. Je höhere Festigkeiten mit den gewählten Materialkombinationen erreicht werden, desto kleinere Implantate können zur Anwendung gelangen. In diesem Snne sind vorteilhafte Ausf ührungsformen der Erfindung Implantate mit Fest ig sk lassen von mindestens400 bis 500 N/mm2, von mindestens 750 N/mm2 oder von über 1000 N/mm2.The system according to the invention consists of one or more implants which are either stable in movement and / or load-stable and have a strength σ of the composite material of at least 300 N / mm 2 . The higher strengths achieved with the selected material combinations, the smaller implants can be used. In this embodiment, advantageous embodiments of the invention are implants having a strength of at least 400 to 500 N / mm 2 , of at least 750 N / mm 2 or of more than 1000 N / mm 2 .
Das bewegungsstabile Implantat des Osteosynthesesystems kann die Kräfte und M omente resultierend aus dem Bgengewicht des operierten Körperteils auf nehmen.The movement-stable implant of the osteosynthesis system can absorb the forces and moments resulting from the bending weight of the operated part of the body.
Das belastungsstabile Implantat des Osteosynthesesystems kann mindestens Kräfte F,ι und Momente M |ι auf nehmen, die der intakte Bewegungsapparat unter Belastung FKbei, M Kbei auf nehmen muss. Die Steifigkeit des belastungsstabilen Osteosynthesesystems 5 im Bereich der Verbindung zwischen Bewegungsapparat und Implantat entspricht ungefähr der Steifigkeit des intakten Bewegungsapparat E« und wird somit etwa zwischen 10 bis20 kN/mm2 liegen.The load- stable implant of the osteosynthesis system can have at least forces F, and moments M | ι on which the intact musculoskeletal system under load F K at, M K must take. The stiffness of the load-stable osteosynthesis system 5 in the area between the musculoskeletal system and the implant corresponds approximately to the rigidity of the intact musculoskeletal system E "and will thus be approximately between 10 and 20 kN / mm 2 .
Die Bastizitätsmoduli des menschlichen Knochenssind dem Fachmann bekannt und wurden bereits in verschiedenen experimentellen Studien ermittelt.The basticity moduli of human bone are known to those skilled in the art and have been determined in several experimental studies.
Mit den beschriebenen erfindungsgemässenWith the described inventive
Osteosynthesesystemen werden biodegradable Implantate geschaffen, welche auch an tragenden Stellen des Skelettes eingesetzt werden können. Herkömmliche biodegradable Implantate weisen keine genügende Festigkeit f ür eine Anwendung im Bereich destragenden Skelettes auf . Metallische Implantate im Bereich des tragenden Skelettes sind bewegungstabil, d.h. die zu fixierenden Körperteile werden in der gewünschten Stellung während ihrer Heilung fixiert, können aber lediglich mit dem Bgengewicht des operierten Körperteils, ohne zusätzliche Belastung, bewegt werden. Höhere, wie beispielsweise beim Gehen hervorgerufene Belastungen sind bis zur weitgehenden Heilung des Knochens nicht möglich.Osteosynthesis systems are created biodegradable implants, which can also be used on supporting parts of the skeleton. Conventional biodegradable implants do not have sufficient strength for use in the area of bumpy skeletons. Metallic implants in the region of the supporting skeleton are stable to movement, ie the body parts to be fixed are in the fixed position during their healing, but can only be moved with the brow weight of the operated body part, without additional burden. Higher loads, such as those caused by walking, are not possible until the bone is largely cured.
Die bei den bisher verwendeten metallischenThe in the previously used metallic
Ost eosyntheseim plantaten unterschiedliche Steifigkeit zwischen Knochen und Implantat führt unter Last zu verschiedenen Dehnungen und somit zu Lockerungen oder zu Ermüdungsbrüchen des lmplantates. DieOsteosynthetic Implants Different stiffness between bone and implant leads under load to various strains and thus loosening or fatigue fractures of the implant. The
Belastungsfähigkeit des Patientenskelettes ist somit erst nach einer weitgehenden Knochenheilung möglich. Implantate, die neben der Bewegungsstabilität auch belastungsstabile Bgenschaften aufweisen, ermöglichen durch die Isoelastizität zwischen Implantat und den betroffenen Teilen des Bewegungsapparates, eine f rühe Mobilisierung des Patienten und somit eine Verkürzung der Rehabilitationszeit. Je höhere Festigkeiten mit den gewählten Materialkombinationen erreicht werden, desto kleinere Implantate können zur Anwendung gelangen.Load capacity of the patient skeleton is thus possible only after extensive bone healing. Implants which, in addition to the stability of movement, also have load-stable properties, allow the patient to mobilize the patient quickly and thus shorten the rehabilitation time due to the isoelasticity between the implant and the affected parts of the musculoskeletal system. The higher strengths achieved with the selected material combinations, the smaller implants can be used.
Das erfindungsgemässe System mit den oben beschriebenenThe inventive system with the above-described
Merkmalen kann auch nur aus schrauben oder anderen Verbindungsmitteln bestehen, die Teile des Bewegungsapparates miteinander verbinden. Es kann auch ausden bereits genannten Platten (Zugloch, Gleitloch und Spezialanwendungen), Marknägeln sowie Verbindungsmitteln wie Drähten (Cerclage-Drähte, Kirschner-Drähte, etc.), Nägeln, oder Schrauben (Corticaliε/Spongiosa) bestehen, wobei die Verbindungsmittel ebenfalls aus einem biologisch abbaubaren Verbundwerkstoff mit einer M atrix und in die M atrix integrierten Fasern bestehen. Die einzige Figur zeigt eine mögliche Form eines solchen erfindungsgemässen biodegradablen Ost heosynthesesystems, welches beispielsweise aus einer Ostheosyntheseplatte und zwei dargestellten Schrauben besteht. Die Materialien f ür Implantate und Verbindungsmitteln müssen allerdings nicht f ür alle Elemente des Ost eosynthesesystems gleich sein. Die beteiligten Elemente des erfindungsgemässen Systems haben mit Vorteil im Wesentlichen dieselbe Abbaugeschwindigkeit. Diverse Faktoren beeinflussen diese Abbaugeschwindigkeit :Features may consist only of screws or other fasteners that connect parts of the musculoskeletal system together. It may also consist of the already mentioned plates (pull hole, sliding hole and special applications), intramedullary nails and connecting means such as wires (cerclage wires, Kirschner wires, etc.), nails, or screws (Corticaliε / cancellous bone), wherein the connecting means also from a biodegradable composite with a matrix and fibers integrated into the matrix. The single FIGURE shows a possible form of such inventive biodegradable east heosynthesesystems, which consists for example of a Ostheosyntheseplatte and two screws shown. However, the materials for implants and connectors need not be the same for all elements of the eosynthesis system. The involved elements of the system according to the invention advantageously have substantially the same rate of degradation. Various factors influence this rate of degradation:
• Molekülmasse des Polymers: Das Molekülmasse des sollte sich zwischen 10'0OO und 10 Mio. u bewegen und liegt vorzugsweise zwischen 150'000 - 600'00O u. Der Faseranteil dient lediglich der Verstärkung und hat keinen wesentlichen Enfluss auf die Abbaugeschwindigkeit. Die Abbaugeschwindigkeit wird praktisch au ssch Ii esslich durch das Matrixmaterial bestimmt.Molecular mass of the polymer: The molecular mass of the polymer should be between 10'0OO and 10 million u and is preferably between 150'000 - 600'00O u. The fiber content is for reinforcement only and has no significant influence on the rate of degradation. The rate of degradation is determined almost exclusively by the matrix material.
• Chemischer Aufbau des Matrixmaterials• Chemical structure of the matrix material
Der chemische Aufbau des Matrixmaterials ist im Wesentlichen bestimmend für die Abbaudauer. Von den heute eingesetzten biodegradablen Werkstoffen sind die Abbauraten bekannt. Als Matrixwerkstoff kommen erfindungsgemäss bekannte Lactid/Glycolid, Copolymere, Polylactide, etc. in Frage, die die geeigneteThe chemical structure of the matrix material is essentially decisive for the degradation time. Of the biodegradable materials used today, the degradation rates are known. Suitable matrix materials according to the invention are known lactide / glycolide, copolymers, polylactides, etc., which are suitable
Degradationsgeschwindigkeit und Thermostabilität aufweisen.Degradation rate and thermal stability.
• Porosität :Porosity:
Je grösser die Poren im Matrixwerkstoff sind, desto schneller erfolgt der Abbau. Die Porengrösse wird durch den Herstellungsprozess und die Additive definierbar. Als mögliches Additiv kann Natriumchlorid verwendet werden.The larger the pores in the matrix material, the faster the degradation takes place. The pore size is definable by the manufacturing process and the additives. As a possible additive sodium chloride can be used.
• Additive: Diverse Additive können der Matrix beigemischt werden und beeinflussen je nachdem die Abbaugeschwindigkeit. Wie aus vielen Patenten ersichtlich sind diese Vorgänge hinlänglich bekannt.• Additives: Various additives can be added to the matrix and influence the rate of degradation as appropriate. As can be seen from many patents, these processes are well known.
• Druckverhältnisse beim Herstellungsprozess:• Pressure conditions during the manufacturing process:
Zu hohe Drücke und damit einhergehend höhere Festigkeiten des Materialsverzögern die Abbaugeschwindigkeit. Für Implantate müssen daher Materialkombinationen festgelegt werden, die genügende Festigkeiten und Steifigkeiten erreichen, ohne dassdie Abbaugeschwindigkeit übermäßig verlängert wird.Too high pressures and concomitantly higher strength of the material delay the rate of degradation. For implants, therefore, material combinations must be specified that are sufficient Strengths and stiffness can be achieved without excessively increasing the rate of degradation.
Das Faserverbundimplantat kann sich durch anisotrope und/oder innerhalb des Implantats unterschiedliche Materialeigenschaften auszeichnen. Durch unterschiedliche Materialeigenschaften innerhalb des Implantates kann dieses an verschiedene Anforderungen angepasst werden, wie beispielsweise an eine höhere Steifigkeit in der Frakturzone oder an die Erhaltung der Isoelastizität über weite Bereiche des Knochens.The fiber composite implant may be characterized by anisotropic and / or within the implant different material properties. Due to different material properties within the implant this can be adapted to different requirements, such as a higher stiffness in the fracture zone or to the maintenance of isoelasticity over wide areas of the bone.
Das Matrixmaterial kann ausserdem mit Additiven oder Beschichtungen wie Röntgenkontrastmittel, Antibiotika, biokeramische Partikel (Bioglas) oder Hydroxyapatit zur Verbesserung der Knochenheilung bzw. zur Steigerung der Festigkeit ergänzt werden. Zum ereichen der geforderten Festigkeiten ist dies allerdings nicht erforderlich.The matrix material can also be supplemented with additives or coatings such as X-ray contrast agents, antibiotics, bioceramic particles (bioglass) or hydroxyapatite to improve bone healing or to increase the strength. However, this is not necessary to reach the required strength.
Gegenüber den bereits bekannten biodegradablen Implantaten können kurzfaserverstärkte Implantate auf einfachste und kostengünstige Art und Weise durch ein Spritzgussverfahren hergestellt werden. Es besteht eine ausreichende Anzahl von Kombinationen von Matrix- und Fasermaterial mit einer genügend grossen Differenz zwischen den Schmelztemperaturen, so dass eine gleichzeitige Verarbeitung von Faser und Matrix im Spritzgussverfahren möglich ist (vgl. Tab. 1 ). Andere Verfahren wie Faserspritz-, Schleuder-, Pultrusions-, Injektions-, Wickel- oder Rechtverfahren oder deren Kombination sind im Rahmen der Erfindung anwendbar.Compared to the already known biodegradable implants short-fiber reinforced implants can be produced in a simple and cost-effective manner by an injection molding process. There is a sufficient number of combinations of matrix and fiber material with a sufficiently large difference between the melting temperatures, so that a simultaneous processing of fiber and matrix by injection molding is possible (see Table 1). Other methods, such as fiber spraying, spin coating, pultrusion, injection, wrapping or raking methods, or combinations thereof, are applicable within the scope of the invention.
Die allgemein niedrigen Schmelztemperaturen der Matrixwerkstoffe ermöglichen es ausserdem vor oder während der Operation unter Temperatureinwirkung plastische Formveränderungen der Implantate vorzunehmen.The generally low melting temperatures of the matrix materials also make it possible to perform plastic shape changes of the implants before or during the operation under the influence of temperature.
Für biodegradable Materialien existieren bereits bekannte und gut eingeführte Sterilisationsverfahren. Durch die vorliegende Erfindung können die erfindungsgemässen neuen Faserverbundimplantate kostengünstig hergestellt werden. Gleichzeitig geht mit der Erfindung eine Kosten- und Risikoreduktion einher, da weitere Eingriffe zur Entfernung der Implantate nicht mehr notwendig sind. Die bisher erreichten technischen und chirurgischen Standards, sowie die Verarbeitungstechniken, die mit metallischen Implantaten erreicht wurden, bleiben jedoch vorteilhaft erhalten. Durch geeignete biomechanische Eigenschaften ist eine sehr frühe Belastbarkeit destragenden Skelettes nach einer Operation möglich. Hospitalisationszeiten, Rehabilitationen und Arbeitsausfälle können somit verkürzt werden. Da die postoperative Rehabilitationszeit durch die belastungsstabilen Implantate verkürzt wird, kann durch die Erfindung zusätzlich eine Kostenreduktion erreicht werden. Somit ist es gelungen, durch das erfindungsgemässe Osteosynthesesystem herkömmlich metallische Implantate weitgehend zu ersetzten. For biodegradable materials already known and well-established sterilization procedures exist. By means of the present invention, the novel fiber composite implants according to the invention can be produced inexpensively. At the same time, the invention is associated with a cost and risk reduction, since further interventions to remove the implants are no longer necessary. However, the technical and surgical standards achieved so far, as well as the processing techniques that have been achieved with metallic implants, remain advantageously preserved. Due to suitable biomechanical properties, a very early load carrying skeletons is possible after surgery. Hospitalization times, rehabilitation and lost time can be shortened. Since the postoperative rehabilitation time is shortened by the load-stable implants, a cost reduction can additionally be achieved by the invention. Thus, it has been possible by the inventive osteosynthesis system conventional metallic implants largely replaced.

Claims

Patentansprüche claims
1. Biodegradables Osteosyntheseεystem zum Ensatz als Implantat im gesamten Bewegungsapparat, bestehend aus mindestens einem bewegungs- oder belastungsstabilen Implantat und/oder Verbindungsmittel als Elemente des Systems aus einem biologisch abbaubaren Verbundwerkstoff mit einer Matrix und in die Matrix integrierten Fasern, wobei sich die chemische Zusammensetzung und Struktur der in die Matrix integrierten Fasern von der M atrix unterscheiden, mit einer Festigkeit (σ) des Verbundwerkstoffsvon mindestens300 N/mm2.1. Biodegradable Osteosyntheseεystem for deployment as an implant in the entire musculoskeletal system, consisting of at least one movement or load-stable implant and / or connecting means as elements of the system of a biodegradable composite material with a matrix and integrated into the matrix fibers, wherein the chemical composition and Distinguish the structure of the fibers integrated into the matrix from the matrix, with a strength (σ) of the composite of at least 300 N / mm 2 .
2. Biodegradables Osteosynthesesystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dassdie Elemente mindestens die Kräfte (F|bθW) und Momente (M |bθW) auf nehmen können, die an einem operierten Körperteil ohne Belastung (FKbew, MKbew) auftreten.2. Biodegradable osteosynthesis system according to claim 1, characterized in that the elements can take at least the forces (F | bθW ) and moments (M | bθW ) that occur on an operated part of the body without load (F K b ew , M K bew) ,
3. Biodegradables Osteosynthesesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente mindestens Kräfte (F|ι) und Momente (M ibei) des intakten Körperteils (FKbei, M «bei) auf nehmen können, wobei die Steifigkeit E1 im Bereich der Verbindung zwischen Körperteil und Implantat im Wesentlichen der Steifigkeit des intakten Körperteils EK entspricht.3. Biodegradable osteosynthesis system according to claim 1 or 2, characterized in that the elements can take at least forces (F | ι) and moments (M ibei) of the intact body part (F K at "M" bei), wherein the stiffness E 1 in the region of the connection between the body part and the implant essentially corresponds to the rigidity of the intact body part E K.
4. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des Systems aus biologisch abbaubaren Verbundwerkstoffen bestehen, die im Wesentlichen dieselbe Abbaudauer aufweisen.4. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the elements of the system consist of biodegradable composite materials which have substantially the same degradation time.
5. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element des Systems u ngerichtete Kurzfasern enthält, die in die Matrix eingebettet sind. 5. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one element of the system contains aligned short fibers embedded in the matrix.
6. Biodegradables Osteoεynthesesystem gemäss einem der6. Biodegradable Osteoεynthesesystem according to one of
Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element des Systems gerichtete Langfasern enthält, die in die Matrix eingebettet sind.Claims 1 to 4, characterized in that at least one element of the system contains directed long fibers embedded in the matrix.
7. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der7. Biodegradable osteosynthesis system according to one of
Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element des Systemstextile Rächengebilde enthält.Claims 1 to 4, characterized in that at least one element of the system textiles contains avenues.
8. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasermaterial ein Polymer, Polylactid, eine Biokeramik oder Karbon verwendet wird.8. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 7, characterized in that a polymer, polylactide, a bioceramic or carbon fiber is used as the fiber material.
9. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial ein Polymer, Copolymer oder Polylactid verwendet wird.9. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 8, characterized in that a polymer, copolymer or polylactide is used as the matrix material.
10. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elemente durch anisotrope M aterialeigenschaften auszeichnen.10. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the elements are characterized by anisotropic M aterialeigenschaften.
1 1. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elemente durch unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeiten innerhalb der Implantate auszeichnen.1 1. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the elements are characterized by different strengths and stiffnesses within the implants.
12. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dassdie Verbundwerkstoffe zusätzlich zum Matrix- und Fasermaterial durch biokeramische Materialien, Kontrastmittel, Antibiotika oder Hydroxyapatit ergänzt sind. 12. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the composite materials in addition to the matrix and fiber material are supplemented by bioceramic materials, contrast agents, antibiotics or hydroxyapatite.
13. Biodegradables Osteoεynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dassdie Elemente mit einem oder einer Kombination der folgenden Verfahren herstellbar sind : Laminieren, Spritzguss-, Faserspritz-, Schleuder-, Pultrusions- oder Injektions- Wickel- oder Rechtverfahren.13. Biodegradable osteo-synthesis system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the elements can be produced with one or a combination of the following processes: lamination, injection molding, fiber spraying, spin coating, pultrusion or injection winding or legal processes.
14. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element des Systems unter Temperatureinwirkung plastisch verformbar ist.14. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 13, characterized in that at least one element of the system is plastically deformable under the action of temperature.
15. Biodegradables Osteosynthesesystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dassdas System zum Einsatz an tragenden Stellen des Skeletts einsetzbar ist.15. Biodegradable osteosynthesis system according to one of claims 1 to 14, characterized in that the system is suitable for use at supporting points of the skeleton.
16. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystemszum Einsatz als Implantat im gesamten Bewegungsapparat, bestehend ausfolgenden Verfahrensschritten : mindestens ein Implantat und/oder Verbindungsmittel als Elemente des Systemswerden aus einem biologisch abbaubaren Verbundwerkstoff mit einer M atrix und in die Matrix integrierten Fasern, wobei sich die chemische Zusammensetzung und Struktur der in die M atrix integrierten Fasern von der Matrix unterscheiden, mit einer Festigkeit (σ) des Verbundwerkstoffsvon mindestens300 N/mm2 hergestellt.16. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system for use as an implant in the entire musculoskeletal system, comprising the following steps: at least one implant and / or connecting means as elements of the system are made of a biodegradable composite material with a matrix and fibers integrated into the matrix, wherein the chemical The composition and structure of the fibers integrated into the matrix differ from the matrix, with a strength (σ) of the composite of at least 300 N / mm 2 .
17. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente des Systems hergestellt werden, dass sie mindestens die Kräfte (Fibew) und Momente (M |bθW) auf nehmen können, die an einem operierten Körperteil ohne Belastung (FKbew, M Kbew) auftreten.17. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system according to claim 16, characterized in that elements of the system are manufactured so that they can take up at least the forces (Fibew) and moments (M | bθW ), which on an operated body part without load (F K bew, M K bew) occur.
18. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente hergestellt werden, die mindestens die Kräfte (Fibei) und Momente (M ιι) des intakten Körperteils (FKbei; M Kbei) auf nehmen können, wobei die Steifigkeit Ei im Bereich der Verbindung zwischen Körperteil und Implantat ungefähr der Steifigkeit desintakten Körperteils EK entspricht.18. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system according to claim 16 or 17, characterized in that elements are produced which at least the forces (Fibei) and moments (M ι ι) of the intact body part (F K at; M K bei) on Take the stiffness egg in the area of the connection between the body part and implant corresponds approximately to the rigidity of the intact body part E K.
19. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente des Systems hergestellt werden, die aus biologisch abbaubaren Verbundwerkstoffen bestehen, die im Wesentlichen dieselbe Abbaudauer aufweisen.19. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system according to any one of claims 16 to 18, characterized in that elements of the system are produced, which consist of biodegradable composite materials having substantially the same degradation time.
20. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element des Systems mit ungerichteten Kurzfasern hergestellt wird, die in die Matrix eingebettet sind.20. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system according to any one of claims 16 to 19, characterized in that at least one element of the system is produced with undirected short fibers which are embedded in the matrix.
21. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element des Systems mit gerichteten Langfasern hergestellt wird, die in die Matrix eingebettet sind.21. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system according to any one of claims 16 to 19, characterized in that at least one element of the system is prepared with long fibers directed, which are embedded in the matrix.
22. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element des Systems mit textilen Flächengebilden hergestellt wird.22. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system according to any one of claims 16 to 19, characterized in that at least one element of the system is produced with textile fabrics.
23. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss einem der Ansprüche 16 bis22, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasermaterial ein Polymer, Polylactid, eine Biokeramik oder Karbon verwendet wird.23. A method for producing a biodegradable osteosynthesis according to any one of claims 16 to22, characterized in that a polymer, polylactide, a bioceramic or carbon fiber is used as the fiber material.
24. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystems gemäss einem der Ansprüche 16 bis23, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial ein Polymer, Copolymer, oder Polylactid verwendet wird. 24. A method for producing a biodegradable osteosynthesis system according to any one of claims 16 to23, characterized in that a polymer, copolymer, or polylactide is used as the matrix material.
25. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen Osteosynthesesystemsgemäss einem der Ansprüche 16 bis24, dadurch gekennzeichnet, dassdie Elemente mit anisotropen Materialeigenschaften hergestellt werden.25. A process for producing a biodegradable osteosynthesis system according to any one of claims 16 to 24, characterized in that the elements are prepared with anisotropic material properties.
26. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen26. Method for producing a biodegradable
Osteosynthesesystemsgemäss einem der Ansprüche 16 bis25, dadurch gekennzeichnet, dassdie Bemente mit unterschiedlichen Festigkeiten und Steifigkeiten innerhalb der Implantate oder Verbindungsmittel hergestellt werden.Osteosynthesis system according to one of Claims 16 to 25, characterized in that the cones are produced with different strengths and stiffnesses within the implants or connecting means.
27. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen27. Method for producing a biodegradable
Osteosynthesesystemsgemäss einem der Ansprüche 16 bis26, dadurch gekennzeichnet, dassdie Verbundwerkstoffe zusätzlich zum Matrix- und Fasermaterial durch biokeramische Materialien, Kontrastmittel, Antibiotika oder Hydroxyapatit ergänzt werden.Osteosynthesis system according to one of claims 16 to 26, characterized in that the composite materials in addition to the matrix and fiber material are supplemented by bioceramic materials, contrast agents, antibiotics or hydroxyapatite.
28. Verfahren zur Herstellung eines biodegradablen28. Method for producing a biodegradable
Osteosynthesesystemsgemäss einem der Ansprüche 16 bis27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein FJement laminiert oder im Spritzguss-, Faserspritz-, Schleuder-, Pultrusions-, Injektions- Wickel-, Recht verfahren oder einer Kombination davon hergestellt wird. Osteosynthesis system according to one of claims 16 to 27, characterized in that at least one FJement is laminated or produced by injection molding, fiber spraying, spin coating, pultrusion, injection, winding, or right method or a combination thereof.
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