DD263703A1

DD263703A1 - Keramisches humanimplantat als knochenersatz

Info

Publication number: DD263703A1
Application number: DD30367387A
Authority: DD
Inventors: Andreas Krell; Kerstin Lippmann; Wilfried Glien
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1987-06-11
Publication date: 1989-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft die Zusammensetzung eines keramischen Humanimplantates, das als Knochenersatz, z. B. als Hueftgelenk-Endoprothesen, Hueftgelenkkappen und andere, auf Biegung und Zug beanspruchte Implantate eingesetzt werden kann. Das erfindungsgemaesse Humanimplantat besteht aus einer dicht gesinterten Dispersionskeramik der gewichtsmaessigen Zusammensetzung 75 bis 97% Al2O3, 3 bis 25% unstabilisiertem ZrO2, 0,05 bis 0,5% Mg und hoechstens 0,3% Verunreinigungen. Dieses keramische Humanimplantat ist in Gewebefluessigkeit alterungsbestaendig und weist einen gegenueber reiner Al2O3-Keramik um 60% niedrigeren abrasiven Verschleiss auf.

Description

I .1 l

Anwendungsgebiet der Erfindung

Oie Erfindung bezieht sich auf die Gebiete Medizintechnik und Keramik. Objekte, für die das erfindungsgemäße keramische Humanimplantat anwendbar ist, sind Hüftgelenk-Endoprothesen, Hüftgelenkkappen für Endoprothesen, Kiefer- und andere insbes. auf Biegung und Zug beanspruchte Implantat-Endoprothesen, die als Knochenersatz dienen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Durch die DE-OS 2914737 ist ein keram'sches Implantat aus 99,7 Massenanteiien in % AI2O3 bekannt. Die Biegebruchfestigkeit beträgt 500 MPa und die bei 500 p Belastung gemessene Vickers-Härte beträgt 17,6GPa, die Bruchzähigkeit 5,9 MPa m,/2. Das Implantat weist eine günstige Gewebeverträglichkeit auf. Die Festigkeit eines solchen Implantate» kann durch aufwendige Technologien, wie Heißpressen, und Verstärkung mit Metalleinlagerungen weiter verbessert werden. Während die Festigkeit des frisch implantierten, auf Zug- bzw. Biegebeanspruchung belasteten Knochenersatzes in der Regel ausreichend ist, ist es allgemein bekannt, daß keramische Implantate „altern", d. h„ daß zeitbedingt ein Festigkeitsabfall durch den Einfluß von Gewebeflüssigkeit einti itt. Dieser Festigkeitsabfall erfolgt durch subkritisches Bißwachstum, das von der Gewebeflüssigkeit gefördert wird. Es wurde gefunden, daß bereits beim nur kurzzeitig belasteten Implantat die

Biegebruchfestigkeit unter Einwirkung von Wasser, bzw. von die Gewebeflüssigkeit simulierender Ringer-Lösung sofort auf 75 bis 80% gegenüber dem an Luft gemessenen Wert fällt. Durch diesen Festigkeitsabfall, der auch nach 10 Jahren Einsatzdauer des Implantates aus AI2O3 als Kno henersatz anhält, ist die Lebensdauer des Implantates begrenzt, und es besteht die Notwendigkeit, das Implantat nach gegebener Zeit durch ein neues Teil zu ersetzen, was erneuten Aufwand bedeutet und zu einer starken Belastung des Patienten führt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung liegt in der Erhöhung der Lebensdauer von Humanimplantaten auf der Basis von gesinterter Al2o3-Keramik.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Implantat al«; Knochenersatz anzugeben, bei dem der zeitbedingte Festigkeitsabfall unter Zug- bzw. Biegebeanspruchung, der durch die Gewebeflüssigkeit hervorgerufen wird, eingeschränkt bzw. vermieden ist. Erfindung sgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Implantat aus einer bereits bekannten

Dispezsionskeramik mit der gewichtsmäßigen Zusamrr anseizung 75 bis 97% AI2O3,3 bis 25% unstabilisiertem ZrO2 und 0,05 bis 0,5% MgO besteht, und der Anteil an weiteren, ais Verunreinigungen vorliegenden Stoffen höchstens 0,3% beträgt.

Die Bruchzähigkeitssteigerung von AI2O3 durch dispergierte Zi O2-Phasen ist bekannt. Überraschend ist jedoch die Alterungsbeständigkeit des Werkstoffes in Gewebeflüssigkeit.

Durch ein Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel

Das keramische Humani -nplantat besteht aus gesinterter AI2O)-Dispersionskeramik mit Massenanteilen von 11,5% ZrO2 und 0,15% MgO. Hergestellt wurde das Implantat durch bekannte Technologie: Homogenisieren eines sinterfähigen, feindispersen Gemisches der Bcstandtsile, Granulieren und Pressen, wobei die Formgebung durch uniaxiales Pressen, isostatisches Pressen, *· Schlickergießen oder Spritzguß erfolgen kann. Es wuide das uniaxiale Pressen angewendet und die Sinterung erfolgte bei 1580°C unter Wasserstoff. Danach betrug die relative Dichte 90-99% der theoretischen Dichte. Die thermisch geätzte Anschliffe mittels der Linienschnittmethode bestimmte mittlere Korngröße des ZrO2 betrug 0,9 pm, die des AI2O3 2,1 pm. Die bei einer Belastung von 500p bestimmte Vickers-Härte ergab 20GPa. Die an Luft gemessene Biegebruchfestigkeit beträgt 625MPa, der Festigkeitsabfall durch den Einfluß von Ringer-Lösung betrug lediglich 5% und ist damit gegenüber dem reinen AI2O3-lmplantat, bei dem der Festigkeitsabfail 20 bis 25% beträgt, wesentlich geringer. Durch die Unterdrückung des subkritischen Rißwachstums im erfindungsgemäßen Implantat ist auch eine ausreichende Verlängerung der Lebensdauer infolge geringerer

Alterungsneigung unter Zug- bzw. Biegebeanspruchung gegeben. c Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Implantates besteht darin, daß die im Vergleich zu reinen AI2O3-lmplantaten erhöhte Härte mit einem in wäßrigen Medien gegenüber AI2O3 auf 60% erniedrigten abrasiven Verschleiß verknüpft ist (gemessen als Masseverlust von Kugeln gegen eine AI2O3 Reibfläche). Von besonderer Bedeutung ist diese vorteilhafte Wirkung bei Implantaten wie Hüftgelenk-Endoprothesen, die im Gelenk oder in einer ebenfalls künstlichen Hüftgelenkpfanne auf Verschleiß durch Reibung beansprucht sind.

Claims

Patentanspruch:

Keramisches Humanimplantat, bestehend aus dicht gesinterten Oxiden, gekennzeichnet dadurch, daß das keramische Humanimplantat aus einer bereits bekannten Dispersionskeramik mit der
gewichtsmäßigen Zusammensetzung 75 bis 97% AI₂O₃,3 bis 25% unstabilisertem ZrO₂,0,05 bis 0,5% Mg und höchstens 0,3% Verunreinigungen besteht.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete Modizintechnik und Keramik. Objekte, für die das erfindungsgemäße keramische
Humanimplantat anwendbar ist, sind Hüftgelenk-Endoprothesen, Hüftgelenkkappen für Endoprothesen, Kiefer- und andere
insbes. auf Biegung und Zug beanspruchte Implantat-Endoprothesen, die als Knochenersatz dienen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Durch die DE-OS 2914737 ist ein keram'sches Implantat aus 99,7 Massenanteiien in % AI₂O₃ bukannt. Die Biegebruchfestigkeit beträgt 500MPa und die bei 500p Bel'itung gemessene Vickers-Härte beträgt 17,6GPa, die Bruchzähigkeit 5,9MPa m^</2. Das Implantat weist eine günstige Gewebeverträglichkeit auf. Die Festigkeit eines solchen Implantate:; kann durch aufwendige
Technologien, wie Heißpressen, und Verstärkung mit Metalleinlagerungen weiter verbessert werden.
Während die Festigkeit des frisch implantierten, auf Zug- bzw. Biegebeanspruchung belasteten Knochenersatzes in der Regel ausreichend ist. ist es allgemein bekannt, daß keramische Implantate „altern", d. h., daß zeitbedingt ein Festigkeitsabfall durch den Einfluß von uewebeflüssigkeit einti itt. Dieser Festigkeitsabfall erfolgt durch subkritisches Rißwachstum, das von der
Gewebeflüssigkeit gefördert wird. Es wurde gefunden, daß bereits beim nur kurzzeitig belasteten Implantat die
Biegebruchfestigkeit unter Einwirkung von Wasser, bzw. von die Gewebeflüssigkeit simulierender Ringer-Lösung sofort auf 75 bis 80% gegenüber dem an Luft gemessenen Wert fällt. Durch diesen Festigkeitsabfall, der auch nach 10 Jahren Einsatzdauer des Implantates aus AI₂O₃ als Kno henersatz anhält, ist die Lebensdauer des Implantates begrenzt, und es besteht die Notwendigkeit, das Implantat nach gegebener Zeit durch ein neues Teil zu ersetzen, was erneuten Aufwand bedeutet und zu einer starken
Belastung des Patienten führt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung liegt in der Erhöhung der Lebensdauer von Humanimplantaten auf der Basis von gesinterter AI₂O₃-Keramik.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Implantat als Knochenersatz anzugeben, bei dem der zeitbedingte Festigkeitsabfall unter Zug- bzw. Biegebeanspruchung, der durch die Gewebeflüssigkeit hervorgerufen wird, eingeschränkt bzw. vermieden ist. Erfindung sgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Implantat aus einer bereits bekannten
Dispe.sionskeramik mit der gewichtsmäßigen Zusamrr snsetzung 75 bis 97 % AI₂O₃,3 bis 25% unstabilisiertem ZrO₂ und 0,05 bis 0,5% MgO besteht, und der Anteil an weiteren, als Verunreinigungen vorliegenden Stoffen höchstens 0,3% beträgt.
Die Bruchzähigkeitssteigerung von AI₂O₃ durch dispergierte Zi O₂-Phasen ist bekannt. Überraschend ist jedoch die
Alterungsbeständigkeit des Werkstoffes in Gewebeflüssigkeit.
Durch ein Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel

Das keramische Humani nplantat besteht aus gesinterter AI₂O_t-Dispersionskeramik mit Massenanteilen von 11,5% ZrO₂ und 0,15% MgO. Hergestellt wurde das Implantat durch bekannte Technologie: Homogenisieren eines sinterfähigen, feindispersen Gemisches der Bcstandtsile, Granulieren und Pressen, wobei die Formgebung durch uniaxiales Pressen, isostatisches Pressen, Schlickergießen oder Spritzguß erfolgen kann. Es wuide das uniaxiale Pressen angewendet und die Sinterung erfolgte bei
158O⁰C unter Wasserstoff. Danach betrug die relative Dichte 913—99% der theoretischen Dichte. Dh thermisch geätzte Anschliffe mittels der Linienschnittmethode bestimmte mittlere Korngröße des ZrO₂ betrug 0,3pm, die des AI₂O₃ 2,1 μητι. Die bei einer
Belastung von 500p bestimmte Vickers-Härte ergab 2UGPa. Die an Luft gemessene Biegebruchfestigkeit beträgt 625MPa, der Festigkeitsabfall durch den Einfluß von Ringer-Lösung betrug lodiglich 5% und ist damit gegenüber dem reinen AI₂O₃-lmplantat, bei dem der Festigkeitsabfall 20 bis 25% beträgt, wesentlich geringer. Durch die Unterdrückung des subkritischen Rißwachstums im erfindungsgemäßen Implantat ist auch eine ausreichende Verlängerung der Lebensdauer infolge geringerer
Alterungsneigung unte^rZug- bzw. Biegebeanspruchung gegeben.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Implantates besteht darin, daß die im Vergleich zu reinen AI₂O₃-lmplantaten
erhöhte Härte mit einem in wäßrigun Medien gegenüber AI₂O₃ auf 60% erniedrigten abrasiven Verschleiß verknüpft ist
(gemessen als Masseverlust von Kugeln gegen eine AI₂O₃ Reibfläche). Von besonderer Bedeutung ist diese vorteilhafte Wirkung bei Implantaten wie Hüflgelenk-Entloprothesen, die im Gelenk oder in einer ebenfalls künstlichen Hüftgelenkpfanne auf
Verschleiß durch Reibung beansprucht sind.