DE102005059864B4

DE102005059864B4 - Orthopädischer Shaver

Info

Publication number: DE102005059864B4
Application number: DE200510059864
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Schulz Peter; Thomas Bödecker; Walter Martin
Original assignee: Groenemeyer Medical & Co KG GmbH; Gronemeyer Medical & Co KG GmbH
Current assignee: BOEDECKER, THOMAS, DE; BOEDEKER, THOMAS, DE; SCHULZ, PETER, DR.RER.NAT, DE
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: DE102005059864A1; WO2007073867A1

Abstract

Orthopädischer Shaver mit einem Schneidkopf aus einer ZrO2-Dispersionskeramik, wobei das ZrO2 mit 0,05 bis 0,5 Mol-% Al2O3 und 3,0 bis 7,0 Mol-% Y2O3 stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidkopf durch Sintern eines Formkörpers bei einer Sintertemperatur im Bereich von 1300°C bis 1400°C und anschließende HIP-Behandlung in Gegenwart von Luft bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur im Bereich von 1200°C bis 1300°C erhältlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen orthopädischen Shaver aus einer ZrO₂-Dispersionskeramik, wobei das ZrO₂ mit 0,05 bis 0,5 Mol-% Al₂O₃ und 4,0 bis 7,0 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert ist.
Schneidwerkzeuge auf keramischer Basis haben aufgrund ihrer Eigenschaften Eingang in viele Bereiche der Technik gefunden. Keramische Messer erlauben ein präzises Arbeiten bei hoher Standfestigkeit des Schneidgerätes und vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten unter Vermeidung von metallischen Werkstoffen.
Aufgrund ihrer Eigenschaften wurden keramische Werkstoffe auch für medizinische Schneidwerkzeuge vorgeschlagen. Diese Werkstoffe bietet ausgezeichneten Schneideigenschaften und sind antiallergen. Sie laden sich statisch nicht auf und können mit beliebigen anderen Werkstoffen kombiniert werden. Keramik ist leichter als Stahl, elektrisch nicht leitend und weist eine hohe Festigkeit und Härte auf.
Ein Nachteil keramischer Schneidwerkzeuge ist allerdings ihre für hohe Beanspruchung häufig nicht ausreichende Bruchfestigkeit. Insbesondere bei chirurgischen Werkzeugen besteht somit das Risiko, dass bei Bruch des Werkzeuges Keramikpartikel in der Wunde zurückbleiben, abgesehen von den Komplikationen, die von einem Werkzeugbruch bei der Durchführung einer Operation und beim Heilungsprozess ausgehen können. Aus diesem Grunde haben sich keramische Werkstoffe in der Chirurgie nicht weit durchsetzen können.
Aus der DE 197 37 104 A1 sind Schneidvorrichtungen für medizinische Zwecke zum Herstellen von kleinen Schnitten in Weichgeweben bekannt, die aus einer Keramik auf Zirkonoxid-Basis bestehen, die durch Yttriumoxid, Ceroxid oder Aluminiumoxid stabilisiert ist. Alternativ kann eine Mischkeramik auf Aluminiumoxidbasis verwandt werden. DE 102 43 104 A1 beschreibt ferner Schneidwerkzeuge aus keramischen Werkstoffen, wobei für diese keramische Werkstoffe Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid verwendet werden. Mischungen dieser Oxide werden als vorteilhaft beschrieben. Eine durch Al₂O₃-Dotierung stabilisierte Keramik aus tetragonalen Zirkon-Polykristallen wird als in der Bruchfestigkeit verbessert beschrieben und soll eine hervorragende Biokompatibilität aufweisen.
Eine yttriumoxidhaltige Zirkonoxidkeramit, die mit Aluminiumoxid versetzt sein kann, ist aus der EP 0 218 853 A1 bekannt.
Eine Ceroxid-haltige Zirkonoxidkeramik mit stabilisierenden Mengen an Yttriumoxid und Zirkonoxid ist weiterhin aus der EP 1 508 554 A2 bekannt. Auch diese Keramik zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus, wird als bioverträglich beschrieben und zur Herstellung von Implantaten vorgesehen.
Diese Zirkonoxidkeramiken sind inzwischen für viele medizinische Zwecke einsetzbar, bleiben aber für manche Anwendungen immer noch hinsichtlich ihrer Festigkeit und vor allem Bruchsicherheit verbesserungsfähig. Hinzu kommt die Neigung dieser Zirkonkeramiken, unter Feuchtigkeitseinflus an Festigkeit zu verlieren, insbesondere bei erhöhter Temperatur, was die Wiederverwendbarkeit insbesondere von chirurgischen Schneidwerkzeugen stark einschränkt.
Orthopädische Shaver sind motorgetriebene Instrumente, die für verschiedene Anwendungsbereiche geeignet sind, beispielsweise für die Resektion von Meniskusgewebe, die Synoviaresektion, die Resektion von Narbengewebe, bei der Knorpelglättung, beim Anfräsen und Bearbeiten von frei liegenden Knochen und zur Glättung von Borkanaleingängen. Eine Vielzahl von weiteren Anwendungen ist bekannt geworden. Neben elektrochirurgischen Shavern werden solche mit schnell drehenden Messerköpfen eingesetzt. Die Rotationsgeschwindigkeiten, die beispielsweise zur Bearbeitung von Knochen benötigt werden, gehen hinauf bis zu 10.000 UPM.
Die Schneidköpfe eines Shavers sind in der Regel an einem angetriebenen Schaft befestigt, der wiederum in einer Hülse rotiert, aus der der Schneidkopf seitlich herausragt. Die Hülse kann gleichzeitig zur Absaugung von abgeschnittenem Gewebe- und Knochenmaterial verwandt werden.
Bedingt durch das weite Einsatzfeld, die teilweise sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten und die Härte des zu schneidenden Materials wirken auf den Schneidkopf eines Shavers erhebliche Kräfte ein, die zum einen zu einem schnellen Verlust der Schneidwirkung führen und zum anderen zur Beschädigung der Klingen. Insbesondere wegen der auf rotierende Messer seitlich einwirkenden Kräfte besteht bei der Verwendung von keramischen Materialien gerade hier die Gefahr, dass es zu Ausbrüchen im Bereich der Klingen kommt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Material bereitzustellen, aus dem Schneidköpfe für orthopädische Shaver hergestellt werden können. Ein solches Schneidwerkzeug wäre aufgrund seiner Eigenschaften entsprechend auch für andere chirurgische und technische Zwecke brauchbar.
Diese Aufgabe wird mit einem orthopädischen Shaver der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Zirkonoxid-Dispersionskeramik durch Sintern eines Formkörpers bei einer Sintertemperatur von 1300°C bis 1400°C und anschließende HIP-Behandlung in Gegenwart von Luft bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur im Bereich von 1200°C bis 1300°C erhältlich ist.
Das erfindungsgemäße keramische Schneidwerkzeug besteht aus einer Sinterkeramik, die im Wesentlichen aus ZrO₂, das mit 4,0 bis 7,0 Mol-% Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiert ist und darüber hinaus 0,05 bis 0,5 Mol-% Al₂O₃ enthält. Das Zirkonoxid kann geringe Menge weiterer oxidischer Materialien enthalten, beispielsweise Ceroxid, jedoch ist reines Zirkonoxid aufgrund seiner guten physiologischen Verträglichkeit bevorzugt, d. h. die erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuge bestehen aus Zirkonoxid, Aluminiumoxid und Yttriumoxid.
Besonders geeignet sind tetragonale Zirkonoxidpolykristalle, die mit Yttriumoxid stabilisiert sind, wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften. Tetragonales Zirkonoxid, selbst wenn es mit Yttriumoxid stabilisiert ist, neigt aber dazu, aus dem metastabilen tetragonalen in den stabilen monoklinen Zustand überzugehen. Dieser Übergang in den monoklinen Zustand setzt bei erhöhten Temperaturen ein, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 200°C, wird aber auch durch Feuchtigkeit ausgelöst. Da mit dem Übergang eine Volumenvergrößerung verbunden ist, führt dies automatisch zu einer Lockerung des Gefüges und zur Unbrauchbarkeit des Werkzeuges.
Diese Neigung zum Übergang aus der metastabilen tetragonalen Kristallform in die stabile monokline Kristallform kann durch den Zusatz von geringen Mengen Aluminiumoxid vermieden bzw. verlangsamt werden, ohne dass die sonstigen Eigenschaften darunter leiden. Die mit Aluminiumoxid zusätzlich stabilisierte Keramik aus Zirkonoxid und Yttriumoxid ist somit weithin feuchtigkeitsbeständig und kann auch bei erhöhten Temperaturen behandelt werden, beispielsweise zur Sterilisierung nach einem erfolgten Einsatz.
Das mit Yttriumoxid und Aluminiumoxid stabilisierte Zirkonoxid weist aber immer noch eine nicht immer ausreichende Festigkeit für Anwendungen auf, bei denen es zum Kontakt mit harten Materialien kommt, etwa Knochen oder Implantaten.
Überraschend wurde gefunden, dass durch eine geeignete Behandlung des Sinterteils nach dem Brennvorgang die Festigkeit des Materials deutlich erhöht und insbesondere die Bruchfestigkeit um 50 bis 80% verbessert werden kann. Hierzu wird der Rohling nach dem Sintern einer HIP-Behandlung (Hot Isostatic Pressing) in Gegenwart von Luft bei einer Temperatur knapp unterhalb der Sintertemperatur unterworfen.
Die HIP-Behandlung erfolgt bei Temperaturen, die zu einem erneuten Erweichen des Rohlings führt und damit zu einer Nachverdichtung. Die Temperatur der HIP-Behandlung sollte deshalb wenig unter der Sintertemperatur liegen und bei einem Druck, der zu einer Erhöhung der Dichte bis in die Nähe der theoretischen Dichte führt. Die Gegenwart von Sauerstoff bedingt eine oxidierende Atmosphäre die geeignet ist, Sauerstoff-Fehlstellen im Kristallgitter aufzufüllen und damit die chemische Stabilität zu verbessern.
Erfindungsgemäß liegt die Temperatur für die HIP-Behandlung im Bereich von 1200 bis 1300°C und insbesondere etwa bei 1250°C. Sie sollte insbesondere nicht mehr als 100°C unter der Sintertemperatur liegen und besonders bevorzugt etwa 50 bis 100°C unter der Sintertemperatur. Der Druck wird auf einen Wert im Bereich von 800 bis 1200 Bar eingestellt, insbesondere auf einen Wert von 1000 Bar +/–100 Bar.
Die Sintertemperatur selbst hängt von der Zusammensetzung der Dispersionskeramik ab und liegt in der Regel im Bereich von 1350°C +/–50°C.
Der Gehalt an Aluminiumoxid bewegt sich im Bereich von 0,05 bis 0,5 Mol-%, bezogen auf das Zirkonoxid. Insbesondere ist der Gehalt an Aluminiumoxid nicht höher als 0,2 Mol-%.
Erfindungsgemäß beträgt der Gehalt an Yttriumoxid im Keramikwerkstoff 4,0 bis 7,0 Mol-%, bezogen auf das Zirkonoxid. Bevorzugt sind Gehalte im Bereich von 4,5 bis 5,5 Mol-% und insbesondere ein Gehalt von nicht mehr als 5,3 Mol-%.
Die erfindungsgemäßen orthopädischen Shaver, insbesondere Schneidköpfe für orthopädische Shaver, werden aus den fein gemahlenen Ausgangsoxiden durch gründliches Mischen der Bestandteile, Kompaktieren zu einem Formkörper, Sintern und anschließende HIP-Behandlung bei den vorstehend angegebenen Drücken und Temperaturen hergestellt. Für das Kompaktieren werden die auf diesem Gebiet üblichen Bedingungen, insbesondere Drücke, angewandt. Die Korngrößen der Ausgangsmaterialien bewegen sich in den üblichen Bereichen, beispielsweise um eine mittlere Korngröße von 0,2 μm. Der verdichtete Formkörper (Grünkörper) wird zu einem Rohling gesintert, der anschließend zu dem fertigen Schneidwerkzeug in Gegenwart von Luft HIP-behandelt wird.
Die erfindungsgemäßen orthopädischen Shaver verfügen über eine außerordentlich gute physiologische Verträglichkeit, sind standfest und verlieren auch nach mehreren Einsätzen ihre Schneidhaltigkeit nicht.
Shaver mit herkömmlichen Köpfen aus Stahl verlieren ihre Schneidhaltigkeit nach dem zweiten oder dritten Einsatz, so dass sie ersetzt werden müssen. Dies ist für die Kliniken mit erheblichen Kosten verbunden. Überraschend hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen keramischen Schneidköpfe für orthopädische Shaver ohne Weiteres 15 bis 20 mal eingesetzt werden könne, ohne dass sie ihre Schneidhaltigkeit verlieren. Gleichzeitig sind sie problemlos in allen üblichen Sterilisieranlagen zu sterilisieren und können darüber hinaus auch bei hohen Temperaturen von 200°C und mehr hitzesterilisiert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen orthopädischen Shaver ist der Kopf aus dem beschriebenen keramischen Material gefertigt und mit einer herkömmlichen Shaverstruktur, d. h. einem Schaft, der in einer üblichen Hülse verläuft, verbunden. Kopf und Schaft sind dabei auf an und für sich bekannte Art und Weise form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch formschlüssiges Zusammenstecken entsprechend gestalteter Kupplungselemente und Verkleben dieser Struktur, durch Verkleben oder durch Einwalzen des Keramikschneidkopfes in die Schaftstruktur. Des Weiteren ist es möglich, den Kopf mit einem Einsteckstift zu versehen, der in eine entsprechende stirnseitige Ausnehmung des Schafts eingeführt und dort mit einer Hinterschneidung verrastet wird.
Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher erläutert. Von diesen zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen orthopädischen Shaver und
2 einen einsteckbaren Messerkopf für einen derartigen orthopädischen Shaver.
Der orthopädische Shaver 1 gemäß 1 besteht aus einem Schaft 2, der an seiner Spitze 4 eingesteckt einen Keramikschneidkopf 3 aufweist. Der Schaft 2 geht an den dem Keramikschneidkopf 3 gegenüberliegenden Ende in das Halteteil 5 über, das seinen Vorsprüngen 6 in eine entsprechende Aufnahme des Antriebselementes eingesetzt werden kann.
2 zeigt einen Schneidkopf 3 gemäß der Erfindung mit einem Einsteckelement 7, das in eine entsprechend gestaltete Ausnehmung an der Stirnseite des Schafts 2 form- und kraftschlüssig eingesteckt werden kann. Das Einsteckelement 7 weist eine umlaufende Hinterschneidung 8 auf, die mit einem entsprechenden Vorsprung des Schafts 2 zusammenwirkt und einen festen Sitz des Schneidkopfes im Schaft gewährleistet. Das Halteelement 7 kann alternativ in die entsprechende Aufnahme des Schaftes 2 eingeklebt oder eingewalzt sein; bevorzugt ist eine sowohl form- als auch eine kraftschlüssige Verbindung des Schneidkopfes 3 mit dem Schaft 2.

Claims

Orthopädischer Shaver mit einem Schneidkopf aus einer ZrO₂-Dispersionskeramik, wobei das ZrO₂ mit 0,05 bis 0,5 Mol-% Al₂O₃ und 3,0 bis 7,0 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidkopf durch Sintern eines Formkörpers bei einer Sintertemperatur im Bereich von 1300°C bis 1400°C und anschließende HIP-Behandlung in Gegenwart von Luft bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur im Bereich von 1200°C bis 1300°C erhältlich ist.
Orthopädischer Shaver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der HIP-Behandlung bei etwa 1250°C liegt.
Orthopädischer Shaver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur bei etwa 1350°C liegt.
Orthopädischer Shaver nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gehalt von ≤ 0,2 Mol-% Al₂O₃.
Orthopädischer Shaver nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Y₂O₃-Gehalt von 4,5 bis 5,5 Mol-%.
Orthopädischer Shaver nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf mit einem Schaft form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist.
Orthopädischer Shaver nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf mit dem Schaft verklebt ist.
Orthopädischer Shaver nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf mit einer Passform in den Schaft eingewalzt ist.