DE102010003605A1

DE102010003605A1 - Schnittschablone aus Keramik

Info

Publication number: DE102010003605A1
Application number: DE102010003605A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Wecker; Roman Preuss; Matthias Eschle
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2010-12-02
Also published as: JP2012522711A; WO2010112588A1; KR20120022853A; JP5762397B2; US20120123421A1; EP2413816A1; CN102448385A

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schnittschablone bzw. ein Sägeblock, vorzugsweise eine Schnittschablone bzw. ein Sägeblock zum Einsatz in der Medizintechnik.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schnittschablone bzw. ein Sägeblock, vorzugsweise eine Schnittschablone bzw. ein Sägeblock zum Einsatz in der Medizintechnik.
Bei jeder Knie-TEP-Implantation wird eine so genannte Schnittschablone oder Sägeblock auf dem Femur fixiert. Mit dieser Schnittschablone werden im Normalfall drei Schnitte zur Anpassung der Femuroberfläche an die Geometrie der Femurkomponente durchgeführt. Für jeden Schnitt befindet sich in der Schnittschablone eine Führung (3 bzw. 4 Schnittführungen in Schablone). In dieser Führung wird der Schnitt mit einem oszillierenden Sägeblatt durchgeführt. Die Sägeblätter sowie die Schnittschablonen sind heute grundsätzlich aus biokompatiblen Metalllegierungen gefertigt.
Die Führungsschienen im Sägeblock haben je nach Hersteller eine Breite von 1,2–1,5 mm. Bedingt durch das Oszillieren des Sägeblatts und die auftretende Reibung zwischen Sägeblatt und Führungsschiene tritt ein hoher Metallabrieb auf Seiten der Führungsschiene auf. Dieser Abrieb wird nicht bzw. kann nur unzureichend intraoperativ aus der Wunde entfernt werden. Somit kann dieser Abrieb wiederum zur Ursache von Infektionen werden und vor allem zu allergischen Reaktionen des Patienten führen. Aus diesem Grund gilt es, diesen Abrieb grundsätzlich zu reduzieren, insbesondere jedoch, wenn durch den Einsatz einer keramischen Femurkomponente beim potentiellen Allergiker eine Implantatreaktion vermieden werden soll.
Nach heutigem Kenntnisstand entsteht der überwiegende Teil des Metallabriebs durch den Verschleiß der Führungsschienen in der Schnittschablone. Nach ca. 20–40-maliger Verwendung einer Schnittschablone im Rahmen von Knie-TEP-Implantationen weisen die Führungsschienen um ca. 0,5–1,5 mm vergrößerte Führungsspalte auf. Infolgedessen nimmt die Führungsgenauigkeit der Schnittschablone erheblich ab. Die Folgen für den Chirurgen sind entsprechend, eine präzise Schnittführung des -Sägeblattes ist nicht mehr möglich, Ausrichtung und Ebenheit der Schnittflächen des Femurs weisen zunehmend Abweichungen auf. Dies führt zu größeren Spalten zwischen Schnittflächen und Femurkomponente. Diese Spalte müssen intraoperativ durch ein größeres als sonst übliches Volumen an Knochenzement aufgefüllt werden, was einen negativen Einfluss auf die Standzeit des Systems haben kann.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, die Nachteile der Schnittschablonen/der Sägeblöcke des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere:

• den Metallabrieb zu reduzieren, wobei eine Reduzierung des Metallabriebs um bis zu 90% gegenüber den bisherigen Metalllösungen angestrebt werden soll;
• die Standzeit einer Schnittschablone zu verlängern und damit Kosten einzusparen;
• das Allergierisiko sowie das Risiko von Infektionen zu reduzieren.

Die erfindungsgemäße Aufgaben wurde überraschenderweise durch eine Schnittschablone/einen Sägeblock aus Keramik (im Folgenden werden für die erfindungsgemäße Schnittschablone/den erfindungsgemäßen Sägeblock auch die Begriffe Sinterformkörper oder Sinterkörper verwendet) mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorzugsweise Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Lösung der anstehenden Aufgaben Sinterformkörper mit einer ganz speziellen Zusammensetzung erfordert. Neben der Umwandlungsverstärkung, die durch die Einlagerung eines stabilisierende Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxids in einer Keramikmatrix erzielt wird, sieht die Erfindung gemäß einer ersten Ausfüh rungsform als Matrix einen Mischkristall aus Aluminiumoxid/Chromoxid vor. Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass das in die Matrix eingelagerte Zirkoniumdioxid und das zusammen mit dem Aluminiumoxid den Mischkristall bildende Chromoxid in einem bestimmten molaren Verhältnis zueinander stehen. Diese Maßnahme ermöglicht, dass auch bei höheren Zirkoniumdioxidanteilen, die zum Erhalt einer besonders guten Bruchzähigkeit erforderlich sein können, die erforderlichen Härtewerte erzielt werden können. Andererseits können bei niedrigen Zirkoniumdioxidanteilen auch relativ geringe Chromoxidgehalte vorliegen, womit einer Versprödung des Werkstoffes entgegengewirkt wird.
Die Angabe, dass das die stabilisierenden Oxide enthaltende Zirkoniumdioxid und Chromoxid in einem bestimmten molaren Verhältnis vorliegen sollen, ergibt zwangsläufig auch bestimmte Verhältnisse für die übrigen Komponenten, da z. B. mit sinkendem Anteil an Zirkoniumdioxid auch die Anteile der stabilisierenden Oxide, bezogen auf den Sinterformkörper, abnehmen, während andererseits der Anteil des Aluminiumoxids ansteigt. Bezogen auf das Aluminiumoxid des Sinterformkörpers liegt das Chromoxid in einer Gewichtsmenge von 0,004 bis 6,57 Gew.-% vor, wobei jedoch nicht außer acht gelassen werden darf, dass Chromoxid und das die stabilisierenden Oxide enthaltende Zirkoniumdioxid in dem angegebenen molaren Verhältnis stehen. Von den stabilisierenden Oxiden hat sich das Ceroxid als ganz besonders bevorzugt erwiesen.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Anteil des Matrixwerkstoffes am Sinterformkörper mindestens 70 Vol.-% – und ist aus einem Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall mit einem Chromoxidanteil von 0,01 bis 2,32 Gew.-%, bezogen auf Aluminiumoxid, gebildet, wobei 2 bis 30 Vol.-% Zirkoniumdioxid in die Matrix eingelagert sind, und das Zirkoniumdioxid 0,27 bis 2,85 Mol% Yttriumoxid, bezogen auf die Mischung aus Zirkoniumdioxid und Yttriumoxid, enthält und das Zirkoniumdioxid in einer 2 μm nicht überschreitenden durchschnittlichen Korngröße überwiegend in der tetragonalen Mo difikation vorliegt. Eine Menge von 0,27 bis 2,85 Mol% Yttriumoxid, bezogen auf die Mischung aus Zirkoniumdioxid und Yttriumoxid entspricht 0,5 bis 5,4 Gew.-% Yttriumoxid, bezogen auf Zirkoniumdioxid. Bei einem solchen Sinterformkörper liegt zwischen dem das Yttriumoxid enthaltenden Zirkoniumdioxid und Chromoxid ein molares Verhältnis von 370:1 bis 34:1 vor.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Matrixwerkstoff aus einem Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall und aus einem weiteren Mischkristall der Formel SrAl_12-xCr_xO₁₉, wobei x einen Wert von 0,0007 bis 0,045 hat. Auch bei dieser Ausführungsform, die im übrigen der ersten Ausführungsform entspricht, geht von dem in die Mischkristall-Matrix eingelagerten Zirkoniumdioxid eine zähigkeitssteigernde Wirkung aus, während der Chromzusatz einem durch den Zirkoniumdioxidanteil hervorgerufenen Abfall der Härtewerte entgegenwirken kann. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass sich bei Anwesenheit von Strontiumoxid Platelets im Gefüge bilden, die er allgemeinen Formel SrAl_12-xCr_xO₁₉ entsprechen. Der durch den Zusatz von Strontiumoxid zusätzlich gebildete Mischkristall der Formel SrAl_12-xCr_xO₁₉ hat den zusätzlichen Effekt, dass er dem Sinterformkörper auch bei höherer Temperatur eine weiter verbesserte Zähigkeit verleiht. Die Verschleißfestigkeit dieser Sinterformkörper unter Einfluss erhöhter Temperatur ist daher ebenfalls verbessert. Auch bei dieser Ausführungsform hat sich das Ceroxid als besonders geeignet gezeigt. Platelets bilden sich auch dann, wenn die Matrix kein Cr₂O₃ enthält.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Verschleißfestigkeit der Sinterformkörper noch durch die Einlagerung von 2 bis 25 Vol.-% eines oder mehrerer Karbide, Nitride oder Karbonitride der Metalle der 4. und 5. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente (PSE) – bezogen auf den Matrixwerkstoff – in diesen verbessert werden. Vorzugsweise liegt der Anteil dieser Hartstoffe bei 6 bis 15 Vol.-%. Insbesondere sind Titannitrid, Titankarbid und Titankarbonitrid geeignet.
Gemäß einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das molare Verhältnis des die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxids zu Chromoxid in Abhängigkeit des in den erfindungsgemäßen Sinterformkörpern vorliegenden Zirkoniumdioxidanteils so eingestellt, dass bei niedrigen Zirkoniumdioxidanteilen auch geringe Chromoxidmengen vorliegen. Ganz besonders hat sich dabei eine Einstellung des molaren Verhältnisses Zirkoniumdioxid:Chromoxid erwiesen, die im Bereich von

2–5 Vol.-% Zirkoniumdioxid 1.000:1 bis 100:1

> 5–15 Vol.-% Zirkoniumdioxid 200:1 bis 40:1

> 15–30 Vol.-% Zirkoniumdioxid 100:1 bis 20:1

> 30–40 Vol.-% Zirkoniumdioxid 40:1 bis 20:1

beträgt.
Um sicherzustellen, dass das Zirkoniumdioxid überwiegend in der tetragonalen Modifikation vorliegt, ist erfindungsgemäß die Einstellung einer 2 μm nicht überschreitenden Korngröße des Zirkoniumdioxids erforderlich. Außer den bis zu einer Menge von 5 Vol.-% zugelassenen Anteilen von Zirkoniumdioxid in kubischer Modifikation sind auch noch geringe Mengen der monoklinen Modifikation zugelassen, diese sollen aber ebenfalls eine Menge von max. 5 Vol.-% nicht überschreiten und liegen vorzugsweise bei weniger als 2 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt sogar bei weniger als 1 Vol.-%, so dass vorzugsweise mehr als 90 Vol.-% in der tetragonalen Modifikation vorliegen.
Da der Sinterformkörper außer den in den Patentansprüchen angegebenen Komponenten lediglich noch in unvermeidbarer Weise eingeschleppte Verunreinigungen enthält, die gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung nicht mehr als 0,5 Vol.-% betragen, besteht der Sinterformkörper lediglich aus dem Aluminiumoxid-Chromoxid-Mischkristall oder, bei Anwesenheit von Strontiumoxid und Chromoxid, aus diesem Mischkristall und dem Mischkristall der Formel SrAl_12-xCr_xO₁₉ sowie aus dem die stabilisierenden Oxide enthaltenden und in die Matrix aus den genannten Mischkristallen eingelagertem Zirkoniumdioxid. Weitere Phasen, wie z. B. Korngrenzphasen, die beim gemeinsamen Einsatz von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid gebildet werden oder weitere kristalline Phasen, wie sie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Zusätzen von Stoffen, wie YNbO₄ oder YTaO₄. entstehen und die einen nicht ausreichend hohen Erweichungspunkt aufweisen, liegen im Sinterformkörper nach der Erfindung nicht vor. Auch die aus dem Stand der Technik bekannten. Oxide von Mn, Cu, Fe, die ebenfalls zur Ausbildung weiterer Phasen führen, bewirken einen erniedrigten Erweichungspunkt und haben eine geringe Kantenfestigkeit zur Folge. Der Einsatz dieser Werkstoffe ist daher bei der Erfindung ausgeschlossen.
Vorzugsweise liegt das Zirkoniumdioxid in einer Menge von nicht mehr als 30, Vol.-% vor. Vorzugsweise liegt das Zirkoniumdioxid auch nicht in einer Menge von weniger als 15 Vol.-% vor. Liegen zwischen 15 und 30 Vol.-% Zirkoniumdioxid vor, liegt das molare Verhältnis zwischen dem die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxid und Chromoxid ganz besonders bevorzugt zwischen 40:1 und 25:1.
Gemäß einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Anteil des in tetragonaler Modifikation vorliegenden Zirkoniumdioxids bei mehr als 95 Vol.-%, wobei lediglich bis zu 5 Vol.-% insgesamt in der kubischen und/oder monoklinen Modifikation vorliegen. Ganz besonders bevorzugt ist die Einhaltung einer Korngröße des eingelagerten Zirkoniumdioxids im Bereich von 0,2 bis 1,5 μm. Demgegenüber hat sich eine durchschnittliche Korngröße des Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristalls im Bereich von 0,8 bis 1,5 μm als be sonders geeignet erwiesen. Kommen zusätzlich noch Karbide, Nitride und Karbonitride der Metalle der 4. und 5. Nebengruppe des PSE zum Einsatz, werden diese in einer Korngröße von 0,8 bis 3 μm eingesetzt. Die Körner des Mischkristalls der Formel SrAl_12-xCr_xO₁₉ weisen ein Längen/Dickenverhältnis im Bereich von 5:1 bis 15:1 auf. Ihre Maximallänge beträgt dabei 12 μm, ihre Maximaldicke 1,5 μm.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass nicht nur mit Strontiumoxid, sondern auch mit bestimmten anderen Oxiden entsprechende Platelets im Gefüge erzeugt werden können. Voraussetzung für die Plateletbildung ist die Ausbildung einer hexagonalen Kristallstruktur der ”in situ” zu bildenden Platelets. Verwendet man als Matrix das Stoffsystem Al₂O₃-Cr₂O₃-ZrO₂-Y₂O₃ (CeO₂), so können mit den unterschiedlichsten Oxiden die folgenden Platelets ”in situ” gebildet werden. Bei Zulegierung von Alkalioxiden bilden sich die entsprechenden Alkal-Al_11-xCr_xO₁₇-, bei Zulegierung von Erdalkalioxiden bilden sich die entsprechenden ErdalkaliAl_12-xCr_xO₁₉-Platelets, bei Zulegierung von CdO, PbO, HgO die entsprechenden (Cd, Pb oder HgAl_12-xCr_xO₁₉)-Platelets und bei Zulegierung von Seltenerdoxiden die entsprechenden SeltenerdAl_11-xCr_xO₁₈-Platelets. La₂O₃ kann außerdem die Verbindung La_0,9Al_11,76-xCr_xO₁₉ bilden. Platelets bilden sich aber auch dann, wenn die Matrix kein Cr₂O₃ enthält. Die sich dann, ohne Anwesenheit von Strontiumoxid, bildenden Platelets entsprechen den allgemeinen Formeln: AlkaliAl₁₁O₁₇, ErdalkaliAl₁₂O₁₉, (Cd, Pb oder HgAl₁₂O₁₉) bzw. SeltenerdAl₁₂O₁₈.
Erfindungsgemäß enthält der Matrixwerkstoff in einer vorzugsweisen Ausgestaltung einen Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall und einen weiteren Mischkristall gemäß einer der allgemeinen Formeln Me¹Al_11-xCr_xO₁₇, Me²Al_12-xCr_xO₁₉, Me^2'Al_12-xCr_xO₁₉ oder Me³Al_11-xCr_xO₁₈ wobei Me¹ für ein Alkalimetall, Me² für ein Erdalkalimetall, Me^2' für Cadmium, Blei oder Quecksilber und Me³ für ein Seltenerdmetall steht. Ebenfalls dem Matrixwerkstoff zugesetzt werden kann als Mischkristall La_0,9Al_11,76-xCr_xO₁₉. x kann dabei Werte von 0,0007 bis 0,045 annehmen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene ”in situ” – Plateletverstärkung tritt auch ein, wenn die Matrix kein Cr₂O₃ enthält. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere dann vorgesehen, wenn ein Abfall der Härtewerte nicht stört. Die sich ohne Cr₂O₃ bildenden Platelets entsprechen dann den allgemeinen Formeln Me¹Al₁₁O₁₇, Me²Al₁₂O₁₉, Me^2'Al₁₂O₁₉ bzw. Me³Al₁₂O₁₈. Auch mit diesen Sinterformkörpern lassen sich die gleichen vorzugsweisen Ausführungsformen bereitstellen, wie mit den Sinterformkörpern, die Cr₂O₃ im Matrixwerkstoff enthalten. Insoweit treffen die für die Sinterformkörper mit Cr₂O₃ im Matrixwerkstoff weiter oben gemachten Ausführungen in analoger Weise auf die Sinterformkörper ohne Cr₂O₃ im Matrixwerkstoff zu.
Die Vickershärte der erfindungsgemäßen Sinterformkörper ist größer als 1.750 [HV_0,5], liegt aber vorzugsweise bei mehr als 1.800 [HV_0,5].
Die Mikrostruktur der erfindungsgemäßen Sinterformkörper ist frei von Mikrorissen und weist einen Porositätsgrad von nicht mehr als 1,0% auf. Der Sinterformkörper kann ferner noch Whisker, jedoch nicht aus Siliziumkarbid, enthalten.
Der Sinterformkörper enthält vorzugsweise keine der vielfach als Kornwachstumshemmer verwendeten Substanzen, wie z. B. Magnesiumoxid.
Der in Ansprüchen und Beschreibung verwendete Begriff „Mischkristall” ist nicht im Sinne von Einkristall zu verstehen, vielmehr ist damit eine feste Lösung von Chromoxid in Aluminiumoxid bzw. Strontiumaluminat gemeint. Der erfindungsgemäße Sinterformkörper bzw. die Schnittschablone ist polykristallin.
Beim Sintern lösen sich die Stabilsatoroxide im ZrO₂-Gitter und stabilisieren dessen tetragonale Modifikation. Zur Herstellung der Sinterformkörper und zur Erzielung einer von weiteren unerwünschten Phasen freien Gefügestruktur werden vorzugsweise hochreine Rohstoffe eingesetzt, d. h. Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid mit einer Reinheit von mehr als 99%. Vorzugsweise ist der Grad der Verunreinigungen noch wesentlich geringer. Insbesondere sind SiO₂-Anteile von mehr als 0,5 Vol.-%, bezogen auf den fertigen Sinterformkörper, unerwünscht. Ausgenommen von dieser Regelung ist das unvermeidbare Vorliegen von Hafniumoxid in geringer Menge von bis zu 2 Gew.-% innerhalb des Zirkoniumdioxids.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterformkörpers erfolgt durch druckloses Sintern oder Heißpressen einer Mischung aus Aluminiumoxid/Zirkoniumdioxid/Chromoxid und stabilisierenden Oxiden bzw. kommt eine Mischung dieser Komponenten zum Einsatz, der zusätzlich noch Strontiumoxid, bzw. anstelle des Strontiumoxids noch ein Alkalioxid, ein Erdalkalioxid, CdO, PbO, HgO, ein Seltenerdoxid oder La₂O₃ und/oder eins oder mehrere Nitride, Karbide und Karbonitride der 4. und 5. Nebengruppe des PSE zugefügt sind: Beispielhafte Versätze sind in Tabelle 1 angegeben. Die Zugabe von Yttriumoxid und Chromoxid kann auch in Form von Yttriumchromoxid (YCrO₃) erfolgen, während die Strontiumoxidzugabe vorzugsweise in Form von Strontiumsalzen, insbesondere als Strontiumcarbonat (SrCO₃) vorgenommen werden kann. Die anstelle des Strontiumoxids einsetzbaren Alkali-, Erdalkali-, Cadmium-, Blei-, Quecksilber-, Seltenerdoxide oder das Lanthanoxid können vorzugsweise in Form ihrer Salze, insbesondere als Carbonate zugegeben werden. Aber auch die Zugabe von ternären Verbindungen, die sich während des Sinterns zersetzen und umlagern, ist möglich. Verschiedene keramische Mischungen wurden durch Mischmahlung hergestellt. Den gemahlenen Mischungen wurde ein temporäres Bindemittel zugegeben und die Mischungen anschließend sprühgetrocknet. Anschließend wurden aus den sprühgetrockneten Mischungen Grün körper gepresst und diese unter Standardbedingungen gesintert, beispielsweise entweder drucklos gesintert oder vorgesintert und unter Argon einem Gasdrucksinterprozess unterworfen.
Der Begriff druckloses Sintern umfasst dabei sowohl ein Sintern unter atmosphärischen Bedingungen, als auch unter Schutzgas oder im Vakuum. Vorzugsweise wird der geformte Körper zunächst auf 90 bis 95% theoretischer Dichte drucklos vorgesintert und anschließend durch heißisostatisches Pressen oder Gasdrucksintern nachverdichtet. Die theoretische Dichte kann dadurch bis auf einen Wert von mehr als 99,5% gesteigert werden.
Eine alternative Art zur Herstellung der Grünkörper wird direkt aus der Suspension erreicht. Dazu wird die Mischung mit einem Feststoffgehalt von über 50 Vol.-% in einer wässrigen Suspension gemahlen. Der pH-Wert der Mischung ist dabei auf 4–4,5 einzustellen. Nach der Mahlung wird Harnstoff und eine Menge des Enzyms Urease hinzugefügt, die geeignet ist, den Harnstoff abzubauen, bevor diese Suspension in eine Form abgegossen wird. Durch die enzymkatalysierte Harnstoffzersetzung verschiebt sich der pH-Wert der Suspension nach 9, wobei die Suspension koaguliert. Der so hergestellte Grünkörper wird nach der Entformung getrocknet und gesintert. Der Sinterprozess kann drucklos erfolgen, aber auch das Vorsintern, gefolgt von anschließender heißisostatischer Nachverdichtung, ist möglich. Weitere Einzelheiten zu diesem Verfahren (DCC-Verfahren) sind in der WO 94/02429 und in der WO 94/24064 offenbart, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
Bei der Herstellung der Keramiken auf Basis der genannten Mehrkomponentensysteme kann eine Reihe von Faktoren eine wesentliche Bedeutung erlangen. Insbesondere bei der Aufbereitung der Pulvergemische kann die Dispergierung und Mahlung besonderen Einfluss auf die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Keramik nehmen. Dabei können sich das Mahlverfahren und das Mahlag gregat selbst auf das Ergebnis auswirken. Auch der Feststoffgehalt der eingesetzten Mahlsuspension kann zusätzlich mit zur Dispergierung beitragen.
In den nachfolgenden Beispielen werden die Einflussparameter und deren Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften näher dargestellt. Für die einzelnen Versuche ist die folgende Feststoffkombination verwendet worden:

Al₂O₃ 73,11 Gew.-%

ZrO₂ 23,57 Gew.-%

La₂O₃ 2,48 Gew.-%

YCrO₃ 0,84 Gew.-%
Für die Versuche V1–V4 ist ein 60 Gew.-%iger Schlicker eingesetzt worden. Im Versuch V5 wurde der Feststoffgehalt auf 55 Gew.-% reduziert. Zur Durchführung des Versuchs V1 wurde eine Schwingmühle eingesetzt. Die Versuche V2 und V3 sind auf einer Labor-Attritormühle durchgeführt worden; bei V2 wurde 1 h gemahlen, die Mahldauer bei V3 lag bei 2 h. Im Versuch V4 ist eine Menge von 30 kg in einer Durchlaufattritormühle behandelt worden. Der Versuch V5 ist im Labor-Attritor bei einer Mahldauer von 2 h durchgeführt worden.

Nachfolgend sind die Ergebnisse aus den Festigkeitsuntersuchungen für die einzelnen Versuche dargestellt:

	4-Punkt-Biegefestigkeit
	Mittelwert [MPa]	min	max	Standabw. +/–	Weibull m
V1	692	480	835	105	7
V2	789	297	942	162	4
V3	1033	695	1243	113	10
V4	1214	930	1373	93	15
V5	997	781	1156	96	13

Tabelle 1

	Beispiel 1 [Gew.-%]	Beispiel 2 [Gew.-%]	Beispiel 3 [Gew.-%]	Beispiel 4 [Gew.-%]	Beispiels [Gew.-%]	Beispiel [Gew.-%]
Al₂O₃	73,30	58,62	73,60	84,16	66,95	63,53
Cr₂O₃	0,86	1,20	0,40	0,10	0,86	0,78
Oxid	1,09*	0,22**	1,06*	5,63***	0,95*	1,06****
ZrO₂	23,47	38,16	23,14	8,5	23,64	29,09
Y₂O₃	1,28	1,80	0,13		1,30
CeO₂			1,67	1,61		5,54
TiN					6,3

*La₂O₃, **Er₂O₃; ***BaO; ****Dy₂O₃

Mit der erfindungsgemäßen Lehre ist der Metallabrieb um bis zu 90% gegenüber den bisherigen Schnittschablonen bzw. Sägeblöcken aus Metall reduziert. Die Standzeit der Schnittschablone bzw. des erfindungsgemäßen Sägeblocks im Einsatz ist deutlich verlängert, da nur geringer Verschleiß der Schnittschablone auftritt. Dies reduziert die Kosten. Außerdem sind das Allergierisiko bzw. die allergischen Reaktionen von Patienten sowie das Risiko von Infektionen reduziert.
Bevorzugt wird die Schnittschablone in der Medizintechnik, insbesondere bei Operationen zur Bearbeitung eines Knochens verwendet, In bevorzugter Weise bei einer Knie-TEP-Implantation.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen keramischen Schnittschablone bzw. die der Keramik, aus der sie hergestellt ist, sind:

• Die Schnittschablone weist einen extrem geringen Abrieb auf.
• Das Material ist biokompatibel.
• Wenn die erfindungsgemäße Schnittschablone mit einem Laser beschriftet wird, ist diese sehr gut sichtbar und lesbar und kann somit Fehlhandhabungen beim Einsatz der Schnittschablone reduzieren.
• Die Schnittschablone besitzt gute tribologische Eigenschaften.

Die 1 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäße Schnittschablone 1 aus Keramik in verschiedenen Ansichten. 5 zeigt Bilder zur Gestalt und zur intraoperativen Verwendung einer konventionellen Schnittschablone aus Metall.
In den 1 bis 4 ist eine erfindungsgemäße Schnittschablone 1 gezeigt, die auch als Sägeblock bezeichnet wird. Eine derartige Schnittschablone 1 dient zur Führung eines chirurgischen Sägeblatts bei der Implantation eines künstlichen Kniegelenks.
Die Schnittschablone besteht aus einem Grundkörper 2, welcher mit schlitzartigen Ausnehmungen 3 zur Durchführung und passgenauen Führung eines plattenförmigen Sägeblatts versehen ist, wobei die schlitzartigen Ausnehmungen 3 einander gegenüberliegende Führungsflächen 4 aufweist. An diesen Führungsflächen 4 liegt das Sägeblatt (siehe 5) beim Sägevorgang an. In den Grundkörper 2 sind Durchgangsbohrungen 5 eingebracht, die zur Verschraubung der Schnittschablone 1 auf dem Femur dienen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnen die Begriffe Sinterformkörper/Sinterkörper eine Keramik in Form von bzw. zur Verwendung als Schnittschablone bzw. Sägeblock.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 94/02429 [0026]
- WO 94/24064 [0026]

Claims

Schnittschablone aus: a) 60 bis 98 Vol.-% eines Matrixwerkstoffes, gebildet aus einem Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall, b) 2 bis 40 Vol.-% in den Matrixwerkstoff eingelagertem Zirkoniumdioxid, das c) als stabilisierende Oxide mehr als 10 bis 15 Mol% eines oder mehrerer der Oxide von Cer, Praseodym und Terbium bezogen auf die Mischung aus Zirkoniumdioxid und stabilisierenden Oxiden, enthält, wobei d) die Zugabemenge der stabilisierenden Oxide so gewählt ist, dass das Zirkoniumdioxid überwiegend in der tetragonalen Modifikation vorliegt und e) das molare Verhältnis zwischen dem die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxid und Chromoxid 1.000:1 bis 20:1 beträgt, f) sich die Anteile aller Komponenten zu 100 Vol.-% des Sinterformkörpers ergänzen.
Schnittschablone aus: a) mindestens 70 Vol.-% eines Matrixwerkstoffes, gebildet aus einem Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall mit einem Chromoxidanteil von 0,01 bis 2,32 Gew.-%, bezogen auf Aluminiumoxid, b) 2 bis 30 Vol.-% in den Matrixwerkstoff eingelagertem Zirkoniumdioxid, das c) 0,27 bis 2,85 Mol% Yttriumoxid, bezogen auf die Mischung aus Zirkoniumdioxid und Yttriumoxid, enthält, wobei die Zugabemenge des Yttriumoxids so gewählt ist, dass das Zirkoniumdioxid überwiegend in der tetragonalen Modifikation vorliegt und d) das molare Verhältnis zwischen dem die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxid und Chromoxid 1.000:1 bis 20:1 beträgt und e) sich die Anteile aller Komponenten zu 100 Vol.-% der Schnittschablone ergänzen.
Schnittschablone nach Anspruch 2, wobei das molare Verhältnis zwischen dem die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxid und Chromoxid 370:1 bis 34:1 beträgt.
Schnittschablone aus: a1) 60 bis 98 Vol.-% eines Matrixwerkstoffes, wobei dieser bis zu a2) 67,1 bis 99,2 Vol.-% eines Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristalls a3) bis zu 0,8 bis 32,9 Vol.-% eines weiteren Mischkristalls enthält, der aus mindestens einem Mischkristall gemäß einer der allgemeinen Formeln SrAl_12-xCr_xO₁₉, La_0,9Al_11,76-xCr_xO₁₉, Me¹Al_11-xCr_xO₁₇, Me²Al_12-xCr_xO₁₉, Me^2'Al_12-xCr_xO₁₉ und/oder Me³Al_11-xCr_xO₁₈ ausgewählt ist, wobei Me¹ für ein Alkalimetall, Me² für ein Erdalkalimetall, Me^2' für Cadmium, Blei oder Quecksilber und Me³ für ein Seltenerdmetall steht und x einem Wert von 0,0007 bis 0,045 entspricht und b) der Matrixwerkstoff 2 bis 40 Vol.-% in den Matrixwerkstoff eingelagertes tetragonal stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthält und c) sich die Anteile der Komponenten zu 100 Vol.-% der Schnittschablone ergänzen.
Schnittschablone gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Stabilisierungsmittel für das Zirkoniumoxid 2 bis 15 Mol% eines oder mehrerer der Oxide von Cer, Praseodym und Terbium und/oder 0,2 bis 3,5 Mol% Yttriumoxid, bezogen auf die Mischung aus Zirkoniumdioxid und stabilisierenden Oxiden eingesetzt wird, wobei die Zugabemenge der stabilisierenden Oxide so gewählt ist, dass das Zirkoniumdioxid überwiegend in der tetragonalen Modifikation vorliegt und der Anteil an kubischer Modifikation, bezogen auf Zirkoniumdioxid, bei 0 bis 5 Vol.-% liegt.
Schnittschablone gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis zwischen dem die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxid und Chromoxid 1.000:1 bis 20:1 beträgt.
Schnittschablone gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumdioxid eine 2 μm nicht überschreitende Korngröße aufweist.
Schnittschablone gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff außerdem noch 2 bis 25 Vol.-%; eines oder mehrere der Karbide, Nitride und Carbonitride der Metalle der vierten und fünften Nebengruppe des PSE – bezogen auf Matrixwerkstoff – enthält.
Schnittschablone aus: a) 60 bis 85 Vol.-% eines Matrixwerkstoffes, gebildet aus einem Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristall sowie aus 2 bis 25 Vol.-% eines oder mehrerer der Karbide, Nitride und Carbonitride der Metalle der vierten und fünften Nebengruppe des PSE – bezogen auf Matrixwerkstoff-, b) mehr als 15 bis 40 Vol.-% in den Matrixwerkstoff eingelagertem Zirkoniumdioxid, das c) als stabilisierende Oxide mehr als 10 bis 15 Mol% eines oder mehrerer der Oxide von Cer, Praseodym und Terbium und/oder 0,2 bis 3,5 Mol% Yttriumoxid, bezogen auf die Mischung aus Zirkoniumdioxid und stabilisierenden Oxiden enthält, wobei d) die Zugabemenge der stabilisierenden Oxide so gewählt ist, dass das Zirkoniumdioxid überwiegend in der tetragonalen Modifikation vorliegt und e) das molare Verhältnis zwischen dem die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxid und Chromoxid 100:1 bis 20:1 beträgt, f) sich die Anteile aller Komponenten zu 100 Vol.-% des Sinterformkörpers ergänzen, g) das Zirkoniumdioxid eine 2 μm nicht überschreitende Korngröße aufweist.
Schnittschablone nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis des die stabilisierenden Oxide enthaltenden Zirkoniumdioxids zu Chromoxid im Bereich von 2–5 Vol.-% Zirkoniumdioxid 1.000:1 bis 100:1 > 5–15 Vol.-% Zirkoniumdioxid 200:1 bis 40:1 > 15–30 Vol.-% Zirkoniumdioxid 100:1 bis 20:1 > 30–40 Vol.-% Zirkoniumdioxid 40:1 bis 20:1

liegt.
Schnittschablone nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nicht mehr als 30 Vol.-% Zirkoniumdioxid enthalten sind.
Schnittschablone nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumdioxid zu mindestens 95 Vol.-% die tetragonale Modifikation aufweist.
Schnittschablone nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumdioxid insgesamt zu 0 bis 5 Vol.-% in der kubischen und/oder monoklinen Modifikation vorliegt.
Schnittschablone nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Korngröße des Aluminiumoxid-/Chromoxid-Mischkristalls von 0,6 bis 1,5 μm beträgt.
Schnittschablone nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Zirkoniumdioxids zwischen 0,2 und 1,5 μm liegt.
Schnittschablone nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nicht mehr als 0,5 Vol.-% unvermeidbare Verunreinigungen, bezogen auf den Sinterformkörper enthalten sind.
Schnittschablone nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte nach Vickers [Hv 0,5] > 1.800 ist.
Schnittschablone mit einem Matrixwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff mindestens eines der Platelets gemäß einer der allgemeinen Formeln SrAl_12-xCr_xO₁₉, La_0,9Al_11,76-xCr_xO₁₉, Me¹Al₁₁O₁₇, Me²Al₁₂O₁₉, Me^2'Al₁₂O₁₉ und/oder Me³Al₁₂O₁₈ enthält, wobei Me¹ für ein Alkalimetall, Me² für ein Erdalkalimetall, Me^2' für Cadmium, Blei oder Quecksilber und Me³ für ein Seltenerdmetall steht und der Matrixwerkstoff tetragonal stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Schnittschablone gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung, die Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Chromoxid, tetragonales Zirkoniumoxid stabilisierende Oxide und mindestens ein Oxid ausgewählt aus Strontiumoxid, Alkalioxiden, Erdalkalioxiden, CdO, PbO, HgO, Seltenerdoxiden und/oder La₂O₃ enthält, gemahlen, der gemahlenen Mischung ein temporäres Bindemittel zugegeben, diese Mischung sprühgetrocknet wird, aus dieser Mischung Grünkörper gepresst werden und diese unter Standardbedingungen gesintert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper auf eine Dichte von 90–95% drucklos vorgesintert wird und anschließend einer heißisostatischen Nachverdichtung unterzogen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Schnittschablone gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung, die Aluminiumoxid, Chromoxid, tetragonales Zirkoniumoxid, gegebenenfalls stabilisierende Oxide und mindestens ein Oxid ausgewählt aus Strontiumoxid, Alkalioxiden, Erdalkalioxiden, CdO, PbO, HgO, Seltenerdoxiden und/oder La₂O₃ enthält, in wässriger Suspension mit einem Feststoffgehalt von mehr als 50 Vol.-% bei Einhaltung eines pH-Wertes von 4 bis 4,5 gemahlen wird, anschließend mit Harnstoff und Uresse versetzt wird, in eine Form abgegossen wird und nach einer sich anschließenden Koagulation entformt und gesintert bzw. vorgesintert und heißisostatisch nachverdichtet wird.
Verwendung der Schnittschablone nach einem der Ansprüche 1 bis 18 in der Medizintechnik, insbesondere bei Operationen zur Bearbeitung eines Knochens.
Verwendung der Schnittschablone nach einem der Ansprüche 1 bis 18 bei einer Knie-TEP-Implantation.