DE102013103847A1

DE102013103847A1 - Chirurgisch-Orthopädische Implantate, Hergestellt aus verschleissfesten Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen

Info

Publication number: DE102013103847A1
Application number: DE102013103847A
Authority: DE
Inventors: Matthew Yao; Rachel Collier; Danie DeWet
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-11-07
Also published as: GB201307837D0; GB2504372A; GB2504372B; US20130297037A1; US9078753B2

Abstract

Eine chirurgische Implantatskomponente, die einen Implantatskomponentenkörper umfasst, der aus einer Legierung hergestellt ist, welche etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 0,35 bis etwa 3,5 Gew-% C, etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co und zufällige Verunreinigungen umfasst. Die Legierung der Implantatskomponente hat ein Atomprozentverhältnis von (Cr + Mo + Nb)/Co von mindestens 0,59, eine metallurgische Matrix-Mikrostruktur von etwa 45 Vol-% bis etwa 85 Vol-% kubisch flächenzentrierter Struktur und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% hexagonaler, dichtest gepackter Struktur und eine Rockwell C-Härte von mehr als 35. Ein Verfahren zum Herstellen eines chirurgischen Implantatskomponentenkörpers für ein chirurgisches Implantat durch ein Herstellungsverfahren, das aus der Gruppe bestehend aus Gießen, Schmieden und pulvermetallurgischem Pressen plus Sintern ausgewählt wird, aus einer Legierung.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft chirurgisch-orthopädische Implantate, bei denen eine erhöhte Verschleißfestigkeit gefordert wird.
STAND DER TECHNIK
Eine Kobalt-Chrom-Molybdän(Co-Cr-Mo)-Metalllegierung, die durch ASTM F75 spezifiziert wird, wird häufig für chirurgische Implantate verwendet, wie zum Beispiel für prothetische Knie, Hüften, Schultern, Ellbogen, Handgelenke, Knöchel, Finger, Zehen und Wirbelsäulenelemente, wegen der Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität der Legierung. Diese Co-Cr-Mo-Legierung hat eine größere Verschleißfestigkeit als rostfreie Stähle und Titanlegierungen. Die Nennzusammensetzung der Legierung F75 ist 27,00 bis 30,00 % Cr, 5,00 bis 7,00 % Mo, 0,35 % C maximal, 1,0 % Si maximal, 0,50 % Ni maximal, mit einem Restbetrag von Co und anderen unvermeidbaren Spurenelementen und Verunreinigungen. Alle Prozentwerte hierin sind Gewichtsprozente, falls nicht anders angegeben.
Die am häufigsten verwendeten Materialien im Reibungspaar von Endoprothesen umfassen Metall-auf-UHMWPE (UHMWPE-Polyethylen von ultrahohem Molekulargewicht) (etwa 85 %), Keramik-auf-UHMWPE (7,2 %), Metall-auf-Metall (5,3 %) und Keramik-auf-Keramik (2,5 %). Viele Faktoren beeinflussen die Verschleißraten von Materialpaarungen. Diese Faktoren umfassen die Art von
Materialien, Kontaktspannungen, Oberflächenhärte, Oberflächenrauheit, Art des Gelenks aufgrund der Bewegung, Anzahl der Zyklen, Zahl und Verteilung der Lösungsteilchen, Oxidation von Materialien und Oberflächenabrasion von Metall- und Polyethylen-Feststoffen.
Wenn die Gelenkflächen von orthopädischen Implantaten verschleißen und korrodieren, werden Produkte einschließlich Kunststoffverschleißtrümmer, Metallverschleißtrümmer und Metallionen in den Körper freigegeben, zu Knochen, Blut, Lymphgewebe und anderen Organsystemen transportiert und von denselben absorbiert. Es ist gezeigt worden, dass die Polyethylenverschleißteilchen langzeitlichen Knochenverlust und Lockerung des Implantats bewirken. Und sogar sehr niedrige Konzentrationen von Metallverschleißteilchen und Metallionen werden verdächtigt, unerwünschte toxische, entzündliche und immunologische Gewebsreaktionen zu verursachen.
Obwohl die ASTM F75 Co-Cr-Mo-Legierung vom Körper relativ gut toleriert wird, können biologische Komplikationen auftreten, die manchmal auf die unzureichende Verschleißfestigkeit der Legierung und die Anwesenheit der nanogroßen Metallteilchen aus Verschleißtrümmern der Metall-auf-Metall- oder Metall-auf-UHMWPE-Gelenkverbindungen zurückzuführen sind. Obwohl die ASTM F75-Legierung in Mengenform biokompatibel ist, verursacht sie schwere Entzündungsreaktionen, wenn nanogroße Teilchen von Gewebezellen absorbiert werden, was potenziell Metallose und Gewebstod verursacht. Die einzige Lösung für das Metall-auf-Metall-Problem ist es, die Menge der Verschleißtrümmer zu reduzieren. Daher besteht ein Bedarf an nichttoxischer, nicht allergener und biokompatibler Co-Cr-Mo-Legierung mit verbesserter Verschleißfestigkeit gegenüber ASTM F75.
Eine Metallallergie ist eine unerwünschte Reaktion auf die Metallionen, die aus einer Legierung durch die Wirkung von Schweiß und anderen Körperflüssigkeiten freigesetzt werden. In der Zahnheilkunde sind Co, Cr und Ni in Verbindung mit Metallallergie gebracht worden, und die Verwendung von Ni wird sehr schnell aufgegeben. M. Niinomi: Function Mater., 2000, Bd. 20, S. 36–44, berichtet über Metallallergieraten für Hg, Ni, Co, Sn, Pd, Cr, Cu, Pt, Zn, Au, Cd und Sb.
Die Wirkungen von Metallionen, die aus orthopädischen Implantaten freigesetzt werden, auf in der Nähe gelegene Knochenzellen bleiben zum großen Teil unbekannt. Das Problem ist in erster Linie das Absterben von Muskelgewebe aus den Wirkungen von Metallionen, was zu Knochenverlust führt. David A. Puleo, Winston W. Huh, Acute toxicity of metal ions in cultures of osteogenic cells derived from bone marrow stromal cells, Journal of Applied Biomaterials, Band 6, Ausgabe 2, S. 109–116, Sommer 1995, zeigten, dass Cr⁶⁺ stark zytotoxisch war; Co²⁺, Mo⁶⁺, Fe³⁺ und Ni²⁺ mäßig zytotoxisch waren und Ti⁴⁺, Al³⁺, V⁵⁺ und Mn²⁺ minimal toxisch waren. Ionenlösungen, die Co-Cr-Mo und 316L rostfreien Stahl repräsentieren, waren mäßig toxisch; Lösungen, die Ti-6Al-4V repräsentieren, waren nur bei den höchsten verwendeten Konzentrationen toxisch. Diese Ergebnisse zeigen, dass Metallionen, die mit Co-Cr-Mo und 316L rostfreiem Stahl verbunden sind, für osteogene Zellen bei Konzentrationen toxisch sind, die denen in der Fasermembran angenähert waren, welche die orthopädischen Implantate einkapselt.
In einer weiteren Studie, G. C. F. Clark und D. F. Williams, The effects of proteins on metallic corrosion, Journal of Biomedical Materials Research, Bd. 16, 125–134 (1982)), wurde die Korrosion der reinen Metalle Al, Co, Cu, Cr, Mo, Ni und Ti und einer Co-Cr-Mo-Gusslegierung in gepufferter Salzlösung mit und ohne Anwesenheit der Proteine Serumalbumin und Fibrinogen untersucht. Die Korrosion von Al und Ti war nicht durch das Protein beeinträchtigt. Die Korrosionsraten von Cr und Ni zeigten eine leichte Erhöhung, während Co und Cu sich in einem viel größeren Umfang in Gegenwart des Proteins auflösten. Das Mo zeigte Beständigkeit gegen Korrosion durch das Protein.
Pypen et al., Comparison of the cytotoxicity of molybdenum as powder and as alloying element in a niobium-molybdenum alloy, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 9 (1998) 761–765), berichteten über die Zytotoxizität des dicht gepackten Nb-Metalls und der Nb-Mo-Legierungen auf der Grundlage eines 72-stündigen direkten Kontakttests. Verglichen mit einer negativen Kontrolle (UHMWPE), war Mo mäßig toxisch und Nb und Nb-Mo-Legierungen waren nicht toxisch.
Kennedy et al. US Pat. 7,520,947 offenbart Kaltverfestigung des kohlenstoffarmen medizinischen Implantats vom Typ F75 durch Kaltbearbeitung, wie zum Beispiel durch Ziehen, gefolgt von Alterung, oder anderenfalls zum Verleihen von Verschleißfestigkeit. Für geschmiedete Formen besteht ein Nachteil darin, dass diese wesentliche maschinelle Bearbeitung der kaltverfestigten geschmiedeten Form benötigt wird, um die endgültige Produktform zu erreichen, was in Anbetracht der Kaltverfestigung besonders schwierig und teuer ist. Für Komponenten, die durch Pulvermetallurgie oder Gießen erzeugt wurden, führt die Komplexität der Form zur wesentlichen Komplizierung und macht in vielen Fällen den größten Teil der Kaltverfestigung unbrauchbar.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt, betrifft daher die Erfindung eine chirurgische Implantatskomponente eines/einer Knies, Hüfte, Schulter, Ellbogens, Handgelenks, Knöchels, Fingers, Zehen oder der Wirbelsäule, wobei die Implantatskomponente einen Implantatskomponentenkörper umfasst, der aus einer Legierung hergestellt wird, die etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 0,35 bis etwa 3,5 Gew-% C und etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co umfasst; wobei die Legierung ein Atomprozentverhältnis von (Cr + Mo + Nb)/Co von mindestens 0,59 hat; und wobei der Implantatskörper eine metallurgische Mikrostruktur hat, die etwa 45 Vol-% bis etwa 85 Vol-% kubisch flächenzentrierte Struktur und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% hexagonale, dichtest gepackte Struktur hat.
In einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines chirurgischen Implantatskomponentenkörpers für ein chirurgisches Implantat, welches das Formen des chirurgischen Implantatskomponentenkörpers durch ein Herstellungsverfahren umfasst, welches aus der Gruppe bestehend aus Gießen, Schmieden und pulvermetallurgischem Pressen plus Sintern aus einer Legierung ausgewählt wird, die etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 0,35 bis etwa 3,5 Gew-% C und etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co umfasst; wobei die Legierung ein Atomprozentverhältnis von (Cr + Mo + Nb)/Co von mindestens 0,59 hat; und jegliche Kaltumformung durch Walzen, Ziehen, Pressen, Verfestigungsstrahlen oder Laserstrahlverfestigung ausschließt.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 und 2 sind grafische Erläuterungen, die die Niveaus der Zytotoxizität zeigen.
3 bis 6 sind grafische Erläuterungen der relativen Verschleißfestigkeit.
7 bis 13 sind Fotos der chirurgischen Implantatskomponenten.
14 bis 16 zeigen Röntgenbeugungsmuster für Legierungen, die in den Beispielen beschrieben werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist eine Co-Cr-Mo-Komponente eines orthopädischen Implantats mit Biokompatibilität und verbesserter Verschleißfestigkeit, um die Freigabe von Metallionen in den Wirt zu reduzieren. Das orthopädische Implantat ist eines für Knie, Hüften, Schultern, Ellbogen, Handgelenke, Knöchel, Finger, Zehen oder Wirbelsäulenelemente.
Die Erfindung beruht auf einer Entdeckung, dass Legierungen, die mehr Cr, mehr Mo und weniger Co enthalten, notwendig sind, um nichttoxische, nicht allergene und biokompatible Implantate mit verbesserter Verschleißfestigkeit herzustellen im Vergleich zu aktuellen Implantaten, die aus der ASTM F75-Legierung hergestellt werden. Insbesondere ist entdeckt worden, dass sich bei einem höheren Verhältnis von Cr+Mo+Nb zu Co in Kombination mit einem höheren C-Gehalt im Vergleich zu der aktuellen Implantatslegierung im Wesentlichen überraschend andere Kristallstrukturkennwerte ergeben. Sie verbessert auch die Härte und Verschleißfestigkeit, die kritisch für die Wirksamkeit des Implantats und seine langfristige Sicherheit in der Umgebung sind, einschließlich Verschleiß und Auflösung von Fluiden im Wirt. Die Implantate der Erfindung werden daher aus einer Co-Cr-Mo-Legierung hergestellt, die ein (Cr + Mo + Nb)/Co-Verhältnis in Atomprozent von mindestens 0,59 hat.
Chrom verbessert die Verschleißfestigkeit aufgrund von Kaltverfestigung und der Bildung von Chromkarbiden. Chrom bildet einen stabilen Chromoxid-Schutzfilm auf der Legierungsoberfläche bei hohen Temperaturen, wobei der Schutzfilm zur Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit beiträgt. Damit Cr diesen Effekt in der aktuellen Formulierung erzeugen kann, ist es notwendig, dass die Menge an Cr mindestens 17 Gew-% beträgt. Eine übergroße Menge von mehr als 35 Gew-% ist jedoch nicht erwünscht, weil sie bewirkt, dass eine schädliche Phase ausfällt, wodurch die Legierung spröde wird. Um diese negativen Effekte sicher zu vermeiden, wird die Erfindung so formuliert, dass sie einen Cr-Gehalt im Bereich von etwa 23 bis etwa 33 Gew-% hat. Diese ausdrückliche Anforderung an den Cr-Gehalt ist unabhängig von der Anforderung, die oben in Bezug auf das Verhältnis (Cr + Mo)/Co angeführt wird. Mit anderen Worten, liegt ein Implantat, das die Verhältnisanforderung von >0,59 erfüllt, aber nicht mindestens etwa 23 Gew-% Cr hat, nicht im Geltungsbereich der Erfindung.
Molybdän fördert die Kaltverfestigung, verbessert die Verschleißfestigkeit und erhöhte Hochtemperaturfestigkeit durch Stärkung des Mischkristalls. Molybdän kann vorzugsweise in der Erfindung allein zu diesem Zweck verwendet werden. Alternativ kann Mo durch Nb, W und/oder Ta zur Stärkung des Mischkristalls ergänzt werden. Die Verschleißfestigkeit dieser Legierungen auf Kobaltbasis steht irgendwie in Beziehung zu der niedrigen Stapelfehlerenergie dieser austenitischen Materialien. Molybdän allein erzeugt nicht den gewünschten Effekt, wenn es in einer Menge von 5 Gew-% oder darunter zugesetzt wird, oder bildet eine schädliche Phase, wenn es in einer Menge von mehr als 20 Gew-% zugesetzt wird. Die vorliegende Erfindung verwendet daher Mo in einem Bereich von etwa 8 Gew-% bis etwa 20 Gew-%, vorzugsweise von 10 bis 20 Gew-%. Diese ausdrückliche Anforderung an den Mo-Gehalt ist unabhängig von der Anforderung, die oben in Bezug auf das Verhältnis (Cr + Mo)/Co angeführt wird. Mit anderen Worten, liegt ein Implantat, das die Verhältnisanforderung von >0,59 erfüllt, aber nicht mindestens etwa 8 Gew-% Mo hat, nicht im Geltungsbereich der Erfindung.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung enthält das optionale Element Nb. Niob ist schlechter löslich als Mo in der Kobaltmatrix. Außerdem bildet Nb eine schädliche Phase, wenn es in einer Menge von mehr als 5 Gew-% zugesetzt wird. Wenn Nb verwendet wird, wird es daher in einer Konzentration von bis zu 2,5 Gew-%, vorzugsweise zwischen 1,8 und 2,2 Gew-% in bestimmten Ausführungsformen eingebaut.
Mangan erhöht die Stapelfehlerenergie (SFE) in den Legierungen der Erfindung und wirkt als Desoxidationsmittel beim Schmelzen und Gießen der Legierung, wodurch die Herstellbarkeit verbessert wird. Mangan von 0,02 Gew-% oder darunter erzeugt nicht den gewünschten Effekt, und Mangan von mehr als 1,5 Gew-% beeinflusst die Duktilität des sich ergebenden Materials negativ. Mangan wird daher in diese Legierungen in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% aufgenommen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 0,2 und 1 Gew-%.
Silizium reduziert die Stapelfehlerenergie (SFE) in den Legierungen der Erfindung, trägt zur Kaltverfestigung bei und senkt den Schmelzpunkt des sich ergebenden Materials, wodurch die Herstellbarkeit verbessert wird. Silizium von 0,02 Gew-% oder darunter erzeugt nicht den gewünschten Effekt, und Silizium von mehr als 1,5 Gew-% beeinflusst die Duktilität des sich ergebenden Materials negativ. Silizium wird daher in diese Legierungen in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% aufgenommen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 0,2 und 1 Gew-%.
Ein wesentlicher Unterschied im Vergleich zur vorherigen F75-Implantatslegierung ist die Anforderung einer höheren C-Konzentration. Während der maximale C-Gehalt, der bei F75 zugelassen ist, 0,35 Gew-% betragen hat, fordert die vorliegende Erfindung mehr als 0,35 Gew-% und in bevorzugten Ausführungsformen zwischen 1,5 und 3,5 Gew-%. Dieser höhere C-Gehalt in Kombination mit einem höheren Mo-Gehalt (und optional Nb) zusammen mit dem Cr erhöht die Festigung des Mischkristalls und ergibt eine stärkere Karbidbildung, die Härte und Verschleißfestigkeit erhöht. Tatsächlich ist die Wirkung von C als Verstärker des Mischkristalls 100-mal größer als die von Ni.
Die Implantatskomponenten der Erfindung erfordern auch, dass die Co-Konzentration strikt unter 60 Gew-% gehalten wird, d.h. zwischen 40 und 60 Gew-%. Eine Co-Konzentration von mehr als 60 Gew-% wird vermieden, da gezeigt wurde, dass reines Kobalt zytotoxisch ist.
Die Legierung, aus der die Implantatskomponenten gebildet werden, kann auch kleine Mengen anderer unvermeidlicher Spurenelemente und Verunreinigungen enthalten, wobei die Gesamtkonzentration derselben weniger als etwa 4 Gew-%, vorzugsweise weniger als etwa 2 Gew-% beträgt.
Die Implantatskomponenten der Erfindung werden durch Gießen, Pulvermetallurgie, Schmieden oder andere Herstellungsprozesse gebildet, die im Fachgebiet bekanntermaßen als geeignet für Legierungen auf der Basis von Kobalt gelten.

Beispiele für Legierungen, die zum Formulieren der Implantate der Erfindung (703, 701, 704, 720, 790 und 712; und 22 und 28) verwendet werden, im chemischen Vergleich zu der aktuell verwendeten Implantatslegierung F75, in T401, T100, in reines Co und in Keramik sind folgende:

Material	Co	Cr	Mo	C	Fe	Ni	Si	Mn	Nb
703	53,2	30,5	12	2,30	0,5	0,5	0,5	0,5
701	51	31,5	13	2,50	0,5	0,5	0,5	0,5
704	53,05	30	14	0,95	0,5	0,5	0,5	0,5
720	45,05	32,5	18	2,45	0,5	0,5	0,5	0,5
790	54,8	26	14	3,20	0,5	0,5	0,5	0,5
712	58,65	28,5	9	1,85	0,5	0,5	0,5	0,5

22	58,7	24	12	0,50	0,5	3.3	0,5	0,5
28	56,15	24	12	0,35	0,5	4,0	0,5	0,5	2

F75	63,75	28	6	0,25	0,5	0,5	0,5	0,5
T401	58,05	17	22	0,20	0,5	0,5	1,25	0,5
T100	58,7		32,5	0,08			8,8
Kobalt	100
Keramik

Der Vergleich des Atomprozentverhältnisses von (Cr + Mo + Nb)/Co und der Härte ergibt Folgendes:

Material	(Cr + Mo + Nb)/Co Atomprozentverhältnis	Härte HRC
703	0,79	54
701	0,86	51
704	0,80	47
720	1,06	56
790	0,69	60
712	0,65	48

22	0,59	38
28	0,64	38

F75	0,56	33
T401	0,56	48
T100	0,34	61
Kobalt	0
Keramik

Es wird also gezeigt, dass die Implantatskomponenten der Erfindung eine Härte von mehr als 35 und bis zu 60 HRC haben, wobei bestimmte Ausführungsformen eine Härte von mehr als 45 oder sogar mehr als 50 und bis zu 60 HRC haben.
Die Legierungen von Implantatskomponenten haben in einer Ausführungsform sehr strikt gesteuerte Verunreinigungen insofern, als die Ni-Konzentration strikt auf nicht mehr als 1 Gew-%, vorzugsweise nicht mehr als 0,7 Gew-%, eingestellt wird. Der Fe-Gehalt wird analog auf nicht mehr als 1 Gew-%, vorzugsweise nicht mehr als 0,7 Gew-% eingestellt. Diese Ausführungsformen manifestieren sich in den Implantatslegierungen der 700er Serie, die oben präsentiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ni-Gehalt sogar noch strikter auf weniger als 0,1 Gew-% geregelt.
Die Legierungen 22 und 28 unterscheiden sich von den erfindungsgemäßen Legierungen der 700er Serie darin, dass die 22er und 28er Legierungen viel weniger C enthalten (zwischen 0,2 und 0,8 Gew-%), viel mehr Ni im Bereich zwischen 3 und 4,5 Gew-% enthalten und im Fall der 28er Legierung Nb enthalten. Der wesentlich höhere Ni-Gehalt macht die 22er und 28er Legierungen in bestimmten Fällen ungeeignet.
Die Legierung der Implantatskomponenten, die in der Erfindung eingesetzt wird, "umfasst" allgemein die vorgenannten Komponenten insofern, als ihre Vorteile passend für die positiv angeführten Anforderungen an den Co-, Cr-, Mo-, Si- und Mo-Gehalt sind, bei Kombination mit dem geforderten Verhältnis von (Cr + Mo)/Co mikrostrukturellen Anforderungen.
Ein wesentlicher Aspekt der Implantate der Erfindung ist, dass ihre Matrixstruktur (abgesehen und getrennt von Karbiden) gemischt kubisch flächenzentriert (FCC) und hexagonal dichtest gepackt (HCP) ist und zwischen etwa 45 Vol-% und etwa 85 Vol-% FCC und zwischen etwa 15 Vol-% und etwa 55 Vol-% HCP beträgt. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Legierung zwischen 75 und 85 Vol-% FCC und zwischen 15 und 25 Vol-% HCP. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform enthält die Legierung zwischen 45 und 55 Vol-% jeweils von FCC und HCP. Der Vorteil dieser Mischstruktur ist, dass die Duktilität durch mehr als etwa 45 % FCC aufrechterhalten wird, während die Verschleißfestigkeit durch mehr als etwa 15 % HCP verliehen wird. Die Gesamtmikrostruktur enthält größenordnungsmäßig zwischen etwa 10 und 35 Gew-% Karbide. Zum Beispiel haben bestimmte Ausführungsformen zwischen 12 und 30 Gew-% Karbide.
Die Legierung der Implantatskomponenten, die in der Erfindung eingesetzt wird, "umfasst" allgemein die vorgenannten Komponenten insofern, als ihre Vorteile passend für die positiv angeführten Anforderungen an den Co-, Cr-, Mo-, Si- und Mo-Gehalt sind, bei Kombination mit dem geforderten Verhältnis von (Cr + Mo)/Co und mikrostrukturellen Anforderungen. Es gibt bestimmte Ausführungsformen innerhalb dieses allgemeinen Geltungsbereichs, wobei die Legierung "im Wesentlichen besteht aus" den positiv angeführten Legierungselementen und alle anderen Komponenten ausschließt, die die grundlegenden und die neuartigen Eigenschaften wesentlich beeinflussen, wobei die Eigenschaften hier die Rockwell-Härte und die geforderte gemischte FCC/HCP-Matrix-Mikrostruktur sind, die 10 bis 35 Gew-% Karbide enthält; und in jedem Fall alle anderen Komponenten in einer Konzentration von mehr als 5 Gew-% ausschließt. In anderen Ausführungsformen "besteht" die Legierung aus diesen Zusammensetzungsanforderungen insofern, als andere nicht angeführte Komponenten strikt ausgeschlossen sind.
Die Implantatskomponente der Erfindung hat den wesentlichen Vorteil, dass sie durch einfaches Schmieden, Gießen, pulvermetallurgisches Pressen plus Sintern oder andere Verfahren hergestellt wird, ohne wesentliche Kaltverfestigung außer der passiven Kaltverfestigung, die während der Abkühlung auftritt. Das heißt, es gibt keine aktive Kaltverfestigung. Zum Beispiel gibt es keine Kaltverformung durch Walzen, Ziehen, Pressen, Verfestigungsstrahlen und/oder Laserstrahlverfestigung. Der Begriff "aktive Kaltverfestigung", wie hierin verwendet, schließt die passive Kaltverfestigung aus, die auftritt, wenn sich die Legierung von ihrer Bildungstemperatur (Bildungstemperatur der Implantatskomponente) aus auf Raumtemperatur abkühlt. Der Begriff "aktive Kaltverfestigung" bezieht sich auf Verfahren der Kaltverfestigung, die andere Arbeitsgänge einsetzen als Abkühlen, wie zum Beispiel Kaltverformungsprozesse einschließlich Walzen, Ziehen, Pressen, Verfestigungsstrahlen und Laserstrahlverfestigung. "Aktive Kaltverfestigung" umfasst auch Alterungsprozesse, die Komponenten- oder Begleitoperationen vieler Kaltverformungsverfahren sind. Ein Vorteil dieser Erfindung ist es daher, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform die einzige Kaltverfestigung, die der Komponente verliehen wird, die passive Kaltverfestigung ist und dass die Komponente kaltverformungsfrei ist und vorzugsweise frei von aktiver Kaltverfestigung.
Beispiel I
Die Biokompatibilität und Zytotoxizität der Implantate der Erfindung wurden durch Untersuchen von teilcheninduzierter Entzündung unter Verwendung eines in vitro-Modells mit Makrophagenzelllinien nach ISO 10993 getestet. Kobalt- und Keramiknanoteilchen wurden als Referenzpunkte verwendet. Die Lebensfähigkeit der Zellen als Reaktion auf die Metallteilchen wurde als Absorptionsgrad bei der Wellenlänge von 620 nm gemessen. Die Ergebnisse werden in 1 dargestellt. Legierung T100 und reines Kobalt zeigten starke Zeichen von Zytotoxizität. Die Legierungen 720 und T401 zeigten keine Zytotoxizität und verhielten sich ähnlich wie die Legierung ASTM F75 und die (inerten) Keramikproben.
Beispiel II
Grobe und feine Metallteilchen der Legierung 720 wurden auf Zytotoxizität getestet und mit groben und feinen Teilchen von T100 und T401 verglichen. Die Ergebnisse werden in 2 dargestellt. Die Kennzeichnung "L" ist für größere Teilchen, die im Wesentlichen Bruchstücke sind, während "S" kleinere Teilchen bezeichnet, die im Wesentlichen Staub sind.
Beispiel III
Tests der Metall-auf-Metall-Verschleißfestigkeit wurden unter Verwendung von ASTM F75-Stiften gegen Scheiben, die aus ASTM F75, T401 und 720 hergestellt waren, gemäß der ASTM G99-Stift-auf-Scheibe-Verschleißtestnorm ausgeführt. Die Ergebnisse werden in 3 gezeigt. ASTM F75 zeigte zehnmal mehr Verschleiß als die 720er Scheibe. Auch Metall-auf-Metall-Tests für dasselbe Material wurden für ASTM F75, T401 und 720 ausgeführt. Die Ergebnisse werden in 4 gezeigt. Das ASTM F75-Paar zeigte achtmal mehr Verschleiß als das Stellite 720-Paar.
Beispiel IV
Ein Stift-auf-Platten-Test wurde in einer Kammer mit alpha-Kalbsserumlösung (Protein 12 g/l) mit hin und her gehender und Querbewegung ausgeführt. Zwei Verschleißteststände wurden mit unterschiedlichen Lasten und Kontaktspannung verwendet. Der Test an einer speziell erstellten Vorrichtung erfolgte unter einer Eigenlast von 9,81 N und bei etwa 28 °C. Die Ergebnisse werden in 5 gezeigt. Die zwei Linien für F75 und 720 repräsentieren wiederholte Tests. Die Einheiten auf der x-Achse sind Millionen Zyklen. Der Test am OrthoPod-Versuchsstand wurde unter pneumatischer Last von 80 N und bei etwa 37 °C ausgeführt. Die Ergebnisse werden in 6 gezeigt, die drei wiederholte Tests für F75 (Linien F1, F2 und F3) und drei wiederholte Tests für 720 (S1, S2 und S3) zeigt.
Beispiel V
7 ist ein Foto einer Tibiaplattenimplantatskomponente. 8 zeigt eine Knieimplantatskomponente. 9 zeigt eine Tibiaplattenimplantatskomponente. 10 zeigt eine Knieimplantatskomponente. 11 zeigt eine Kopfimplantatskomponente. 12 und 13 zeigen Kopfschalenimplantatskomponenten von Hüften.
Beispiel VI
Die Röntgenbeugungsmuster von 14 wurden für die Legierungen von Implantatskomponenten erzeugt, die oben als 720 (Probe H1) und 712 (Probe H2) beschrieben werden. Diese Muster zeigen, dass die Implantatskomponentenlegierung 720 zu je etwa 50 Vol-% FCC und HCP hat. Die Implantatskomponentenlegierung 712 besteht aus etwa 20 Vol-% HCP und 80 Vol-% FCC.
Zum Vergleich zeigt 15 Röntgenbeugungsmuster einer Co-27Cr-5Mo-0,05C-Legierung mit geringerem C-, geringerem Mo-Gehalt mit hauptsächlich FCC vor und nach Homogenisierung (Alterung). Die durchgehende Linie ist die Legierung, wie sie gebildet wurde; die gestrichelte Linie ist nach der Homogenisierung bei 1150 °C über 30 Minuten plus Wasserabschreckung. Figur 16 zeigt Röntgenbeugungsmuster von Co–27Cr–5Mo–0,23C wie geliefert, die nach einer Lösungsbehandlung (15 min bei 1150 °C, gefolgt von Wasserabschreckung) erhalten wurden, die hauptsächlich FCC zeigen; und dieselbe Legierung nach isothermer Alterung (12 Stunden bei 850 °C), bei der ein Teil HCP gebildet wird.
Wenn Elemente von Erscheinungsformen der Erfindung oder die Ausführungsformen derselben eingeführt werden, sollen die Artikel "ein", "der, die oder das" bedeuten, dass es ein oder mehrere Elemente gibt. Die Begriffe "umfassend", "einschließlich" und "haben" sollen inklusiv sein und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente geben kann, die von den angeführten Elementen verschieden sind.
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist zu sehen, dass mehrere Vorteile der Erfindung erreicht werden und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.
Die obige Beschreibung erläutert die Erfindung durch Beispiele und nicht durch Einschränkung. Diese Beschreibung ermöglicht es einem Fachmann auf diesem Gebiet klar, die Erfindung zu realisieren und zu nutzen, und beschreibt mehrere Ausführungsformen, Anpassungen, Variationen, Alternativen und Verwendungen der Erfindung, einschließlich dessen, was aktuell als bester Modus zum Ausführen der Erfindung angesehen wird. Außerdem versteht es sich, dass die Erfindung nicht in ihrer Anwendung auf die Details der Konstruktion und die Anordnung von Komponenten beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen illustriert werden. Die Erfindung kann in anderen Ausführungsformen realisiert werden und kann auf verschiedene Weise angewendet oder ausgeführt werden. Es versteht sich auch, dass die Ausdrucksweise und Terminologie, die hierin verwendet werden, dem Zweck der Beschreibung dient und nicht als Beschränkung angesehen werden darf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7520947 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM F75 [0002]
ASTM F75 [0006]
M. Niinomi: Function Mater., 2000, Bd. 20, S. 36–44 [0007]
David A. Puleo, Winston W. Huh, Acute toxicity of metal ions in cultures of osteogenic cells derived from bone marrow stromal cells, Journal of Applied Biomaterials, Band 6, Ausgabe 2, S. 109–116, Sommer 1995 [0008]
G. C. F. Clark und D. F. Williams, The effects of proteins on metallic corrosion, Journal of Biomedical Materials Research, Bd. 16, 125–134 (1982) [0009]
Journal of Materials Science: Materials in Medicine 9 (1998) 761–765) [0010]
ASTM F75-Legierung [0019]
ISO 10993 [0038]
ASTM F75 [0038]
ASTM F75-Stiften [0040]
ASTM F75, T401 und 720 [0040]
ASTM G99-Stift-auf-Scheibe-Verschleißtestnorm [0040]
ASTM F75 [0040]
ASTM F75, T401 und 720 [0040]
ASTM F75-Paar [0040]

Claims

Chirurgische Implantatskomponente, umfassend: einen Implantatskomponentenkörper, der aus einer Legierung hergestellt ist, umfassend: etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 0,35 bis etwa 3,5 Gew-% C, etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co, und zufällige Verunreinigungen, wobei die Legierung ein Atomprozentverhältnis von (Cr + Mo + Nb)/Co von mindestens 0,59 hat; wobei der Implantatskomponentenkörper eine metallurgische Matrix-Mikrostruktur hat, die etwa 45 Vol-% bis etwa 85 Vol-% kubisch flächenzentrierte Struktur und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% hexagonale, dichtest gepackte Struktur umfasst; und wobei der Implantatskomponentenkörper eine Rockwell C-Härte von mehr als 35 hat.
Chirurgische Implantatskomponente nach Anspruch 1, wobei die Implantatskomponente eine Komponente eines Implantats zur Reparatur oder Auswechselung einer Komponente eines/einer Knies, Hüfte, Schulter, Ellbogens, Handgelenks, Knöchels, Fingers, Zehs oder der Wirbelsäule ist.
Chirurgische Komponente nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung etwa 1,5 bis 3,5 Gew-% C umfasst.
Chirurgische Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei alles vorhandene Ni und Fe strikt auf nicht mehr als 1 Gew-% für jedes Element geregelt wird.
Chirurgische Komponente nach Anspruch 4, wobei alles vorhandene Ni und Fe strikt auf nicht mehr als 0,7 Gew-% für jedes Element geregelt wird.
Chirurgische Implantatskomponente nach Anspruch 1, umfassend: den Implantatskomponentenkörper, der aus der Legierung hergestellt ist, wobei die Legierung im Wesentlichen aus Folgendem besteht: etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 1,5 bis etwa 3,5 Gew-% C, etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co, und zufällige Verunreinigungen, die insgesamt nicht mehr als 4 Gew-% ausmachen, einschließlich nicht mehr als 1 Gew-% Fe und nicht mehr als 1 Gew-% Ni, wobei der Implantatskörper etwa 10 bis etwa 35 Gew-% Karbide in der metallurgischen Matrix-Mikrostruktur hat, die zwischen etwa 45 Vol-% und etwa 85 Vol-% der kubisch flächenzentrierten Struktur hat und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% der hexagonalen, dichtest gepackten Struktur hat; wobei der Implantatskomponentenkörper eine Rockwell C-Härte zwischen 45 und 60 hat.
Chirurgische Implantatskomponente nach Anspruch 1, umfassend: den Implantatskomponentenkörper, der aus der Legierung hergestellt ist, wobei die Legierung Folgendes umfasst: etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 1,5 bis etwa 3,5 Gew-% C, etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co, und zufällige Verunreinigungen, die insgesamt nicht mehr als 4 Gew-% ausmachen, einschließlich nicht mehr als 1 Gew-% Fe und nicht mehr als 1 Gew-% Ni, wobei die Legierung ein Atomprozentverhältnis von (Cr + Mo + Nb)/Co von mindestens 0,59 hat; wobei der Implantatskörper etwa 10 bis etwa 35 Gew-% Karbide in der metallurgischen Matrix-Mikrostruktur hat, die zwischen etwa 45 Vol-% und etwa 85 Vol-% der kubisch flächenzentrierten Struktur hat und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% der hexagonalen, dichtest gepackten Struktur hat; wobei der Implantatskomponentenkörper einer aus der Gruppe ist, die aus geschmiedet, gegossen oder pulvermetallurgisch hergestellt besteht; wobei der Implantatskomponentenkörper ausschließlich durch Kühlen von der Bildungstemperatur kaltverfestigt ist und kaltverformungsfrei ist; wobei der Implantatskomponentenkörper eine Rockwell C-Härte zwischen 45 und 60 hat.
Chirurgische Implantatskomponente nach Anspruch 7, wobei der Implantatskomponentenkörper frei von aktiver Kaltverfestigung ist.
Chirurgische Implantatskomponente nach Anspruch 7, wobei die Legierung im Wesentlichen aus Folgendem besteht: etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 1,5 bis etwa 3,5 Gew-% C, etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co, und zufälligen Verunreinigungen, die insgesamt nicht mehr als 4 Gew-% ausmachen, einschließlich nicht mehr als 1 Gew-% Fe und nicht mehr als 1 Gew-% Ni.
Chirurgische Implantatskomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Implantatskomponentenkörper eine Rockwell C-Härte von mehr als 45 bis 60 hat.
Chirurgische Implantatskomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die 0,2 bis 0,8 Gew-% C umfasst und ferner Ni im Bereich zwischen 3 und 4,5 Gew-% umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines chirurgischen Implantatskomponentenkörpers für ein chirurgisches Implantat, umfassend: Bilden des chirurgischen Implantatskomponentenkörpers durch ein Herstellungsverfahren, das aus der Gruppe bestehend aus Gießen, Schmieden und pulvermetallurgischem Pressen plus Sintern aus einer Legierung gewählt wird, welche Folgendes umfasst: etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 0,35 bis etwa 3,5 Gew-% C, etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co, und zufällige Verunreinigungen; Ausschließen jeglicher Kaltumformung durch Walzen, Ziehen, Pressen, Verfestigungsstrahlen oder Laserstrahlverfestigung; wobei die Legierung ein Atomprozentverhältnis von (Cr + Mo + Nb)/Co von mindestens 0,59 hat; wobei der Implantatskörper eine metallurgische Matrix-Mikrostruktur hat, die etwa 45 Vol-% bis etwa 85 Vol-% kubisch flächenzentrierte Struktur und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% hexagonale, dichtest gepackte Struktur hat.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren ferner Kaltverfestigung ausschließlich durch passive Kaltverfestigung durch Kühlen von einer Bildungstemperatur der Implantatskomponente aus umfasst und jegliche aktive Kaltverfestigung ausschließt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Legierung etwa 1,5 bis 3,5 Gew-% C umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei alles in der Legierung vorhandene Ni und Fe strikt auf nicht mehr als 1 Gew-% für jedes Element geregelt wird.
Chirurgische Implantatskomponente, die durch das Verfahren nach Anspruch 12 gebildet wird, wobei die Komponente Folgendes umfasst: den Implantatskomponentenkörper, der aus der Legierung hergestellt ist, welche Folgendes umfasst: etwa 23 bis etwa 33 Gew-% Cr, etwa 8 bis etwa 20 Gew-% Mo, etwa 0,05 bis etwa 1,5 Gew-% Si, etwa 0,35 bis etwa 3,5 Gew-% C, etwa 40 bis etwa 60 Gew-% Co, und zufällige Verunreinigungen, wobei die Legierung ein Atomprozentverhältnis von (Cr + Mo + Nb)/Co von mindestens 0,59 hat; wobei der Implantatskomponentenkörper eine metallurgische Matrix-Mikrostruktur hat, die etwa 45 Vol-% bis etwa 85 Vol-% kubisch flächenzentrierte Struktur und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% hexagonale, dichtest gepackte Struktur umfasst; und wobei der Implantatskomponentenkörper eine Rockwell C-Härte von mehr als 35 hat.
Chirurgische Implantatskomponente nach Anspruch 16, wobei die Implantatskomponente eine Komponente eines Implantats zur Reparatur oder Auswechselung einer Komponente eines/einer Knies, Hüfte, Schulter, Ellbogens, Handgelenks, Knöchels, Fingers, Zehs oder der Wirbelsäule ist.
Chirurgische Implantatskomponente nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Implantatskörper etwa 10 bis etwa 35 Gew-% Karbide in der metallurgischen Matrix-Mikrostruktur hat, die zwischen etwa 45 Vol-% und etwa 85 Vol-% der kubisch flächenzentrierten Struktur hat und etwa 15 Vol-% bis etwa 55 Vol-% der hexagonalen, dichtest gepackten Struktur hat.