DE102019219257A1

DE102019219257A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Implantats

Info

Publication number: DE102019219257A1
Application number: DE102019219257.2A
Authority: DE
Inventors: Alina Mager; Bernd Stuke; Malte Bickelhaupt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10
Also published as: WO2021115704A1

Abstract

Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Implantats (15) zur medizinischen Verwendung und Verbleib in einem lebenden Körper, wobei das Implantat (25) aus einem Material gefertigt ist, das für die medizinische Anwendung geeignet ist, unter Verwendung einer Wasserstrahlschneidvorrichtung (100) mit einer Düse (10), aus der das verdichtete Wasser unter Bildung eines Hochdruckwasserstrahls (14) austritt. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:- Zur Verfügung stellen eines Implantats (15), das zumindest in den Bereichen, die mit dem lebenden Gewebe in Kontakt kommen, eine glatte Oberfläche aufweist,- Bearbeiten zumindest eines Teils der geglätteten Oberfläche mit einem Hochdruckwasserstrahl (14), so dass die anfangs glatte Oberfläche aufgeraut wird, wobei die Düse (10) ein bewegliches Ventilelement (18) umfasst, das den Hochdruckwasserstrahl (14) abwechselnd unterbricht und freigibt, so dass der Hochdruckwasserstrahl (14) in einzelnen Wasserstrahlpulsen (23) auf die Oberfläche trifft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Implantats, wobei das Implantat dazu vorgesehen und geeignet ist, zu medizinischen Zwecken in einen lebenden Körper eingebracht zu werden und dort zu verbleiben.
Stand der Technik
Das Zerteilen oder Oberflächenbehandeln von Werkstücken, vorzugsweise von harten Werkstücken, mit Hilfe eines Hochdruckwasserstrahls ist aus der Technik seit langer Zeit bekannt. Dazu wird eine Flüssigkeit, meistens Wasser, unter sehr hohen Druck gesetzt, der einige tausend bar betragen kann, und über eine Düse ausgespritzt, so dass sich ein Hochdruckwasserstrahl bildet. Der Druck wird dabei in den Impuls des Hochdruckwasserstrahls umgesetzt, so dass mit dem Hochdruckwasserstrahl auch sehr harte Werkstücke zerschnitten werden können, wie beispielsweise solche aus Stahl oder Keramik. Ist der Wasserstrahl weniger intensiv, so kann damit auch die Oberfläche eines Körpers bearbeitet werden, beispielsweise um die Oberfläche zu reinigen oder um Bauteile zu entgraten.
Neben diesem sogenannten kontinuierlichen Wasserstrahlschneiden ist auch bekannt, den Wasserstrahl in einzelne Pulse aufzuteilen. Ein solches Verfahren ist beispielweise aus DE 10 2013 201 797 A1 bekannt. Dabei wird der Wasserstrahl über eine Düse ausgestoßen mit einem beweglichen Ventilelement ausgestoßen, welches durch seine Bewegung periodisch den Hochdruckwasserstrahl unterbricht. Dieses sogenannte gepulste Wasserstrahlschneiden hat bei bestimmten Anwendungen deutliche Vorteile gegenüber dem kontinuierlichen Hochdruck-Wasserstrahlschneiden. Zum einen wird weniger Wasser benötigt, so dass weniger Wasser verdichtet werden muss, was den Energiebedarf deutlich senkt. Zum anderen ist die Schneidwirkung durch die einzelnen Wasserstrahlpulse gegenüber einem kontinuierlichen Hochdruckwasserstrahl mit gleichem Druck erhöht, so dass die Bearbeitung mit geringerem Druck erfolgen kann, was den Energiebedarf weiter senkt.
Aus der EP 2 145 689 A1 ist ein Verfahren zur Wasserstrahlbearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks bekannt. Dabei kommt ein Hochdruckwasserstrahl zum Einsatz, der mit Hilfe eines Ultraschallgebers moduliert wird. Diese Modulierung unterteilt den Wasserstrahl in Abschnitte mit einer höheren oder niedrigeren Geschwindigkeit, also mit einem höheren oder niedrigeren Impuls, jedoch findet keine Unterbrechung des Wasserstrahls statt.
Bei medizinischen Implantaten, die in einen lebenden Körper eingesetzt werden um dort zu verbleiben, beispielsweise Zahnimplantate oder eine Hüftgelenksprothese, kommen sehr harte und dauerhafte Werkstoffe zum Einsatz. Diese Werkstoffe, insbesondere Metall oder Keramik, werden dabei in einen Knochen eingesetzt und mit der Zeit von lebendem Knochengewebe überwuchert. Dabei bildet sich eine feste Verbindung zwischen dem Knochen und dem Implantat, so dass dieses fest im Knochen des Patienten verankert wird. Damit dieses Anwachsen gut funktioniert, muss zum einen der richtige Werkstoff verwendet werden, wobei sich Titan als brauchbarer Werkstoff erwiesen hat. Zum anderen ist Voraussetzung, dass die Oberfläche des Implantats richtig präpariert ist, da eine zu glatte Oberfläche mit den lebenden Zellen nur schwer eine dauerhafte und belastbare Verbindung eingehen kann. Aus diesem Grund wird die Oberfläche solche Implantate aufgeraut, wobei die Aufrauhungen im Mikrometerbereich stattfinden. Dazu können die üblichen Techniken eingesetzt werden, wie beispielsweise Sandstrahlen oder Kugelstrahlen. Auch das Anätzen der Oberfläche ist möglich. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass beim Sandstrahlen einzelne Sandpartikel in der Oberfläche trotz anschließender Reinigung zurückbleiben können. Diese Sandpartikel können das Anwachsen des Implantats im Knochen erschweren oder im schlimmsten Fall zu Entzündungen führen. Auch das Anätzen der Oberfläche birgt die Gefahr, dass Spuren des Ätzmittels in der Oberfläche verbleiben und dort das Anwachsen des Implantats im Knochengewebe erschweren. Insbesondere beim Sandstrahlen ist auch die Herstellung einer gleichmäßigen Aufrauhung der Oberfläche nur schwer zu erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Implantats weist den Vorteil auf, dass eine gleichmäßige Aufrauhung und Vorbereitung des Implantats erreicht werden kann und ein optimales Anwachsen im lebenden Gewebe, insbesondere im Knochengewebe, ermöglicht wird. Dabei wird die Oberfläche des Implantats zu einer Verwendung einer Wasserstrahlschneidvorrichtung folgendermaßen behandelt. Das Implantat weist zumindest in den Bereichen, die mit dem lebenden Gewebe in Kontakt kommen sollen, eine glatte Oberfläche auf. Anschließend wird die Oberfläche mit einem Hochdruckwasserstrahl so bearbeitet, dass die anfangs glatte Oberfläche aufgeraut wird. Dabei umfasst die Wasserstrahlschneidvorrichtung eine Düse, über die der Hochdruckwasserstrahl ausgestoßen wird, wobei die Düse ein bewegliches Ventilelement aufweist, das den Hochdruckwasserstrahl periodisch unterbricht, so dass der Hochdruckwasserstrahl in einzelnen Strahlpulsen auf die Oberfläche trifft.
Die Bearbeitung der Oberfläche des Implantats mit Hilfe eines Hochdruckwasserstrahls hat den Vorteil, dass die Oberfläche frei von Stoffen ist, die das Anwachsen des Implantats im lebenden Körper behindert. So werden durch den Hochdruckwasserstrahl, der mit reinem Wasser erzeugt wird, keine Fremdstoffe eingebracht, insbesondere keine Partikel oder chemische Stoffe. Die Verwendung des gepulsten Wasserstrahls erlaubt eine präzise Bearbeitung der Oberfläche des Implantats in einem geringen Abstand, da einzelne Strahlpulse, also einzelne Tröpfchengruppen, auf die Oberfläche treffen und so präzise gesteuert Material aus der Oberfläche abtragen. Wegen des geringen Bearbeitungsabstandes kann damit die Oberfläche sehr präzise bearbeitet werden.
Bei Verwendung eines herkömmlichen kontinuierlichen Hochdruckwasserstrahls bilden sich zwar in großer Bearbeitungsentfernung ebenfalls einzelne Tröpfchen, die dann ähnlich einem gepulsten Wasserstrahl auf die Oberfläche treffen, jedoch muss der Abstand dann so groß gewählt werden, dass der Strahl in diesem Abstand eine starke Aufweitung erfährt mit entsprechend geringem Impuls und darüber hinaus die Steuerbarkeit des Strahls nicht mehr gegeben ist. Damit ist eine präzise Bearbeitung der Oberfläche nur schwer möglich. Dies ist auch dann von Nachteil, wenn auf die Oberfläche des Werkstücks nach der Bearbeitung eine Beschichtung aufgebracht werden soll, die dann zuverlässig auf dem Werkstück haften soll. Auch die Haftung einer solchen Beschichtung hängt davon ab, wie gleichmäßig die Aufrauhung des zugrundeliegenden Implantats vorgenommen wurde.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird für den Hochdruckwasserstrahl gereinigtes, steriles Wasser eingesetzt. Dieses Wasser schließt Verunreinigungen der Oberfläche oder die Einbringung von Partikeln in die Oberfläche aus, so dass das Implantat durch die Bearbeitung keine Nachteile in Bezug auf ihre Verträglichkeit bei medizinischen Anwendungen erfährt.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Hochdruckwasserstrahl in parallelen, sich nicht überlappenden Bewegungen über die Oberfläche des Werkstücks bewegt, so dass eine gleichmäßige Bearbeitung der Oberfläche erfolgt. Bei der Verwendung des gepulsten Hochdruckwasserstrahls kann eine sehr kurze Bearbeitungslänge eingehalten werden, so dass eine sehr präzise Führung des Hochdruckwasserstrahls über die Oberfläche ermöglicht wird. Da sich die einzelnen Bearbeitungsbereiche nicht überlappen, erfolgt so eine sehr gleichmäßige Aufrauhung der Oberfläche.
In Weiterbildung des Verfahrens wird der Abstand zwischen der Düse und der Oberfläche des Werkstücks, also der Bearbeitungsabstand, stets konstant gehalten, indem die Düse entsprechend bezüglich des Werkstücks bzw. des Implantats bewegt wird. Alternativ zum präzisen Einhalten eines bestimmten Bearbeitungsabstandes zwischen der Düse und der Oberfläche des Werkstücks kann auch der Druck des Hochdruckwasserstrahls oder die Pulsfrequenz so angepasst werden, dass die Oberfläche überall in gleicher Weise bearbeitet wird, auch dann, wenn der Bearbeitungsabstand sich während der Bearbeitung ändert. Da die Pulsfrequenz über ein elektromagnetisches oder piezoelektrisches Ventil gesteuert wird, kann diese sehr rasch angepasst werden, ohne dass die Bearbeitung dazu unterbrochen werden muss. Auch der Druck des Hochdruckwasserstrahls kann unproblematisch und schnell geändert werden, indem die Leistung der Hochdruckpumpe, die die Vorrichtung mit verdichtetem Wasser versorgt, reguliert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die einzelnen Hochdruckwasserstrahlpulse so getaktet, dass einzelne Bursts gebildet werden. Jeder Burst besteht dabei aus einer Vielzahl von Einspritzpulsen, wobei der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Bursts größer ist als der zeitliche Abstand der aufeinanderfolgenden Wasserstrahlpulse. Durch diese Aufteilung der einzelnen Wasserstrahlpulse in einzelne Bursts lässt sich die Bearbeitung weiter optimieren, je nachdem, welches Material das Werkstück aufweist und welche Aufrauhung in die Oberfläche eingebracht werden soll.
Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren bei einem Implantat durchführen, das aus Metall oder einer Metalllegierung gefertigt ist. Dabei ist das Verfahren insbesondere bei medizinischem Stahl oder Titan bzw. Titanlegierung anwendbar. Aber auch die Bearbeitung von Oberflächen keramischer Implantate ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
Figurenliste
In der Zeichnung sind verschiedene Illustrationen zum erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Es zeigt

1 den schematischen Aufbau einer Wasserstrahlschneidvorrichtung mit gepulsten Hochdruckwasserstrahlen,
2 eine vergrößerte Darstellung der Düse, die Teil der Wasserstrahlschneidvorrichtung ist im Längsschnitt,
3a den zeitlichen Verlauf des ausgestoßenen Wassers aus der Düse,
3b die ausgestoßene Wassermenge bei der Aufteilung in verschiedene Bursts,
4 zeigt als Beispiel ein Hüftimplantat und
5 eine Illustration zur Oberflächenbearbeitung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Wasserstrahlschneidvorrichtung 100 schematisch dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Wasserstrahlschneidvorrichtung umfasst einen Tank 1, in dem Wasser vorgehalten wird, mit dem die Wasserstrahlschneidvorrichtung betrieben werden soll. Das Wasser wird aus dem Tank 1 über eine Leitung 2 einer Hochdruckpumpe 3 zugeführt, die das Wasser verdichtet. Der dabei erreichte Druck beträgt beispielsweise 2000 bis 3000 bar. Über eine Druckleitung 4 wird das verdichtete Wasser in einen Hochdrucksammelraum 5 geleitet, wo ein gewisser Vorrat an verdichtetem Wasser vorgehalten wird. Der Hochdrucksammelraum 5 ist über eine Verbindungsleitung 7 mit einer Düse 10 verbunden, aus der der Hochdruckwasserstrahl 14 austritt. Die Düse 10 umfasst die eine Unterbrechereinheit 8, mit der der Hochdruckwasserstrahl 14 periodisch unterbrochen oder freigegeben werden kann, und eine Düsenöffnung 11, aus der der Hochdruckwasserstrahl 14 austritt. Das Werkstück 15 befindet sich in einem Bearbeitungsabstand d zur Düsenöffnung 11. Die in 1 gezeigte Vorrichtung ist auch möglich unter Weglassung der Hochdrucksammelraums 5, je nach Bauart und Leistungsfähigkeit der Hochdruckpumpe 3.
In 2 ist die Düse 10, die Teil der Wasserstrahlschneidvorrichtung ist, nochmals vergrößert im Längsschnitt dargestellt. Die Düse 10 umfasst einen Düsenkörper 12, in dem eine Bohrung 13 ausgebildet ist, so dass im Inneren des Düsenkörpers 12 ein Druckraum 17 gebildet ist, der mit der Verbindungsleitung 7 verbunden und damit mit Wasser unter Hochdruck befüllt ist. Im Druckraum 17 ist ein Ventilelement 18, hier in Form einer Düsennadel, längsbeweglich angeordnet. Die Düsennadel 18 wird mit Hilfe einer elektrischen Vorrichtung, beispielsweise einer elektromagnetischen oder piezoelektrischen Vorrichtung, in Längsrichtung bewegt und wirkt mit einem Düsensitz 20 zusammen. Dabei verschließt die Düsennadel 18 bei Anlage am Düsensitz 20 eine im Düsenkörper 12 ausgebildete Düsenöffnung 11 und gibt diese Düsenöffnung 11 frei, wenn die Düsennadel 18 vom Düsensitz 20 abgehoben hat. Dann strömt verdichtetes Wasser aus dem Druckraum 17 in die Düsenöffnung 11 und bildet einen Hochdruckwasserstrahl 14. Durch Hin- und Herbewegen des Ventilelements 18 wird der Hochdruckwasserstrahl 14 periodisch unterbrochen, so dass ein gepulster Hochdruckwasserstrahl 14 entsteht, der auf die Oberfläche des Werkstücks 15 trifft.
Um die einzelnen Bereiche der Oberfläche des Werkstücks 15 zu bearbeiten, wird entweder das Werkstück 15 oder die Düse 10 bewegt, so dass alle Bereiche der Oberfläche des Werkstücks 15 bearbeitet werden können.
In 3a ist der Durchfluss Q von verdichtetem Wasser in der Düse 10 im zeitlichen Verlauf dargestellt. Die einzelnen Wasserstrahlpulse 23 sind zeitlich voneinander beabstandet, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei Wasserstrahlpulsen t_a beträgt, während die Pulsdauer in 3a mit t_p bezeichnet ist. In der Regel ist der zeitliche Abstand zwischen zwei Wasserstrahlpulsen 23 deutlich größer als die Dauer eines einzelnen Wasserstrahlpulses t_p. Da die Dauer und die zeitliche Abfolge der einzelnen Pulse einzig durch die Bewegung der Düsennadel bzw. des Ventilelements 18 bestimmt wird, kann die Frequenz und die Dauer der Wasserstrahlpulse in einem weiten Bereich verändert werden und so die Bearbeitung der Oberfläche an die Erfordernisse angepasst werden. Auch die Geschwindigkeit, mit der der Hochdruckwasserstrahl 14 über die Oberfläche des Werkstücks bzw. des Implantats 15 bewegt wird, hat Einfluss auf die Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks 15, insbesondere auf die Materialmenge, die auf dem Werkstück 15 abgetragen wird.
3b zeigt eine andere zeitliche Abfolge der einzelnen Wasserstrahlpulse 23. Hierbei folgen die Wasserstrahlpulse 23 in einzelnen Bursts 24 aufeinander, wobei in diesem Ausführungsbeispiel jeweils zwei Hochdruckwasserstrahlpulse 23 einen Burst 24 bilden. Dabei ist der zeitliche Abstand t_a1 zwischen zwei Wasserstrahlpulsen eines Bursts 24 kleiner als der zeitliche Abstand t_a2 zwischen den Bursts 24. Auch über die Bildung und Dauer der Bursts kann die Qualität der Bearbeitung beeinflusst und optimiert werden.
In 4 ist als Beispiel ein Hüftgelenkimplantat 15' dargestellt, das als Endoprothese das Hüftgelenk ersetzt. Das Hüftgelenkimplantat 15' ist als Kugelgelenk 27 ausgebildet und weist einen Fortsatz 26 auf, der im lebenden Körper in eine entsprechende Ausnehmung im Oberschenkelknochen des Patienten eingebracht wird. Weiter umfasst das Kugelgelenk 27 eine Kugelaufnahme 28, die in die Hüftgelenkspfanne eingesetzt wird, wo ebenfalls eine entsprechende Ausnehmung während des chirurgischen Eingriffs ausgebildet wird. Sowohl der Stiftfortsatz 26 als auch die Kugelaufnahme 28 weisen eine Oberfläche auf, die direkt mit dem lebenden Knochengewebe des Patienten in Berührung kommt und dort festwachsen soll. Die Oberflächen müssen entsprechend bearbeitet werden, um das Anwachsen des Knochengewebes optimal zu unterstützen. Dazu ist eine Aufrauhung der Oberfläche erforderlich, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann. Dazu wird der gepulste Wasserstrahl 14 in parallelen Linien über die Oberfläche geführt, um gerade so viel Material abzutragen, dass die gewünschte Aufrauhung erreicht wird. Dies ist in 5 exemplarisch dargestellt, wo die einzelnen Bearbeitungsrichtungen als parallele Linien dargestellt sind. Durch einen geeigneten Bearbeitungsabstand d kann erreicht werden, dass der Hochdruckwasserstrahl 14 keinen Bereich der Oberfläche doppelt überfährt und somit eine gleichmäßige Aufrauhung der gesamten Oberfläche stattfindet, was für das Anwachsen des Implantats im lebenden Knochengewebe optimal ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013201797 A1 [0003]
EP 2145689 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Implantats (15) zur medizinischen Verwendung und Verbleib in einem lebenden Körper, wobei das Implantat (25) aus einem Material gefertigt ist, das für die medizinische Anwendung geeignet ist, unter Verwendung einer Wasserstrahlschneidvorrichtung (100) mit einer Düse (10), aus der das verdichtete Wasser unter Bildung eines Hochdruckwasserstrahls (14) austritt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Zur Verfügung stellen eines Implantats (15), das zumindest in den Bereichen, die mit dem lebenden Gewebe in Kontakt kommen, eine glatte Oberfläche aufweist, - Bearbeiten zumindest eines Teils der geglätteten Oberfläche mit einem Hochdruckwasserstrahl (14), so dass die anfangs glatte Oberfläche aufgeraut wird, wobei die Düse (10) ein bewegliches Ventilelement (18) umfasst, das den Hochdruckwasserstrahl (14) abwechselnd unterbricht und freigibt, so dass der Hochdruckwasserstrahl (14) in einzelnen Wasserstrahlpulsen (23) auf die Oberfläche trifft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das für den Hochdruckwasserstrahl (14) gereinigtes, steriles Wasser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckwasserstrahl (14) in parallelen, sich nicht überlappenden Bewegungen die Oberfläche des Implantats (15) überstreicht, so dass eine gleichmäßige Bearbeitung der Oberfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckwasserstrahl (14) aus einer Düse (10) austritt und die Düse (10) während der Bearbeitung des Implantats (15) stets so bewegt wird, dass der Abstand (d) zwischen der Düse (10) und dem Auftreffpunkt des Hochdruckwasserstrahls (14) auf der Oberfläche konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckwasserstrahl (14) aus einer Düse (10) austritt und der Austrittsdruck des Wassers und/oder die Pulsfrequenz so angepasst wird, dass die Oberfläche überall in gleicher Weise bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckwasserstrahl (14) in einzelne Bursts (24) bildet, wobei jeder Burst (24) aus einer Vielzahl von Wasserstrahlpulsen (23) besteht und der zeitliche Abstand (t_a2) zwischen den einzelnen Bursts (24) größer ist als der zeitliche Abstand (t_a1) der aufeinander folgenden Wasserstrahlpulse (23).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Implantats (15) Metall oder eine Metalllegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material medizinischer Stahl oder Titan oder eine Titanlegierung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Implantats Keramik ist.