DE112004000285T5

DE112004000285T5 - Oberflächenbearbeitung eines Implantats

Info

Publication number: DE112004000285T5
Application number: DE112004000285T
Authority: DE
Inventors: Gregory James Roger
Original assignee: Australian Surgical Design and Manufacture Pty Ltd
Current assignee: Advanced Surgical Design and Manufacture Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2006-08-24
Also published as: NZ541413A; AU2004212213A1; AU2009252496A1; GB2412338B; AU2004212213B2; AU2003900617A0; US20060191610A1; WO2004071350A1; GB2412338A; GB0515722D0; US8163111B2

Abstract

Verfahren zur Ausbildung einer prothetischen Implantatkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
(i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung;
(ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, um die Korn- und Porengröße des Metalls relativ zu reduzieren;
(iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente;
(iv) die bearbeitete Komponente wieder relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen; und
(v) Polieren der Oberfläche der Komponente.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines chirurgischen Implantats und Implantate, insbesondere dadurch ausgebildete Gelenk- bzw. Verbindungsersatzimplantate.
Hintergrund der Erfindung
Es ist wohlbekannt, prothetische Ersatzgelenke bei Patienten mit verschiedenen Arten von die Gelenke beeinflussenden Erkrankungen zu verwenden, einschließlich degenerativer Erkrankungen, wie beispielsweise schwerer Osteoarthritis.
Über die Jahre wurde eine große Menge von Materialien beim Aufbau und der Herstellung derartiger Prothesen entwickelt und verwendet. Dies liegt teilweise daran, daß das Grundwissen in Bezug auf Materialien und relevante, biokompatible Materialien gewachsen ist. Es liegt auch daran, daß trotz technologischer Fortschritte fortwährend Komplikationen im Zusammenhang mit Gelenkersatzprothesen bestehen, mit denen Chirurgen und Patienten sich auseinandersetzen müssen. Als Folge dessen befanden sich und befinden sich immer noch Chirurgen und andere Erfinder in diesem Bereich im Kampf mit einer fortwährenden Anforderung an die Verbesserung des vereinfachten Einführens der Prothesen, des Reduzierens eines Auftretens von Komplikationen im Zusammenhang mit deren Verwendung über einen langen und kurzen Zeitraum und an die Verbesserung der Lebensdauer sowohl der bioprothetischen Grenzfläche, wie auch der Prothesen selbst.
Gewisse Metallegierungen, wie beispielsweise eine CrCoMo-Legierung, werden weit verbreitet verwendet für die tragenden bzw. Lageroberflächen prothetischer Gelenke in Menschen. Attraktive Merkmale derartiger Legierungen umfassen ihre Biokompatibilität, ihre relativ hohe Verschleißbeständigkeit und ihre relativ leichte Herstellung durch Gießen und Bearbeiten. Auch wird eine CrCoMo-Knetlegierungsstange insbesondere für Femurköpfe verwendet.
Auf das Gießen hin wird die CrCoMo-Legierung oftmals isostatisch heißgepreßt (HIP), um die Korngröße zu reduzieren und die inneren Porositäten zu reduzieren. Diese Porositäten werden während der Bearbeitung freigelegt und erzeugen Löcher auf der Oberfläche. Während des Abkühlens und der Ausbildung der Körner können sich jedoch Carbide wie beispielsweise Siliciumcarbid und Molybdäncarbid an den Korngrenzen und innerhalb der Korne abscheiden. Diese Carbide sind verglichen mit der umgebenden CrCoMo-Legierung extrem hart und nach der Bearbeitung und dem Polieren der verbindenden Oberfläche stehen sie üblicherweise oberhalb der Oberfläche. Während die Carbide lediglich um einen relativ kleinen Abstand oberhalb der Oberfläche stehen, reicht ihre Anwesenheit für die Erhöhung des Verschleißes komplementärer Oberflächen aus, die ausgelegt sind, um in Eingriff zu gelangen mit der CrCoMo-Oberfläche.
Zudem setzt der Vorgang der Bearbeitung und des Polierens der CrCoMo-Legierungskomponenten die Teile verschiedensten abreibenden und potentiell toxischen Komponenten und Partikeln aus. Während jeder Versuch unternommen wird, um diese Fremdpartikel zu entfernen, ist es schwierig, ein aus einem inhärent porösen Material hergestelltes Implantat perfekt zu reinigen. Studien der Oberfläche kommerziell erhältlicher Implantate haben gezeigt, daß in einer anscheinend reinen, polierten Komponente Restkratzer, abrasive Aluminiumoxidpartikel und anderes Fremdmaterial vorhanden sind. 1 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM) einer derartigen Oberfläche, die Kratzer, Poren und anderes Fremdmaterial auf einer Oberfläche zeigt, die unter Ausüben bekannter Standardtechniken poliert und gereinigt wurde.
Ein Polieren ist ebenfalls ein Problem insofern, als es die abmessungsmäßige Genauigkeit der Komponente ändern kann. Während die Lebensdauer einer Lageroberfläche bzw. tragenden Oberfläche einer Komponente durch eine finite Elementeanalyse (FEA) modelliert werden kann, wird allgemein angenommen, daß die Komponente "wie entworfen" ist. Studien kommerziell verfügbarer Teile, die handpoliert wurden, zeigen jedoch große Variationen der Krümmungsradien auf den Lageroberflächen. In einigen Fällen wurden Variationen von größer als 20% festgestellt. Derartige Variationen können dazu führen, daß das Implantat sich nicht in der Weise verhält, wie es aus seiner FEA erwartet wird.
Beschichtete Implantate wie beispielsweise Keramikbeschichtungen und PVD-Nitrid-Beschichtungen wurden ebenfalls ausprobiert im Bemühen, den Verschleiß der Materialoberfläche, wie beispielsweise der Polyethylenkomponente, zu reduzieren, die ausgelegt ist, um sich mit der CrCoMo-Legierungsoberfläche in einem Implantat zu verbinden bzw. ein Gelenk zu bilden. Diese Beschichtungen haben aufgrund einer ungenügenden Haftung in der hochagressiven Umgebung eines Gelenkersatzes versagt. Die Anwesenheit von Carbiden in dem Implantat kann auch nachteilig den Beschichtungsvorgang beeinflussen, wobei die Beschichtung nicht an den Carbiden oder anderen Verunreinigungen auf dem Implantat anhaftet. Dies führt zu Schwächungsbereichen in der Beschichtung und beeinflußt daher nachteilig die Bindungsfestigkeit der Beschichtung. Zudem dient eine Beschichtung einer aufgerauhten Oberfläche oftmals nur der Härtung der aufgerauhten Feinheiten.
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein neues Verfahren zur Herstellung einer Prothese, die vorzugsweise nicht an den Problemen nach dem Stand der Technik leidet.
Jegliche Diskussion in Bezug auf Dokumente, Vorgänge, Materialien, Vorrichtungen, Gegenstände oder ähnliches, die in der vorliegenden Spezifikation beinhaltet wurde, dient lediglich dem Zweck, einen Kontext für die vorliegende Erfindung zu liefern. Dies ist nicht als Zugeständnis zu sehen, daß irgendwelche oder alle dieser Gegenstände einen Teil der den Stand der Technik bildenden Grundlage bilden oder Allgemeinwissen in dem für die vorliegende Erfindung relevanten Bereich wäre, wie es in Australien vor dem Prioritätszeitpunkt jedes Anspruchs dieser Anmeldung existierte.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Rahmen dieser Beschreibung wird das Wort "umfassen" oder Abänderungen wie beispielsweise "umfaßt" oder "umfassend" so verstanden, daß es die Einbeziehung eines angegebenen Elements, eines Ganzen oder Schritts oder einer Gruppe von Elementen, Ganzen oder Schritten, jedoch nicht den Ausschluß von irgendeinem anderen Element, eines Ganzen oder eines Schritts oder einer Gruppe von Elementen, Ganzen oder Schritten impliziert.
Gemäß einem ersten Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer prothetischen Implantatkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallierung;
(ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, um die Korn- und Porengröße des Metalls relativ zu reduzieren;
(iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente;
(iv) die bearbeitete Komponente wieder relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen; und
(v) Polieren der Oberfläche der Komponente.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer prothetischen Implantatkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung;
(ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, gefolgt von einem Kühlvorgang;
(iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente;
(iv) Polieren der Oberfläche der Komponente.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist erkennbar, daß einige der Verfahrensschritte durchgeführt werden können als Teil eines Batch-Prozesses. Beispielsweise können in den Schritten (ii) und (iv) mehrere Komponenten diesen Schritten eher zusammen als aufeinanderfolgend unterzogen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Metallegierung eine Chromlegierung. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Metallegierung eine CrCoMo-Legierung. Die Zusammensetzung der Metallegierung entspricht vorzugsweise den Standardspezifikationen nach ASTM F 75 und ISO 5832/4. Diese Standards spezifizieren die folgende Zusammensetzung:
Bei Schritt (i) wird die Komponente vorzugsweise durch Gießen der Metallegierung in der Gestalt gebildet, die zumindest an die gewünschte Endgestalt angenähert ist. Bei einem Ausfüh rungsbeispiel kann die Komponente derart gegossen sein, daß eine Schicht von etwa 400 μm von der Komponente abgetragen werden muß. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, daß die Komponente gegossen ist, um während des Bearbeitungsschritts eine Entfernung von mehr oder weniger Material zu erfordern.
Im Schritt (ii) wird die Komponente vorzugsweise einem isostatischen Heißpressen unterzogen. Das isostatische Heißpressen (HIP) wird vorzugsweise durchgeführt bei etwa 1280°C in einem Inertgas bei etwa 100 Atmosphären Druck. Der Kühlvorgang des zweiten Aspekts kann ein Vergütungsglühen umfassen, wobei die Komponente rasch abgekühlt wird in 100°-Schritten auf eine Temperatur unterhalb 800°C. Dies reduziert die Korn- und Porengröße des Metalls zusätzlich zur Reduzierung der Größe der Carbid-Elemente in dem Material.
Im Schritt (ii) kann dem Schritt des isostatischen Heißpressens der Komponente ein Kügelchensinterprozeß vorangehen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt dieser Prozeß einen Schritt des Anordnens von Kügelchen (beispielsweise von etwa 500 μm Durchmesser) auf der Oberfläche und dann Erwärmen der Komponente auf eine Temperatur von etwa 1280°C in einem Inertgas (wie beispielsweise Argon) vor dem isostatischen Heißpressen der Komponente.
Im Schritt (iii) kann eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung verwendet werden, um Material allmählich von der Komponente zu entfernen, um sie auf die gewünschte Gestalt zu bringen. Die Komponente kann mit 0,1 mm Überschreitungen zwischen Durchgängen bearbeitet werden. Die Bearbeitung hinterläßt vorzugsweise eine fein ondulierte Oberfläche auf der Komponente. Die Ondulierungen können vorzugsweise eine Abmessung von etwa 5 μm von der Spitze bis zum Tal haben. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt der Bearbeitung der Komponente durchgeführt werden durch ein vierachsiges Bearbeitungszentrum. Diese Maschine läßt das Bearbeitungswerkzeug über die Oberfläche infolge einer Computer-aided Design (CAD)-programmierten Werkzeugbahn laufen. Die vier Achsen sind X, Y, Z und Rotation.
Im Schritt (iv) des ersten Aspekts kann die Komponente wieder ein isostatisches Heißpressen durchlaufen. Dieses Pressen ist vorzugsweise identisch zu dem in Schritt (ii) durchgeführten. Dieses Pressen dient vorzugsweise dem Schmelzen der Ondulationen in einer Größenordnung, daß das Erfordernis der Entfernung von Material während des darauffolgenden Polierschritts (d.h. Schritt (v)) weitgehend reduziert ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Verfahren vor dem Schritt (v) einen Schritt des Handpolierens der Komponente aufweisen. Dies dient dem Melieren jeglicher nach dem Schritt (iv) verbleibenden Rauhigkeit.
In Schritt (v) umfaßt das Polieren typischerweise ein elektrochemisches Polieren, das dem physikalischen Hand- oder maschinellen Polieren folgt. Dieser Schritt entfernt vorzugsweise Carbide und Fremdmaterial von der Oberfläche der Komponente, wie auch jegliche Restoberflächenkratzer und Oberflächenunebenheiten.
Die kombinierten Schritte des Verfahrens beider Aspekte liefern ein Implantat, das im wesentlichen frei von Carbiden und anderen Verunreinigungen ist. Demgemäß wird die Oberfläche des Implantats keinen übermäßigen Verschleiß bzw. Abrieb auf einer Gegenkomponente bewirken. Des weiteren entfernt die Entfernung von Carbiden Schwachstellen für eine darauffolgende Beschichtung und liefert daher eine optimale Oberfläche zur Beschichtung. Des weiteren erzeugt eine Entfernung von Carbiden Löcher in der Oberfläche des Implantats, wobei diese Löcher als Verankerungsstellen für jegliche darauffolgende Beschichtung wirken. Die Löcher können komplexe Gestalt haben. Zudem können die Löcher von vorbestimmter Verteilung und Größe sein. Die Verteilung und Größe der Löcher kann erreicht werden beim zweiten Aspekt durch den Schritt des Kühlens des Metalls und insbesondere durch den Schritt des Vergütungsglühens.
Bei beiden Aspekten kann die Komponente einem oder mehreren der folgenden weiteren Prozeßschritte unterzogen werden:

(a) Oxidieren wenigstens eines Bereichs der Oberfläche einer prothetischen Metallkomponente;
(b) Solgelbeschichten, oder andere Beschichtungsmittel, des Oberflächenabschnitts mit einer Aluminiumoxidkeramik; und
(c) Pressen der Komponente bei einer relativ erhöhten Temperatur, um die Beschichtung an den Oberflächenbereich zu binden.

Diese zusätzlichen Schritte des Beschichtens der Oberfläche mit einer Keramik verbessern die Lageroberfläche, weil dabei die Verschleißrate der Oberfläche reduziert wird. Beispielsweise reduziert dies vorzugsweise die Verschleißrate der femoralen Komponente, wenn sie an einer Polyethylenauskleidung in einer künstlichen Knieprothese lagert. Falls erwünscht, so kann die Laberoberfläche dazu verwendet werden, um sich mit einer anderen Keramik- oder Keramik-beschichteten Oberfläche zu verbinden bzw. ein Gelenk zu bilden.
In Schritt (b) wird die Oberfläche vorzugsweise mit einer Aluminiumoxidaufschlämmung solgelbeschichtet. Diese ist geimpft mit Alphapartikeln, d.h. kleinen Keramikkörnern, welche die Kristallisation der Aufschlämmung unterstützen. Diese wird aufgetragen durch Eintauchen der Komponente in die Aufschlämmung in einer mit Argon gespülten Vakuumkammer. Die Aufschlämmung dient zum Füllen jeglicher fehlerbehafteten Stellen bzw. Defekten in der Oberfläche der Komponente. Wie oben diskutiert, werden diese fehlerbehafteten Stellen üblicherweise hinterlassen durch die im Rahmen des Polierschritts entfernten Carbid-Elemente (v). Die Tiefe dieser fehlerbehafteten Stellen und ihre Verteilung auf der Oberfläche der Komponente kann eingestellt werden durch den Vergütungsglühteil der Wärmebehandlung (ii). Ohne das Vergütungsglühen neigen die Carbide (und daher die fehlerbehafteten Stellen, die bei ihrer Entfernung hinterlassen werden) dazu, größer und weiter verteilt zu sein. Nach dem Vergütungsglühen sind sie auf der Oberfläche feiner und dichter angeordnet. Die Beschichtung liegt vorzugsweise zwischen etwa 5 und 10 μm, kann jedoch je nach Wunsch dicker oder dünner gestaltet sein.
In Schritt (c) wird die Komponente vorzugsweise einem isostatischen Heißpressen unterzogen. Während dieses Pressens kann der Druck eingestellt werden, um sicherzustellen, daß die metallische Komponente weder schrumpft noch bei der Erhöhung der Temperatur expandiert, so daß lediglich eine relativ kleine oder keine Spannung zwischen der Keramikschicht und dem Metallsubstrat herrscht.
In dem Schritt (c) kann die Keramikbeschichtung erwärmt werden auf eine Temperatur, die geeignet ist, um die in dem Verfahren verwendete Keramik vollständig zu kristallisieren. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Temperatur etwa 1150°C sein.
Gemäß einem dritten Aspekt, ist die vorliegende Erfindung eine prothetische Implantatkomponente, die ausgebildet wird unter Verwendung des Verfahrens:

(i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung;
(ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, um die Korn- und Porengröße des Metalles relativ zu reduzieren;
(iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente;
(iv) die bearbeitete Komponente wieder relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen; und
(v) Polieren der Oberfläche der Komponente.

Gemäß einem vierten Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine prothetische Implantatkomponente, die ausgebildet wird unter Verwendung des Verfahrens:

(i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung;
(ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, gefolgt von einem Abkühlvorgang;
(iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente;
(iv) Polieren der Oberfläche der Komponente.

Bei einem Ausführungsbeispiel des dritten und vierten Aspekts kann die unter Verwendung des Verfahrens ausgebildete prothetische Komponente eine femorale Komponente einer Knieersatzprothese umfassen.
Gemäß einem fünften Aspekt ist die vorliegende Anmeldung auf eine weitere Erfindung zur Ausbildung einer keramisch beschichteten, metallischen prothetischen Implantatkomponente gerichtet, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Oxidieren wenigstens eines Bereichs der Oberfläche einer metallischen prothetischen Komponente;
(b) Solgelbeschichten des Oberflächenbereichs mit einer Keramik; und
(c) Pressen der Komponente bei einer relativ erhöhten Temperatur, um die Beschichtung an den Oberflächenbereich zu binden.

Bei diesem Aspekt verbessern diese Schritte des Beschichtens der Oberfläche mit einer Keramik die Lageroberfläche, da dies die Verschleißrate der Oberfläche reduziert. Insbesondere dient die Beschichtung vorzugsweise der Reduzierung der Verschleißrate der Komponente, wenn sie verwendet wird, um an Polyethylen zu lagern. Falls jedoch erwünscht, so kann die Lageroberfläche verwendet werden, um sich mit einer anderen Keramik oder einer keramikbeschichteten Oberfläche zu verbinden bzw. ein Gelenk zu bilden.
In Schritt (b) dieses weiteren Aspekts wird die Oberfläche vorzugsweise mit einer Aluminiumoxidaufschlämmung solgelbeschichtet. Andere geeignete Keramiken zur Verwendung bei dem Verfahren und Mittel zum Erzielen der Beschichtung können auch vorgesehen sein. Diese ist mit Alphapartikeln geimpft, d.h. kleinen Keramikkörnern, welche die Kristallisation der Aufschlämmung unterstützen. Diese wird aufgetragen durch Eintauchen der Komponente in die Aufschlämmung in einer mit Argon gespülten Vakuumkammer. Die Aufschlämmung dient zum Füllen jeglicher fehlerbehafteten Stellen in der Oberfläche der Komponente. Die Beschichtung liegt vorzugsweise zwischen etwa 5 und 10 μm, kann jedoch je nach Wunsch dicker oder dünner gestaltet sein.
In Schritt (c) des weiteren Aspekts wird die Komponente vorzugsweise einem isostatischen Heißpressen unterzogen. Während dieses Pressens kann der Druck eingestellt werden, um sicherzustellen, daß die metallische Komponente weder schrumpft noch sich bei Temperaturerhöhung ausdehnt, so daß lediglich eine relativ kleine oder gar keine Spannung zwischen der Keramikschicht und dem metallischen Substrat herrscht.
Im Schritt (c) des weiteren Aspekts kann die Keramikbeschichtung auf eine Temperatur erwärmt werden, die geeignet ist, um die in dem Verfahren verwendete Keramik vollständig zu kristallisieren. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Temperatur etwa 1150°C sein.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Keramik-beschichtete prothetische Implantatkomponente, die ausgebildet wird unter Verwendung des Verfahrens, wie es nach dem fünften Aspekt definiert ist.
Die Keramik-beschichtete prothetische Komponente kann eine Keramik-beschichtete femorale Komponente einer Knieersatzprothese umfassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es wird nun lediglich beispielhaft ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine REM eines kommerziell verfügbaren Implantats ist, das Oberflächendefekte zeigt;
2 eine REM einer Implantatoberfläche ist nach der polierenden Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Ablaufschema ist mit Darstellung der Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Weise zur Ausführung der Erfindung
Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Vorrichtung kann bei einer Reihe arthroplastischer Verfahren Verwendung finden, ist jedoch insbesondere anwendbar bei arthroplastischen Verfahren in Bezug auf das Kniegelenk.
Ein Verfahren zum Ausbilden eines prothetischen Implantats wie beispielsweise einer femoralen Komponente eines künstlichen Kniegelenks gemäß der vorliegenden Erfindung ist allgemein mit 10 in 3 dargestellt.
Das Verfahren 10 umfaßt den Schritt des Gießens einer prothetischen Komponente aus CrCoMo-Legierung mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert. Beispielsweise kann die Gestalt etwa die Gestalt der femoralen Komponente eines Kniegelenks annähern. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist die Kompo nente derart gegossen, daß etwa 400 μm von der Komponente abgearbeitet werden müssen.
Die gegossene Komponente wird dann einem isostatischen Heißpressen und ein Vergütungsglühen 20 unterzogen, um die Korn- und Porengröße des Metalls relativ zu reduzieren. Dieses Pressen kann mit Hilfe eines Kügelchensinterprozesses vorgenommen werden.
Nachfolgend auf den Schritt 20 umfaßt das Verfahren einen Schritt des Bearbeitens der Oberfläche 30 der Komponente. Im Schritt 30 wird eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung dazu verwendet, um nach und nach Material von der Komponente zu entfernen, um sie auf die gewünschte Gestalt zu bringen. Im dargestellten Schritt 30 wird die Komponente mit etwa 0,1 mm Übersteigungen zwischen Durchgängen bearbeitet. Die Bearbeitung hinterläßt eine fein ondulierte Oberfläche auf der Komponente. Die von diesem Schritt herrührenden Ondulierungen haben eine Abmessung von etwa 5 μm von der Spitze bis zum Tal.
Der Polierschritt 40 umfaßt ein elektrochemisches Polieren der Komponente zwecks Entfernung von Carbiden und Fremdmaterialien von der Oberfläche der Komponente. 2 zeigt die stark verbesserte Natur der Oberfläche der Komponente unter Verwendung des hierin definierten Verfahrens.
Die Schritte 20 bis 40 bilden das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der oben beschriebenen Erfindung. Dieses Verfahren führt zu einer polierten, prothetischen Komponente mit einer derartigen Gestalt, daß sie bereit ist, um verpackt und verwendet zu werden. Während ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Komponente eine femorale Komponente eines künstlichen Knieersatzes ist, können andere geeignete, prothetische Komponenten vorgesehen sein, die ausgebildet werden unter Verwendung des Verfahrens.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Komponente auch zusätzlichen Verarbeitungsschritten unterzogen. Während sie nicht alleine dargestellt sind, ist erkennbar, daß die folgenden Schritte eine Erfindung für sich darstellen, wie oben definiert.
Die zusätzlichen Bearbeitungsschritte umfassen:

(a) Oxidieren wenigstens eines Bereichs der Oberfläche einer metallischen prothetischen Komponente (Schritt 50);
(b) Solgelbeschichten des Oberflächenbereichs mit einer Aluminiumoxidkeramik (Schritt 60); und
(c) Pressen der Komponente bei einer relativ erhöhten Temperatur, um die Beschichtung an den Oberflächenbereich zu binden (Schritt 70).

Diese zusätzlichen Schritte des Beschichtens der Oberfläche mit einer Keramik verbessern die Lageroberfläche, da dies die Verschleißrate der Oberfläche gegenüber Polyethylen reduziert. Falls erwünscht, kann die Lageroberfläche dazu verwendet werden, um sich mit einer anderen Keramik oder einer keramikbeschichteten Oberfläche zu verbinden bzw. ein Gelenk zu bilden.
Im Schritt 60 wird die Oberfläche mit einer Aluminiumoxidaufschlämmung solgelbeschichtet. Diese wird mit Alphapartikeln geimpft, d.h. kleinen Keramikkörnern, welche die Kristallisation der Aufschlämmung unterstützen. Diese wird aufgetragen durch Eintauchen der Komponente in die Aufschlämmung in einer mit Argon gespülten Vakuumkammer. Die Aufschlämmung dient zum Füllen jeglicher fehlerbehafteter Stellen bzw. Defekte bzw. Fehlstellen in der Oberfläche der Komponente. Die ausgebildete Beschichtung liegt zwischen etwa 5 und 10 μm, kann jedoch je nach Wunsch dicker oder dünner gestaltet sein.
Im Schritt 70 wird die Komponente vorzugsweise einem isostatischen Heißpressen unterzogen. Während dieses Pressens kann der Druck eingestellt werden, um sicherzustellen, daß die metallische Komponente weder schrumpft noch sich bei Erhöhung der Temperatur ausdehnt, so daß lediglich eine geringe oder gar keine Spannung zwischen der Keramikschicht und dem metallischen Substrat herrscht.
Im Schritt 70 kann die Keramik-Beschichtung erwärmt werden auf eine Temperatur von etwa 1150°C.
Die Verwendung des Verfahrens 10 führt zur Ausbildung eines Keramik-beschichteten prothetischen Implantats mit gewünschter Gestalt und gewünschten Oberflächeneigenschaften.
Es ist für den Durchschnittsfachmann erkennbar, daß verschiedene Variationen und/oder Modifikationen an der Erfindung, wie sie in den speziellen Ausführungsbeispielen gezeigt ist, vorgenommen werden können, ohne von dem Geist oder dem Bereich der Erfindung, wie er bereits beschrieben wurde, abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind daher in jeder Hinsicht als darstellend und nicht einschränkend anzusehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zur Ausbildung einer prothetischen Implantat-Komponente, wie einer femoralen Komponente einer Knieersatzprothese. Das Verfahren umfasst die Schritte: (i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metalllegierung; (ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, gefolgt von einem Abkühlvorgang; (iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente; (iv) Polieren der Oberfläche der Komponente.

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer prothetischen Implantatkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung; (ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, um die Korn- und Porengröße des Metalls relativ zu reduzieren; (iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente; (iv) die bearbeitete Komponente wieder relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen; und (v) Polieren der Oberfläche der Komponente.
Verfahren zur Ausbildung einer prothetischen Implantatkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung; (ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, gefolgt von einem Abkühlvorgang; (iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente; (iv) Polieren der Oberfläche der Komponente.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem wenigstens einer oder mehrere der Verfahrensschritte durchgeführt werden als Teil eines Batch-Prozesses.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Metallegierung eine Chromlegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Metallegierung eine CrCoMo-Legierung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Metallegierung die folgende Zusammensetzung hat:
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem in Schritt (i) die Komponente geformt wird durch Gießen der Metallegierung zu der Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt annähert.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Komponente in Schritt (i) derart gegossen wird, daß eine Schicht von nicht mehr als etwa 400 μm von der Komponente abgearbeitet werden muß.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem in Schritt (ii) die Komponente einem isostatischen Heißpressen unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das isostatische Heißpressen durchgeführt wird bei etwa 1280°C in einem Inertgas von etwa 100 Atmosphären Druck.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem in Schritt (ii), dem Schritt des isostatischen Heißpressens der Komponente, ein Kügelchensinterprozeß vorangeht.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Kügelchensinterprozeß einen Schritt umfaßt des Positionierens von Kügelchen auf der Oberfläche der Komponente und dann des Erwärmens der Komponente auf eine Temperatur von etwa 1280°C in einem Inertgas vor dem isostatischen Heißpressen der Komponente.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Kügelchen einen Durchmesser von etwa 500 μm haben.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei welchem das Inertgas Argon ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem in Schritt (iii) eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung dazu verwendet wird, um relativ allmählich Material von der Komponente zu entfernen, um sie auf die gewünschte Gestalt zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die Komponente mit etwa 0,1 mm Überschreitungen zwischen Durchgängen bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem die Bearbeitung eine ondulierte Oberfläche auf der Komponente hinterläßt, wobei die Ondulierungen eine Abmessung von etwa 5 μm von der Spitze zum Tal haben.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Abkühlvorgang ein Vergütungsglühen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem das Vergütungsglühen das relativ schnelle Abkühlen der Komponente in 100°-Schritten auf eine Temperatur unterhalb 800 Grad Celsius umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem der Schritt des Vergütungsglühens wesentlich die Größe der Carbid-Elemente in der Komponente reduziert.
Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die Größe und Verteilung der Carbid-Elemente vorbestimmt und gesteuert wird durch das Vergütungsglühen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Polierschritt im wesentlichen die Carbid-Elemente von der Komponente entfernt.
Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem der Polierschritt das elektrochemische Polieren der Komponente umfaßt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Komponente einem zusätzlichen Bearbeitungs schritt des Oxidierens von wenigstens einem Bereich der Oberfläche einer metallischen prothetischen Komponente unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 24, bei welchem die Komponente einem zusätzlichen Verarbeitungsschritt des Solgelbeschichtens des Oberflächenbereichs mit einer Aluminiumoxidkeramik unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 25, bei welchem die Komponente einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt des Pressens der Komponente bei einer relativ erhöhten Temperatur unterworfen wird, um die Beschichtung an den Oberflächenbereich zu binden.
Verfahren nach Anspruch 26, bei welchem der Oberflächenbereich die Lageroberfläche einer Komponente ist, die dazu verwendet werden soll, um sich mit einer anderen Keramik oder Keramik-beschichteten Oberfläche gelenkig zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 25, bei welchem die Oberfläche solgelbeschichtet wird mit einem Aluminiumoxidaufschlämmung, die geimpft ist mit keramischen Körnern, welche die Kristallisation der Aufschlämmung unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem die Aufschlämmung auf der Oberfläche der Komponente aufgetragen wird durch Eintauchen der Komponente in die Aufschlämmung in einer mit Argon gespülten Vakuumkammer.
Verfahren nach Anspruch 26, bei welchem der zusätzliche Verarbeitungsschritt umfaßt, daß die Komponente einem isostatischen Heißpressen unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei welchem die relativ erhöhte Temperatur etwa 1150°C ist.
Prothetische Implantatkomponente, ausgebildet unter Verwendung des Verfahrens: (i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung; (ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen, um die Korn- und Porengröße des Metalls relativ zu reduzieren; (iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente; (iv) die bearbeitete Komponente wieder relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen; und (v) Polieren der Oberfläche der Komponente.
Prothetische Implantatkomponente, ausgebildet unter Verwendung des Verfahrens: (i) Formen einer prothetischen Komponente mit einer Gestalt, die zumindest die gewünschte Endgestalt der Komponente annähert, aus einer Metallegierung; (ii) die Komponente relativ erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unterwerfen und darauffolgend einem Abkühlvorgang; (iii) Bearbeiten der Oberfläche der Komponente; (iv) Polieren der Oberfläche der Komponente.
Prothetisches Implantat nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, bei welchem die prothetische Komponente eine femorale Komponente einer Knieersatzprothese ist.
Verfahren zur Ausbildung einer Keramik-beschichteten metallischen prothetischen Implantatkomponente, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Oxidieren wenigstens eines Bereichs der Oberfläche einer metallischen prothetischen Komponente; (b) Solgelbeschichten des Oberflächenbereichs mit einer Keramik; und (c) Pressen der Komponente bei einer relativ erhöhten Temperatur zum Zwecke des Bindens der Beschichtung an den Oberflächenbereich.
Verfahren nach Anspruch 35, bei welchem der Oberflächenbereich die Lageroberfläche einer Komponente ist, die dazu verwendet werden soll, um sich mit einer anderen Keramik oder Keramik-beschichteten Oberfläche gelenkig zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 35, bei welchem in Schritt (b) der Oberflächenbereich solgelbeschichtet wird mit einer Aluminiumoxidaufschlämmung, die geimpft ist mit Keramikkörnern, welche die Kristallisation der Aufschlämmung unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 37, bei welchem die Aufschlämmung aufgebracht wird auf der Oberfläche der Komponente durch Eintauchen der Komponente in die Aufschlämmung in einer mit Argon gespülten Vakuumkammer.
Verfahren nach Anspruch 35, bei welchem in Schritt (c) der zusätzliche Verfahrensschritt umfaßt, daß die Komponente einem isostatischen Heißpressen unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 39, bei welchem die relativ erhöhte Temperatur etwa 1150°C ist.
Keramik-beschichtete prothetische Implantatkomponente, ausgebildet unter Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 35–40.
Keramik-beschichtete prothetische Implantatkomponente nach Anspruch 41, bei welcher die Komponente eine Keramik beschichtete femorale Komponente einer Knieersatzprothese umfaßt.