DE202011000744U1

DE202011000744U1 - Chirurgisches Skalpell

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Publication number: DE202011000744U1
Application number: DE202011000744U
Authority: DE
Original assignee: GOLSEN Ltd; OOO "NOVYE ENERGETICHESKIE TECHNOLOGII"; OOO NOVYE ENERGET TECHNOLOGII
Current assignee: GOLSEN Ltd; OOO "NOVYE ENERGETICHESKIE TECHNOLOGII"; OOO NOVYE ENERGET TECHNOLOGII
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2021-04-01

Abstract

Chirurgisches Skalpell mit einer Klinge mit einer Schneidekante und einen Griff, wobei die Klinge aus einem Material auf der Basis von Zirkoniumdioxid besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Skalpell einteilig in Form eines Blocks aus einem Stück eines Monokristalls eines harten, rissbeständigen, abnutzungsfesten und porenfreien Materials mit Antihafteigenschaften auf der Basis eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids hergestellt ist, dass der Monokristall mittels gerichteter Kristallisation der Zirkoniumdioxid-Schmelze mit einer stabilisierenden Komponente hergestellt ist, dass der Monokristall bei einer Domänengröße von unter 0,2 μm ein Einblockgefüge der Oberfläche aufweist und dass dieses Skalpell eine Phasen- und Gefügehomogenität im Umfang und auf der Oberfläche wenigstens im Bereich der Schneidekante aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Skalpell mit einer Schneidekante und einem Griff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist in der Medizintechnik und insbesondere bei chirurgischen Skalpellen, nämlich bei Skalpellen einsetzbar, deren Klingen aus Materialien auf der Basis von Zirkoniumdioxid gefertigt sind.
Bekanntlich arbeiten die Schneideteile der chirurgischen Instrumente unter Bedingungen einer chemischen und biologischen Einwirkung sowie unter der Einwirkung von den durch den Widerstand vom Biogewebe verursachten Belastungen. Die Anwendungsbedingungen sind durch die an die Klingen gestellten Anforderungen festgelegt: Festigkeit, Härte, chemische Beständigkeit, biologische Verträglichkeit, Antihafteigenschaften, Rissbeständigkeit, Abnutzungsfestigkeit, geringe Porosität der Oberfläche, scharfe Schneidekanten, hohe Technologiegerechtigkeit, Benutzerfreundlichkeit, bequeme Vorsterilisationsreinigung und Sterilisation. Dazu zählt auch die Möglichkeit einer Ausführung von feinen Klingen mit unterschiedlichen Konstruktionsmerkmalen in Mikrongröße, z. B. Aussparungen, Kanälen, Fasen, Rillen, Nuten, Löchern und Schneidekanten in Mikronstärke.
Aus dem Stand der Technik sind die Anwendung von Klingen aus nichtrostendem Stahl in chirurgischen Skalpellen und die Ausbildung von Skalpellen als Blöcke aus nichtrostenden Stählen bekannt. Jedoch stumpfen die Metallklingen sehr schnell ab. Das geschieht sowohl bei einer mehrfachen Sterilisation unter dem Einfluss von Hochtemperaturen und chemischen Substanzen als auch bei einem Kontakt mit dem Biogewebe. Für komplizierte Diszisionen müssen während einer Operation mehrere Skalpelle verwendet werden. Dabei können die Unterbrechungen während der Operation eine Änderung von taktiler Wahrnehmung des Chirurgen sowie eine unerwünschte Durchtrennung der Gewebe verursachen.
Darüber hinaus ist ein nichtrostender Stahl mit einem Biogewebe schlecht verträglich. Deswegen können im Schnittbereich Mikrothromben entstehen. Diese führen zu einer Verstopfung von kleinen Blutgefäßen. Dabei ist eine Abstumpfung der Stahlklingen ein physikalisch-chemischer Vorgang. Als Folge davon dringen sowohl Mikro- und Makroteilchen des Metalls als auch Produkte der chemischen Reaktion zwischen Metall und der aggressiven Umgebung, wie Lymphe und Blut, in den menschlichen Körper ein. Das kann postoperative Komplikationen verursachen.
Darüber hinaus erlaubt es die physikalische Struktur des nichtrostenden Stahls nicht, eine solche Schärfe der Schneidekante zu erreichen, die für die Ausführung von guten Diszisionen erforderlich ist. Eine mechanische Behandlung ermöglicht nur eine sägezahnförmige Schneide.
Das oben Dargelegte führt zu wesentlichen Verformungen und Verletzungen der Biogewebe, zu ihrer Quetschung u. a. m. Dabei verfügt nichtrostender Stahl über keine Antihafteigenschaften. Deswegen haften Zersetzungsprodukte von Biogewebe an der Klinge. Dies erschwert die Arbeit während der Operationen und erfordert auch mehr Zeit während der Vorsterilisationsreinigung sowie bei der Sterilisation. Darüber hinaus sind solche Klingen leitfähig und speichern die elektrostatische Ladung, welche beim Kontakt zwischen der Klinge und dem Biogewebe über den Körper des Patienten geerdet wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Skalpelle enthalten Klingen, die aus dielektrischen Stoffen, z. B. Keramik, gefertigt sind und beseitigen manche Mängel der Metallklingen. Sie weisen dabei jedoch eine hohe Härte auf.
Aus dem Stand der Technik sind Materialien auf der Basis von Zirkoniumdioxid bekannt, die hohe mechanisch-physikalische Eigenschaften aufweisen: hohe Härte, Abnutzungsfestigkeit und gleichzeitig eine erhöhte Zähigkeit und Plastizität. Bekanntlich sind die Eigenschaften dieser Materialien nicht nur durch den chemischen Charakter sondern auch durch ihr Makro- und Mikrogefüge festgelegt. Dieses Gefüge ist seinerseits sowohl als Ergebnis von topochemischen Prozessen in Ausgangsmaterialien (Dehydratisierung, Re-Kristallisation im Gradient-Temperaturfeld usw.) als auch je nach dem Verfahren der Materialherstellung (Sintern, Pressen oder Schmelzen) und infolge der Veränderung von verfahrenstechnischen Kenndaten des angewandten Verfahrens gebildet.
Es ist bekannt, dass Zirkoniumdioxid in drei Modifikationen existiert: monoklin, tetragonal und kubisch. Die monokline Niedertemperatur-Modifikation ist bis zu einer Temperatur von 1160°C stabil. Im Temperaturbereich von 1160 bis 2370°C ist die tetragonale Modifikation beständig. Bei einer Temperatur von über 2370°C und bis zur Schmelztemperatur (2680°C) ist die kubische Modifikation beständig.
Die Neigung von Zirkoniumdioxid zur Bildung von Festlösungen mit Oxiden der Elemente aus der 2. und der 3. Gruppe des Periodensystems, z. B. Y₂O₃, Ln₂O₃ (wobei Ln für alle Seltenerdmetalle steht), ist gut bekannt. Dabei ist von Bedeutung, dass bei der Bildung von Festlösungen die Temperaturen beider Phasenübergänge von ZrO₂ wesentlich zurückgehen.
Aus der Anmeldung JP 62-30660 (veröffentlicht 09.02.87) ist ein keramisches Material bekannt, welches ZrO₂ und 2–4 Y₂O₃ enthält. Die Basis dieses Materials (bis zu 90%) ist Zirkoniumdioxid in seiner tetragonalen Modifikation. Das Material stellt eine Sinterkeramik dar und besteht aus unregelmäßig geformten Körnern mit Abmessungen von max. 0,1 μm. Diese Keramik hat eine hohe Härte, Biegefestigkeit und Zähigkeit. Jedoch enthält sie auch die monokline Phase von Zirkoniumdioxid und Submikroporen an der Körnergrenze. Deswegen ist bei diesem Stoff eine Abbröckelung von Körnern zu beobachten. Dies erhöht die Versprödung des Materials und vermindert seine Abnutzungsfestigkeit. Aus dem Stand der Technik sind Rasierklingen bekannt, die aus diesem keramischen Material gefertigt sind. Jedoch stellt das inhomogene Gefüge des die Beimischung der monoklinen Phase von Zirkoniumdioxid enthaltenen Materials keine hohe Abnutzungsfestigkeit und Festigkeit der Klingen sicher.
Die Technologie der Keramikherstellung mittels Sinterns gibt keine Möglichkeit, ein hochdichtes Material mit ausreichender mechanischer Festigkeit des keramischen Materials zu bekommen.
Die Herstellung von Ausgangspulver mit einer gleichmäßigen Korngrößenverteilung über den gesamten Umfang und mit einer gleichmäßigen Verteilung des stabilisierenden Oxids im Zirkoniumdioxid bereitet große Probleme. Beim Sintern und besonders bei einer isostatischen Kompression kommt eine tetragonal-monokline Verwandlung zustande. Dadurch entsteht eine druckbeanspruchte Oberflächenschicht.
Das führt dazu, dass die monokline Phase von Zirkoniumdioxid im Material als Begleitsubstanz präsent ist und dass die Oberfläche infolge der Abspaltung von keramischen Körnern beim Einsatz des Materials abbröckelt. Das vermindert seine Abnutzungsfestigkeit.
Bei der Anwendung von Klingen aus keramischen Sintermaterialien trägt ihr poröses körniges Gefüge zu einem beschleunigten Abbau der Schneidekante bei, darunter auch infolge der Spannungsdurchschläge im Bereich der Schneidekante. Darüber hinaus tragen die Porosität und das körnige Gefüge zur Krustenbildung auf den Schneideebenen der Klingen bei. Dies erschwert den Ablauf bei der Vorsterilisationsreinigung und der Sterilisation. Die Anschliffschärfe der Schneidekante ist durch die Größe der Sinterkörner begrenzt. Es ist so gut wie unmöglich, eine abnutzungsfeste Schneidekante zu bekommen, deren Korngröße unter einer maximalen Korngröße liegt.
Um einen hochfesten, vielkristallinen Zirkonium-Werkstoff zu bekommen, sind unterschiedliche Modifikationen einer Hochtemperaturabschmelzung und einer gerichteten Kristallisation zu verwenden.
Aus dem Patent US 4153469 B ist ein Material auf der Basis von Zirkoniumdioxid bekannt, welches mit 10–30%igem Yttriumoxid stabilisiert ist. Das Material ist mittels einer gerichteten Kristallisation der Schmelze in einem HF-Feld in einem kalten Behälter hergestellt. Dafür ist der Behälter mit der Schmelze aus der Erhitzungszone mit einer Geschwindigkeit von 2–30 mm/Stunde zu heben. Wenn der Behälter aus der Erhitzungszone entfernt ist, fängt das Wachstum der Monokristalle in Form ihres Konglomerats (Rohling) an. Es ist dann leicht in einzelne Monokristalle zu trennen. Das Material stellt ein Monokristall mit einer kubischen Modifikation von Zirkoniumdioxid dar. Es hat eine hohe Mikrohärte (1300–1500 kg/mm²), weist jedoch eine erhöhte Versprödung und eine niedrige Schlagzähigkeit, Zähigkeit und Festigkeit auf. Dies steht einer breiten gewerblichen Anwendung des Materials entgegen.
Aus dem Stand der Technik ist ein Material auf der Basis von ZrO₂ bekannt, welches teilweise mit 3,5 Mol.%igem Yttriumoxid stabilisiert ist (Martinez-Fernandez J., Jimenez Melendo. M., Domingues-Rodriguez A., Heuer A. H. "Microindentation-induced transformation in 3,5 mol.%-yttria-partially-stabilized zirconia single crystal" J. Am. Ceram. Soc. 1991, p. 491). Dieses beschriebene Material ist ein Monokristall mit einer tetragonalen Modifikation eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids. Die Monokristalle sind mittels Züchtung aus einer Schmelze in einem Pfannenbär in Form von Einschlüssen der kubischen Modifikation von Zirkoniumdioxid hergestellt und weisen eine hohe Härte und Zähigkeit, jedoch geringe Abmessungen von 10 × 5 × 3 mm auf.
Aus dem Patent RU 97112489 A ist ein Material auf der Basis von ZrO₂ bekannt, teilweise stabilisiert mit 2,5–3,5 Mol.% Yttriumoxid. Das Material ist mittels gerichteter Kristallisation der Schmelze in einem kalten Behälter unter senkrechter Bewegung des Behälters in einem HF-Induktionsfeld hergestellt. Dabei ist der Behälter zuerst bis 1200–1400°C zu kühlen, indem die Induktorleistung allmählich vermindert wird. Danach erfolgt eine Abkühlung bis zu einer Raumtemperatur bei abgestelltem Induktor. Das Glühen des hergestellten Materials erfolgt in Luft bei 800–1400°C im Laufe von 1–10 Stunden oder in verdünnter Luft bei 10^–4–10^–1 mm Hg und 1100–2100°C im Laufe von 1–20 Stunden. Das Mikrogefüge des hergestellten Materials stellt chaotisch angeordnete Domänen in tetragonaler Phase dar. Die unregelmäßig geformten Domänen sind 100 bis 200 nm groß. Die Abnutzungsfestigkeit des Materials nimmt mit der Verkleinerung der Korngröße des Gefüges zu. Jedoch verursacht ein solches ultra-disperses Gefüge die Entstehung einer gespannten Oberflächenschicht mit einer erhöhten Druckbeanspruchung. Das vermindert die Widerstandsfähigkeit des Materials in Bezug auf die Rissbeginnstelle und dient als der günstige Faktor bei eventueller Verwandlung der tetragonalen Phase in die monokline Phase.
Ein aus dem Patent RU 2199616 C2 bekanntes Material besteht aus Kristalliten eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids. Die Kristalliten sind nadelförmig oder tafelförmig und max. 0,05 mm lang. Das Verhältnis der Länge zum max. Querschnitt beträgt mindestens 2:1. Die Kristallite sind parallel zu ihren langen Achsen angeordnet und bilden ein rechteckiges Gitter aus. Das Material ist mittels Schmelzens in einem kalten Behälter hergestellt. Der Behälter ist waagerecht zum Induktor mit einer Geschwindigkeit von 0,1–30 mm/Stunde zu bewegen. Dabei ist der Behälter bis 1300–1400°C bei einem bis 200–300 mm Hg abgebauten Druck gekühlt. Eine weitere Abkühlung ab 1400°C erfolgt bei langsamer Drucksteigerung im Laufe von mindestens 24 Stunden. Das hergestellte Material ist bei 600–1400°C unter Normaldruck oder bei 1100–2000°C und 10^–4–10^–1 Hg im Laufe von 1–20 Stunden geglüht. Im Vergleich zu bekannten Werkstoffen weist das hergestellte Material eine höhere Beständigkeit gegen Rissbeginn infolge einer Materialgefügeänderung und hohe mechanisch-physikalische Kennwerte auf. Deswegen ist es zur Fertigung von hochscharfen Klingen zu verwenden.
Dabei sind Skalpelle vorgeschlagen, die eine kleine Klinge aus dem beschriebenen Material mit einer Schneidekante und einen Klingenhalter aus Stahl aufweisen. Dabei ist die Klinge mit dem Halter fest verklebt. Während der Klingenfertigung aus dem beschriebenen Material entstehen darin bestimmte Innenspannungen. Diese Innenspannungen, das feinkristalline Gefüge des Materials mit chaotischer Anordnung der verschiedenförmigen Kristallite und die Anfälligkeit der Kristallite für Phasenübergänge bei thermischen und mechanischen Beanspruchungen stellen keine Phasenhomogenität der aus diesem Material gefertigten Erzeugnisse dar. Außerdem begrenzen die Klebeverbindungen die Standzeit der Skalpelle, die einer mehrfachen Sterilisation sowohl mit Erhitzung als auch unter Einsatz von Chemikalien ausgesetzt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein chirurgisches Einblock-Skalpell aus einem Material zu entwickeln, dessen physikalische und mechanische Eigenschaften die Ausbildung der Klinge mit Schneidekanten im genannten Einblockabschnitt ermöglichen. Dabei soll dieses Material hohe Konstruktions- und Betriebseigenschaften aufweisen: Festigkeit, Härte, chemische Beständigkeit, biologische Verträglichkeit, Antihafteigenschaften, Rissbeständigkeit, Abnutzungsfestigkeit, geringe Oberflächenporosität, Schärfe der Schneidekante, hohe Fertigungsgerechtheit, Benutzerfreundlichkeit, Handlichkeit bei der Vorsterilisationsreinigung und Sterilisation. Es soll auch die Ausbildung von feinen Klingen mit unterschiedlichen baulichen Elementen in Mikrongröße ermöglicht sein, z. B. mit Aussparungen, Kanälen, Fasen, Rillen, Nuten, Löchern und Schneidekanten in Mikronstärke.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Forschungen von bekannten Modifikationen eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids, welches mittels gerichteter Kristallisation in einem kalten Behälter einer Zirkoniumdioxid-Schmelze mit Yttriumoxid als stabilisierende Komponente (M. A. Borik, M. A. Vischnyakova, O. M. Zhigalina, A. B. Kulebyakin, S. V. Lavrishshev, E. E. Lomonosova, V. V. Osiko, Forschung der Mikro- und Nanogefüge der Kristalle des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids. Nanotechnologien von Russland, 2008, 3, Heft 11–12, S. 76–81; Yu. S. Kuzminov, E. E. Lomonosova, V. V. Osiko, Schwerflüssige Materialien aus Kalttiegel, Moskau, NAUKA, 2004; 2. Yu. S. Kuzminov, E. E. Lomonova and V. V. Osiko. Cubic zirconia and Skull Meeting, Cambridge, UK. 346 p. 2008; (V. V. Osiko. Extra-strong wear-resistant materials based on nanostructured crystals of partially stabilized zirconium dioxide. Mendeleev Commun., 2009, 19, 117–122; M. A. Borik, V. T. Bublik, M. A. Vischnyakova, E. E. Lomonosova, V. A. Myzina, N. Yu. Tabachkova, A. A. Timofeev, <<Forschung des Gefüges und der Phasenzusammensetzung des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids>>, Oberfläche. Röntgen-, Synchrotron- und Neutronforschungen, 2011, Heft 2, S. 1–6)) haben Folgendes gezeigt: Bei der gerichteten Kristallisation einer Schmelze mit der Zusammensetzung ZrO₂ – 2÷6 Mol.% Y₂O₃ entstehen Kristalle kubischer Phasenmodifikation. Mit dem Vorrücken der Temperaturfront und einer allmählichen Abkühlung der gezüchteten Kristalle bis zu einer Überganstemperatur von kubisch nach tetragonal (2400–2300°C je nach der Konzentration des Stabilisationsoxids) bleiben die Kristalle phasenmäßig homogen und kubisch. Bei einer weiteren langsamen Abkühlung erfolgt ein Wechsel vom kubischen zum Tetragonalgefüge. Dieses Gefüge bleibt bei der Abkühlung bis zur Raumtemperatur erhalten. Die hergestellten Kristalle haben eine glatte Oberfläche. Sie sind milchweiß. Dies ist ein äußeres Merkmal des darin erfolgten Phasenübergangs. Die Kristalle erhalten ihre Kontinuität. Sie haben keine Risse. Die einzelnen Kristalle in der Gruppe der gezüchteten Kristalle sind dicht aneinander im Blockumfang gepackt. Es sind keine Abstände zwischen den Kristallen vorhanden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b Abbildungen des elektromikroskopischen Gefüges des Monokristalls und
2 das Skalpell in Seitenansicht.
Die 1a und 1b zeigen die elektronenmikroskopische Abbildung des Gefüges des Monokristallmusters eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids mit einer Zusammensetzung ZrO₂ + 3,2 Mol.% Y₂O₃ mit der Ausrichtung der Musterstückebene (100). Aus 1a ist ersichtlich, dass die meisten Domänen eine verlängerte Form aufweisen. Die primären Zwillingsplatten verzwilligen sich ihrerseits und bilden somit ein parkettweises Gefüge aus Zwillingsdomänen. Die Spuren der sekundären Verzwilligungsebene liegen mit einem Winkel von ~45° zur Spur der Ebene der Primärverzwilligung. Die 1b zeigt das Ergebnis der elektronenmikroskopischen Untersuchung des Kristallprobegefüges bei hoher Auflösung – vorhandene ca. 10 nm breite Mikrozwillinge.
Dem Monokristall ist das Vorhandensein mit einem gut entwickelten Zwillingsdomäne-Gefüge mit zwei der kubischen Phase nahe liegenden tetragonalen Modifikationen von Zirkoniumdioxid mit verschiedenen Graden an Tetragonalität eigen: 1.006–1.007 und 1.014–1.015. Die Verzwilligungsebene der Domänen ist die Ebene (110). Das Gebiet der primären Verzwilligung hat die Form von Platten (Tafeln). Diese Platten verzwilligen sich ihrerseits und bilden somit das parkettweise Gefüge aus Zwillingsdomänen. Die Spuren der sekundären Verzwilligungsebene liegen unter einem Winkel von –45° zur Ebene der primären Verzwilligung. Die Verzwilligung geschieht in den Ebenen, die zur vierzähligen Symmetrieachse C der ursprünglichen Hochtemperaturphase geneigt sind. Die Verzwilligung kann in den Ebenen (101) und (011) zustande kommen und fehlt in der Ebene (110), die parallel zur C-Achse liegt. Dabei kann die Verzwilligungshierarchie beobachtet werden: Es gibt die Zwillinge der 1., der 2., der 3. Folge usw. Dabei enthält jeder der Zwillinge die Zwillinge der nächsten Folge in sich. Ein solches Gefüge führt im Endeffekt zur Nanostrukturierung des Materials mit der Bildung von Domänengefügen, deren Größen unter 200 nm liegen.
Die Identifikation des Materials des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids kann anhand des evtl. vorhandenen oben beschriebenen Zwillingsgefüges nach dem Verfahren der Durchstrahlungselektronenmikroskopie durchgeführt werden.

Die strukturelle Vollkommenheit der Interdomäne-Grenzen in Kristallen der teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxide, die Homogenität bei der Verteilung der Festlösungskomponenten, die Homogenität der phasenmäßigen Zusammensetzung im Kristallumfang und die Porenfreiheit sorgen für höhere mechanische Eigenschaften gegenüber Keramik mit einer ähnlichen Zusammensetzung. Die Vergleichseigenschaften der teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxide mit Keramik auf der Basis von Aluminiumoxid und von Zirkoniumdioxid sind in der Tabelle angeführt. Tabelle

Material	Mikro-Härte GPa	Biegefestigkeit MPa	Bruchzähigkeit, MPa·m^0,5	Eigenkorngröße, μm
Teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid, hergestellt nach dem oben genannten Verfahren	15,08	800–1200	10	keine
Keramik auf der Basis von Al₂O₃	13,5	650–800	5,2–8,0	1,0–5,0
Keramik auf der Basis von ZrO₂	12,8	600–800	5,8–9,0	1,0–5,0

Die tafelförmigen gleich großen Muster sind aus einem Stück von Monokristall des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids in der Richtung entlang der Wachstumsachse oder chaotisch ausgeschnitten. Die Muster wurden einer tiefen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, die mit dem inhomogenen Temperaturverlauf im Umfang und auf der Oberfläche zusammenhing, z. B. Schleifen, Schneiden, Polieren, mechanische Zerkleinerung bis zu Pulver mit einer Korngröße von 50–150 μm. Die Erfinder haben festgestellt, dass in solchen Mustern Änderungen der Phasenzusammensetzung des Monokristalls zustande kommen, welche auf den Übergang der transformierbaren Tetragonalphase in die monokline Phase zurückzuführen sind. Darüber hinaus ist während der mechanischen Bearbeitung die Oberflächenschicht beschädigt. Die darin entstehenden Spannungen verursachen die Bildung von Gefügeinhomogenitäten, die mit den Domänendrehungen zusammenhängen. Die entstehende Gefüge- und Phaseninhomogenität der Oberfläche nach der mechanischen Bearbeitung trägt zur Entstehung von lokalen Spannungen bei, die die Bildung von Oberflächen-Mikrorissen verursachen. Diese Mikrorisse vermindern die Rissbeständigkeit und die Abnutzungsfestigkeit des Materials.
Dabei haben die Erfinder Folgendes festgestellt: Um das teilweise stabilisierte Zirkoniumdioxid als Konstruktionswerkstoff anwenden zu können, ist es wichtig, die Richtung der Anordnung der am meisten beanspruchten Teile der Klinge und zwar der Schneidekanten entlang einer der kristallographischen Achsen <100> des Gitters des genannten Monokristalls zu berücksichtigen. Es ist auch wichtig, die Wiederherstellung der Phasenhomogenität des Materials nach der mechanischen Behandlung sicherzustellen.
Das einzigartige Nanodomäne-Gefüge der Monokristalle des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids ist außerordentlich plastisch und stellt solche Eigenschaften der Kristalle sicher, welche sich von den Eigenschaften von Sinterkeramik mit jeweiliger Zusammensetzung unterscheiden:

– eine maximal hohe Dichte des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids für die genannte Zusammensetzung. Das ist auf die Aufrechterhaltung der Kontinuität und die vollständige Porenfreiheit zurückzuführen;
– eine hohe Festigkeit, die die Festigkeit von Sinterkeramik überschreitet;
– eine Rissbeständigkeit, welche die von Sinterkeramik und anderen Nichtmetallmaterialien überschreitet;
– hohe tribotechnische Eigenschaften: sehr niedrige Reibungszahl und hohe Verschleißfestigkeit;
– die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung hoher mechanischer Eigenschaften innerhalb eines großen Temperaturbereichs von Minus 140 bis Plus 1400°C;
– eine chemische Inaktivität und biologische Verträglichkeit.

So ist während der durchgeführten Untersuchungen aus dem teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxid nach dem Verfahren der gerichteten Kristallisation einer Dioxid-Schmelze ein 180 mm hoher Kristallblock mit einem Durchmesser von 400 mm erzeugt worden. Die Dioxid-Schmelze enthielt 0,2–8,0 Mol.% Yttriumoxid. Die Schmelze ist in einem elektromagnetischen HF-Feld entlang der senkrechten Wachstumsachse mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 4 mm/St. im Laufe von 8 bis 15 Stunden und danach mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 15 mm/St. im Laufe von 10 bis 15 Stunden von oben nach unten bewegt worden. Die Schmelze ist auch einem Glühen in Luft bei einer Temperatur von 1250 bis 1400°C im Laufe von 10 bis 100 Stunden oder einem Glühen bei einer Temperatur von 2000 bis 2200°C in verdünnter Luft bei einem Druck ab 10^– bis 10^–1 mm Hg im Laufe von 2 bis 10 Stunden ausgesetzt worden. Dabei haben die Erfinder Folgendes ermittelt:

A) Die Züchtung eines Kristallblocks mit geringer Geschwindigkeit in der Anfangsstufe erlaubt es, die Kristallanzahl im Block zu vermindern und die Abmessungen einzelner Kristalle zu vergrößern. Eine nachfolgende Steigerung der Wachstumsgeschwindigkeit verursacht ein Erreichen von mehr homogener phasenmäßiger Zusammensetzung im Umfang der Kristalle dank einer kürzeren Verweilzeit seiner einzelnen Teile in verschiedenen Temperaturzonen beim Wachstum.
B) Die oben genannten Eigenschaften von teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxiden sind durch Prüfungen nachgewiesen. Sie sind durch folgende Faktoren bedingt: eine strukturelle Vollkommenheit der Interdomäne-Grenzen in den Monokristallen des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids; eine Homogenität bei der Verteilung der Festlösungskomponenten und eine Homogenität der phasenmäßigen Zusammensetzung im Kristallumfang sowie die Porenfreiheit.

Während der Forschungen des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids ist festgestellt worden, dass das Gefüge des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids von der Zusammensetzung der Schmelze und insbesondere von der Art und der Konzentration der Stabilisationskomponenten der Festlösung, dem Temperaturverlauf während der Bildung und der zusätzlichen Wärmebehandlung abhängig ist.
Dabei haben die Erfinder Folgendes festgestellt: Um das teilweise stabilisierte Zirkoniumdioxid als Konstruktionsmaterial zur Fertigung von Klingen für medizinische Instrumente anwenden zu können, muss unbedingt die Richtung der Anordnung der am meisten beanspruchten Teile der Klinge – seiner Schneidekanten – entlang der kristallographischen Achsen <100> des Monokristallgitters des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids berücksichtigt werden. Es ist auch wichtig, die Wiederherstellung der Phasenhomogenität des Materials nach der mechanischen Behandlung sicherzustellen.
Die chirurgischen Skalpelle gemäß der Erfindung können aus einem Stück eines Monokristalls des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids gefertigt werden. Der Monokristall ist mittels einer gerichteten Kristallisation der Zirkoniumdioxid-Schmelze mit einer stabilisierenden Komponente in einem kalten Behälter hergestellt. Dabei kann als stabilisierende Komponente Yttriumoxid mit Anteilen von 0,2–8,0 Mol.%, vorzugsweise Yttriumoxid mit Anteilen von 2,8–3,7 Mol.%, oder Oxide von Seltenerdmetallen von Zer bis Lutetium mit Anteilen von 0,1–5,0 Mol.% eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Schmelze mit solchen Beimischungen ergänzt werden, die eine Kontrastfärbung des Materials der Klingen im Hintergrund des Operationsfeldes sicherstellen. Mögliche Farben sind z. B.: milchweiß, rosig, lila, gelb, rot, orange, hellblau, grünlichgelb, violett, elfenbeinfarbig, nassasphaltgrau oder schwarz.
Die Kristallisation ist z. B. in einem Behälter durchgeführt. Auf dem Behälterboden ist eine wärmedämmende Schicht der Ausgangsstoffe angeordnet. Die Ausgangsmaterialien sind am Umfang des Behälters als konzentrische Schichten gelegt. In der Mitte befindet sich metallenes Zirkonium, um ein Anfangsschmelzen sicherzustellen. Das Abschmelzen der nachfolgenden Schichten ist durch das Schmelzen von Zirkonium ausgelöst. Dies erfolgt in einem HF-Induktionsfeld bei gleichzeitiger Abkühlung der Behälterwände und des Behälterbodens. Die resultierende Schmelze ist 3–4 Stunden lang gehalten. Danach ist die gerichtete Kristallisation der Schmelze vorgenommen. Dafür wird die Schmelze im HF-Induktionsfeld abwärts entlang der senkrechten Wachstumsachse bewegt, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 4 mm/St. im Laufe von 8 bis 15 Stunden, und danach mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 15 mm/St. im Laufe von 10 bis 15 Stunden.
Anschließend ist das Glühen des Monokristalls vorgenommen. Dies stellt die Phasenhomogenität in seinem Umfang sicher. Dabei erfolgt das Glühen erfindungsgemäß in Luft bei einer Temperatur von 1250 bis 1400°C im Laufe von 10 bis 100 Stunden oder in verdünnter Luft bei einer Temperatur von 2000 bis 2200°C bei einem Druck ab 10^–2 bis 10^–4 mm Hg im Laufe von 2 bis 10 Stunden. (Im zweiten Fall wechselt der Monokristall seine Farbe.)
Das hergestellte Material weist eine Domänengröße von unter 0,2 μm, ein Monoblock-Oberflächengefüge und eine tetragonale Phasen-Homogenität im Umfang auf. Es enthält Zwillingsgefüge, die miteinander unter 45° zur Ebene der Verzwilligung ausgerichtet sind. Sie sind mittels der Kristalle der Tetragonalphasen mit Tetragonalitätsgraden von 1.005–1.007 und 1.014–1.035 ausgebildet. Die Tetragonalitätsachsen der Zwillingsgefüge sind zueinander unter einem Winkel von 85–90° ausgerichtet und nicht kollinear.
Das hergestellte Material hat eine Mikrohärte von 15,08 GPa, eine Biegefestigkeit von 800–1200 MPa und eine Bruchzähigkeit von 10 MPa·M^0,5. Es ist ein porenfreies und abnutzungsfestes Dielektrikum.
Der Fertigungsvorgang der Musterskalpelle aus dem Monokristall des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids gemäß 2 umfasst einige Schritte:

1. Ausrichtung des Monokristalls gemäß den kristallographischen Achsen <100> des Gitters.
2. Schneiden des Monokristalls in Platten mit vorgegebenen Größen. Dabei wird die Anordnung der Schneidekante im Monokristall mit der Ausrichtung entlang einer der kristallographischen Achsen <100> des Monokristallgitters sichergestellt.
3. Die mechanische Bearbeitung umfasst Maßbearbeitung, Schleifen, Bohren und Anschliff. Dabei sind Skalpelle mit Doppelanschliff gefertigt. Der Anschliffradius der Schneidekante beträgt 0,2 μm. Die Untersuchungen der Oberflächenabschnitte der nach dem oben beschriebenen Verfahren gefertigten Klingen haben gezeigt, dass es im Hintergrund der Hauptausrichtung [001] Abschnitte mit einer Senkrechten [110] auf der Oberfläche der Klinge gibt. Dies zeugt von der vorliegenden Blockbildung auf der Oberfläche der Probe. Der Winkel der Fehlorientierung bei Nachbarblöcken beträgt 90°.
4. Glühen des fertigen Skalpells, um die Rissbeständigkeit der Schneidekante durch die Entfernung der während der mechanischen Bearbeitung entstandenen monoklinen Phase auf der Skalpelloberfläche sowie durch die Wiederherstellung der tetragonalen Phasenhomogenität wenigstens im Bereich der Schneidekante zu erhöhen. Dabei kann ein Skalpell erfindungsgemäß dem Glühen in Luft ausgesetzt werden. Dafür wird es innerhalb von 2–5 Stunden bei einer Temperatur von 1200–1350°C mit einer Temperaturzunahmegeschwindigkeit von 6–10°C/Min. und mit einer Temperaturabnahmegeschwindigkeit von 6–8°C/Min. gehalten.

Die Klingenoberflächengüte nach dem Glühen wurde nach dem Verfahren der Elektronenmikroskopie unter Einsatz der Diffraktion der rückgestrahlten Elektronen (EBSD) geprüft. Nach dem Glühen wies die Skalpelloberfläche ein komplettes Monoblock-Gefüge der Tetragonalphase auf.
Somit ermöglicht die Wärmebehandlung der aus Monokristallen des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids hergestellten Erzeugnisse, bei dem genannten Temperaturverlauf eine Oberfläche zu bekommen, welche eine hohe Gefüge- und Phasenhomogenität der Oberfläche der Schneidekante aufweist. Die beschriebene Glüharbeit sorgt für eine Erhöhung der Rissbeständigkeit der Schneidekante und beeinträchtigt ihre Schärfe nicht.
Dank einer fehlenden Mikroporosität sind die Antihafteigenschaften der Skalpelle aus dem teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxid diesen aus Keramik überlegen. Die Antihafteigenschaften bestimmen die Dauer der Vorsterilisationsreinigung, z. B. mittels der Behandlung in einem Ultraschallbad. Die Verwendung der wärmebehandelten Skalpelle verkürzt die Vorsterilisationsreinigung um das 3–5-fache im Vergleich zu Keramikmaterialien mit einer Korngröße von 1–5 μm.
Die Färbung des Materials stellen die darin vorhandenen farbtragenden Kationen sicher, wie z. B. die Kationen der Seltenerdmetalle oder polyvalente Kationen von Übergangsmetallen aus folgender Reihe: Kobalt, Titan, Chrom, Aluminium, Vanadin, Mangan, Eisen, Nickel, Neodym, Lanthan, Praseodym, Zer, Samarium, Europium, Gadolinium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium.
Die Skalpelle gemäß der Erfindung können in unterschiedlichen baulichen Ausbildungsformen gefertigt werden: mit einem Griff und ohne ihn, in Form einer Platte, mit geradliniger Schneidekante, mit krummliniger Schneidekante, mit einer Schneidekante mit Doppelanschliff usw. Das Skalpell kann einem mehrfachen Anschleifen mit nachfolgender Glühen gemäß dem oben beschriebenen Temperaturverlauf ohne jegliche Verschlechterung seiner Eigenschaften im Laufe einer langen Zeit ausgesetzt werden.
Das Skalpell ist hochfest, hart, chemisch beständig, biologisch verträglich, rissbeständig, abnutzungsfest und hat gute Antihafteigenschaften. Es weist eine porenfreie Oberfläche, eine scharfe Schneidekante auf, ist hochfertigungsgerecht, benutzerfreundlich, bequem und handlich während der Vorsterilisationsreinigung und der eigentlichen Sterilisation. Es ermöglicht die Ausführung von feinen Klingen mit unterschiedlichen Konstruktionsmerkmalen in Mikrongröße, z. B. mit Aussparungen, Kanälen, Fasen, Rillen, Nuten, Löchern und Schneidekanten in Mikronstärke.
Das Skalpell kann anhand bekannter technischer Verfahren und Instrumente gefertigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 62-30660 [0012]
US 4153469 B [0018]
RU 97112489 A [0020]
RU 2199616 C2 [0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Martinez-Fernandez J., Jimenez Melendo. M., Domingues-Rodriguez A., Heuer A. H. ”Microindentation-induced transformation in 3,5 mol.%-yttria-partially-stabilized zirconia single crystal” J. Am. Ceram. Soc. 1991, p. 491 [0019]
M. A. Borik, M. A. Vischnyakova, O. M. Zhigalina, A. B. Kulebyakin, S. V. Lavrishshev, E. E. Lomonosova, V. V. Osiko, Forschung der Mikro- und Nanogefüge der Kristalle des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids. Nanotechnologien von Russland, 2008, 3, Heft 11–12, S. 76–81 [0026]
Yu. S. Kuzminov, E. E. Lomonosova, V. V. Osiko, Schwerflüssige Materialien aus Kalttiegel, Moskau, NAUKA, 2004 [0026]
2. Yu. S. Kuzminov, E. E. Lomonova and V. V. Osiko. Cubic zirconia and Skull Meeting, Cambridge, UK. 346 p. 2008 [0026]
V. V. Osiko. Extra-strong wear-resistant materials based on nanostructured crystals of partially stabilized zirconium dioxide. Mendeleev Commun., 2009, 19, 117–122 [0026]
M. A. Borik, V. T. Bublik, M. A. Vischnyakova, E. E. Lomonosova, V. A. Myzina, N. Yu. Tabachkova, A. A. Timofeev, <<Forschung des Gefüges und der Phasenzusammensetzung des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids>>, Oberfläche. Röntgen-, Synchrotron- und Neutronforschungen, 2011, Heft 2, S. 1–6 [0026]

Claims

Chirurgisches Skalpell mit einer Klinge mit einer Schneidekante und einen Griff, wobei die Klinge aus einem Material auf der Basis von Zirkoniumdioxid besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Skalpell einteilig in Form eines Blocks aus einem Stück eines Monokristalls eines harten, rissbeständigen, abnutzungsfesten und porenfreien Materials mit Antihafteigenschaften auf der Basis eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids hergestellt ist, dass der Monokristall mittels gerichteter Kristallisation der Zirkoniumdioxid-Schmelze mit einer stabilisierenden Komponente hergestellt ist, dass der Monokristall bei einer Domänengröße von unter 0,2 μm ein Einblockgefüge der Oberfläche aufweist und dass dieses Skalpell eine Phasen- und Gefügehomogenität im Umfang und auf der Oberfläche wenigstens im Bereich der Schneidekante aufweist.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Stück eines Monokristalls des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids gefertigt ist, wobei der Monokristall mittels gerichteter Kristallisation aus der Zirkoniumdioxid-Schmelze mit einer Stabilisationskomponente hergestellt ist, wobei der Monokristall untereinander ausgerichtete Zwillingsgefüge mit einem Winkel von 45° zur Ebene der Verzwilligung aufweist, wobei die Zwillingsgefüge durch tetragonale Phasen mit unterschiedlichen Graden der Tetragonalität gebildet sind, die Tetragonalitätsachsen der Zwillingsgefüge zueinander unter einem Winkel von 85–90° ausgerichtet und nicht kollinear sind und wobei das Skalpell wenigstens im Bereich der Schneidekante tetragonale Phasenhomogenität aufweist.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Stück eines Monokristalls des stabilisierten Zirkoniumdioxids gefertigt ist, welches Zwillingsgefüge aufweist, wobei die Zwillingsgefüge mittels Kristallen der Tetragonalphase mit Tetragonalitätsgraden von 1.005–1.007 und 1.014–1.035 ausgebildet sind.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidekante mit der Ausrichtung entlang einer der kristallographischen Achsen <100> des Gitters des genannten Monokristalls ausgebildet ist.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Stück eines Monokristalls des teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids hergestellt ist, wobei der Monokristall mittels gerichteter Kristallisation erzeugt ist, indem die Schmelze in einem HF-Induktionsfeld abwärts entlang der senkrechten Wachstumsachse des Kristallblocks bewegbar ist, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 4 mm/Stunde im Laufe von 8 bis 15 Stunden und danach mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 15 mm/Stunde im Laufe von 10 bis 15 Stunden und wobei anschließend ein Glühen des Monokristalls vornehmbar ist, um eine Phasen- und eine Gefügehomogenität im Umfang und auf der Oberfläche des Monokristalls sicherzustellen.
Skalpell nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen- und die Gefügehomogenität mittels Glühens des Monokristalls in Luft bei einer Temperatur von 1250 bis 1400°C im Laufe von 10 bis 100 Stunden sichergestellt sind.
Skalpell nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen- und die Gefügehomogenität im Umfang und auf der Oberfläche des Monokristalls mittels Glühens des Monokristalls bei einer Temperatur von 2000 bis 2200°C in verdünnter Luft bei einem Druck ab 10^– bis 10^–1 mm Hg im Laufe von 2 bis 10 Stunden sichergestellt sind.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als stabilisierende Komponente Yttriumoxid angewendet ist.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Stück eines Monokristalls des genannten stabilisierten Zirkoniumdioxids hergestellt ist, wobei der Monokristall aus einer Schmelze von Zirkoniumdioxid mit einem Yttriumoxid-Anteil von 2,8–3,7 Mol.% erzeugt ist.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte tetragonale Phasen-Homogenität mittels Glühens des fertigen Skalpells sichergestellt ist.
Skalpell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in Luft geglüht ist. wobei das Skalpell innerhalb von 2–5 Stunden bei einer Temperatur von 1200–1350°C mit einer Temperaturzunahmegeschwindigkeit von 6–10°C/Min. und mit einer Temperaturabnahmegeschwindigkeit von 6–8°C/Min. gehalten ist.
Chirurgisches Skalpell, welches eine Klinge mit Schneidekante und einen Griff aufweist, wobei die Klinge aus einem Material auf Basis von Zirkoniumdioxid gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Skalpell einteilig in Form von einem Einblock aus einem Stück von Monokristall des harten, rissbeständigen, abnutzungsfesten und porenfreien Materials mit Antihafteigenschaften auf Basis eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxids hergestellt wird, dass der Monokristall mittels gerichteter Kristallisation der Zirkoniumdioxid-Schmelze mit einer stabilisierenden Komponente hergestellt ist, dass der Monokristall bei einer Domänengröße von unter 0,2 μm ein Einblockgefüge der Oberfläche aufweist und dass dieses Skalpell eine Phasen- und Gefügehomogenität im Umfang und auf der Oberfläche wenigstens im Bereich der Schneidekante aufweist.