DE2134925A1 - Cast and forged alloy for surgical and dental implants - Google Patents
Cast and forged alloy for surgical and dental implantsInfo
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Description
r«Unlanw«Hr «Unlanw« H
Institut Dr.Ing.Reinhard Straumann AG, Waidenburg (Schweiz) Institute Dr Reinhard Straumann AG , Waidenburg (Switzerland)
Guss- und Schmiedelegierung für chirurgische und zahnärztliche ImplantateCast and forged alloy for surgical and dental implants
Als Werkstoffe für Implantate der KnochenchirurgieAs materials for implants in bone surgery
und Zahnprothetik werden rostfreie Stähle, Nickel-Chrom-Legierungen, Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen, Gold-Legierungen etc. verwendet. Besonders bekannt sind zum Beispiel Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen unter den Marken Vitalllum, Wiptam etc. Aus letzteren Legierungen wurden auch zahnärztliche Implantate hergestellt; dies sind Implantate, welche operativ subperiostal im Kiefer verankert und mit Gewebe überdeckt; werden und an herausragenden Stiften Prothesen tragen. Wegen ungenügender Verträglichkeit fehlen Dauererfolge, Abstossungsreaktlonen und Entzündungen waren häufig. Bei Kontakt mit Metallen wird gewöhnlich auch Zahnflelschschwund beobachtet.and dental prosthetics are made of stainless steels, nickel-chromium alloys, Cobalt-chromium-molybdenum alloys, gold alloys etc. are used. Are particularly well known for Example cobalt-chromium-molybdenum alloys under the brands Vitalllum, Wiptam etc. From the latter alloys Dental implants were also made; these are implants which are surgically anchored subperiosteally in the jaw and covered with fabric; and wear prostheses on protruding posts. Because of insufficient tolerance there is a lack of long-term success, rejection reactions and inflammation were common. When in contact with metals it is common also observed tooth fissure atrophy.
KobaLt-Chrom-Ilolybdän-, Iliekel-Chrom- und GoId-LeßItrunken alnd Gusslegierungen. Forderungen an solche l.cxt er Lallen für Implantate und Prothetik sind: niedrigerKobaLt-Chrom-Ilolybdenum-, Iliekel-Chrom- and Gold-LeßItrunken and casting alloys. Demands on such l.cxt er lalls for implants and prosthetics are: lower
13020/PaLL Uj -Ut
Ed /st 13020 / PaLL Uj - Ut
Ed / st
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Schmelzpunkt, gutes Fliessverhalten, genügende mechanische. Festigkeit, Härte und nicht geringe Duktilität, Gewebefreundlichkeit. Melting point, good flow behavior, sufficient mechanical. Strength, hardness and not low ductility, tissue friendliness.
Im lebenden Gewebe korrodieren alle Metalle mehr oder weniger stark, und auch bei nicht sichtbarem inrriff tritt eine Reaktion des Gewebes auf: Mit der Korrosion wird' das Metall in Hydroxyde ui.'d Oxyde i-berrefvhrt, Vielehe in Elektrolyt der Gewebeflüssigkeit dissoziieren und in Bereiche der Gewebezellen eine lokale, jedem Iietall spezifische Reaktion auslösen. Gewisse Metalle hemmen das Zelli/achstuu bis zur toxischen Reaktion, andere sind neutral. Von den Gusslegierungen ist folgendes bekannt: Goldlegierungen weisen einen Schmelzpunkt zwischen 900° C und 1OQO0C auf, haben eine VickershSLrte von et'·?? 2CO, eine Dehnungsgrenze von 20$ und zeigen in KörperflüssigkeitIn living tissue, all metals corrode to a greater or lesser extent, and a reaction of the tissue occurs even if the interference is not visible: With the corrosion, the metal is converted into hydroxides and oxides, many dissociate into the electrolyte of the tissue fluid and into Areas of the tissue cells trigger a local reaction that is specific to each individual. Certain metals inhibit the cell growth to the point of toxic reaction, others are neutral. Of the cast alloys following is known: gold alloys have a melting point between 900 ° C and 1OQO 0 C, have a VickershSLrte of et '· ?? 2CO, an elongation limit of $ 20 and show in body fluid
-7 2-7 2
'einen Korrosionsstrom von etvra 10 ' A/cm , entsprechend einen'a corrosion current of about 10' A / cm, corresponding to a
2
Angriff von ca. 10 /«-g/cm d.2
Attack of approx. 10 / «- g / cm d.
Kobalt-Legierungen wie Vitallium besitzen eine Schmelztemperatur von 13OO-l4OO°C, haben eine Vic*kershärte von etwa 250, eine Dehnungsgrenze von S% und verursachen einen Korro-Cobalt alloys such as Vitallium have a melting temperature of 1300-1400 ° C, have a Vic * kers hardness of about 250, an elongation limit of 5 % and cause corrosion
—Q 2
sionsstrom von etwa 10 " A/cm , entsprechend einen Angriff—Q 2
sion current of about 10 "A / cm, corresponding to an attack
2
von ca. 0,1 >*g/cm d.2
from approx. 0.1> * g / cm d.
Diese Zahlen zur Korrosion wurden elektrochemisch in vivo am Kaninchen gemessen. Das iietall war im Muskel implantiert. Kach Ende des Versuches von 3 bis 9 Wochen wurde das am Metall anliegende Gewebe histologisch untersucht. Es zeigte sich in allen Fällen eine Abkapselung; des Iletalles aurch Bindegewebe, also eine typische Fremokörperreaktion. Gleicne Versuche für Titan und Zirkon ergaben Korroaions-These corrosion figures were measured electrochemically in vivo on rabbits. The iietall was implanted in the muscle. At the end of the experiment of 3 to 9 weeks, the tissue attached to the metal was examined histologically. It Encapsulation was found in all cases; of the Iletalles through connective tissue, i.e. a typical foreign body reaction. The same tests for titanium and zircon showed corrosion
-10 2
ströme von 10 A/cm und weniger, entsprechend einem-10 2
currents of 10 A / cm and less, corresponding to one
2
Angriff von weniger 0,005 /? g/cm d. Die Histologie zeigte
kein Abkapseln, nur ein feines lockeres Bindegewebe in der Art einer Auffüllreaktion und das an Metall anliegende Gewebe
imi1 auch vaskularisiert, das helsat von voller Vitalität.2
Attack of less than 0.005 /? g / cm d. Histology showed no encapsulate only a fine loose connective tissue in the manner of a fill-in, and which is applied to metal fabric imi 1 also vascularized, the helsat of full of vitality.
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— ■? —- ■? -
Titan und Zirkon sind weiche Metalle (siehe zum Beispiel A.D.McQuillan and H.K.McQuillan:"Titanium", Metallurgy of the Raser Ketals Vol.4, Eutterworths Scientific Publications . London 1956; G,L.Miller: "Zirconium", Ketallurpy of the Raser Metals Vol.2, Eutterworths Scientific Publications London 1957) Den Fertigkeitsanforderungen für Implantate oder Materialien für Zahnprothetik genügen sie im gegossenen ocer geGlühten Zustand nicht. Auch sind die Giessverfahren wegen des hohen Schmelzpunktes und der Reaktivität nicht einfach.Titanium and zircon are soft metals (see for example A.D. McQuillan and H.K. McQuillan: "Titanium", Metallurgy of the Raser Ketals Vol 4, Eutterworths Scientific Publications. London 1956; G, L. Miller: "Zirconium", Ketallurpy of the Raser Metals Vol.2, Eutterworths Scientific Publications London 1957) The skill requirements for implants or materials They are sufficient for dental prosthetics in the cast ocer annealed state not. Also the casting process are because of the high Melting point and reactivity not easy.
Eine Ti-Zr-Legierung ist als Vorlegierung bekannt. Binäre Legierungen von Ti und Zr finden keine Anwendung, obviohl folgende Eigenschaften bekannt sind:A Ti-Zr alloy is known as a master alloy. Binary alloys of Ti and Zr are not used, although the following properties are known:
Schmelzpunkt der Legierung 50Ti50Zr (ΰβΐίΙοΙ^βρΓοζβΓ^β) istThe melting point of the alloy is 50Ti50Zr (ΰβΐίΙοΙ ^ βρΓοζβΓ ^ β)
l6iO°C, also etwa 100° niedriger als Ti und ca. 2500C niedriger als. Zr. Sie weist höhere Festigkeiten als die Reinr.etalle und gute Duktilität auf.l6iO ° C, or about 100 ° lower than Ti and about 250 0 C lower than. Zr. It has higher strengths than pure metals and good ductility.
Das Implantat nach der vorliegenden Erfindung, das sich für chirurgische und zahnärztliche Zwecke verwenden lässt, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Ti-Zr-Legierung besteht, die 25-75 Gewji, vorzugsweise 50 Gew# Zr aufweist und höchstens 3 Gewi übliche Verunreinigungen enthalt. The implant according to the present invention, which can be used for surgical and dental purposes, is now characterized in that it is made of a Ti-Zr alloy consists, the 25-75 Gewji, preferably 50 Gew # Zr and contains a maximum of 3 percent by weight of the usual impurities.
Die folgende Tabelle gibt gemessene Eigenschaften, welche im Hinblick auf die Anwendung als Implantat wichtig sind:The following table gives measured properties which are important with regard to the application as an implant are:
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Legierung (Gew. %) Alloy (wt. %)
-H-H
TIl5SrTIl 5 Sr
Festigkeits •later: desStrength • later: des
tsn und ge glühten Metallestsn and glowed metal
Elastizitätsmodul modulus of elasticity
Schmelzpunkt Melting point
Korrosioncorrosion
iievrebe verträglichkeit iievrebe compatibility
maxMax
in ^2in ^ 2
mnmn
5555
1010
9595
7070
6060
in % in %
inin
o,O,
3131
2525th
2929
!■im! ■ im
1060010600
172C172C
16901690
Legierung wie Reinmetalle Legierung wie RelninetalleAlloy such as pure metals Alloy such as pure metals
3232
1100011000
18601860
Die Festigkeiten der Legierungen lassen siel} durch KaIt-The strength of the alloys can be reduced by cold
2
verformen noch um etwa 30 kg/mm steigern, ohne dass die
Dehnungen auf weniger als 15$ abfallen.2
increase deformation by about 30 kg / mm without the elongation dropping to less than $ 15.
Die hohen Festigkeiten machen binäre Ti-Zr-Leglerungen r,:it 25-75 £ Zr hervorragend für Implantate geeignet, und zwar als geschmiedetes oder gegossenes Metall.The high strengths make binary Ti-Zr alloys r,: it 25-75 pounds Zr excellent for implants, namely as forged or cast metal.
Der niedrige Elastizitätsmodul Ist von. bionechanlschen Zielen her von hoher Befleutungj Implantate müssen neben genügender Festigkeit när.lich eine der Punktion des Knochens -angepasste Steifigkeit haben und das gleichbleibend niedrife Elastizitätsmodul ermöglicht auch weniger steife Implantate, bei gleicher Festigkeit, zu machen.The low modulus of elasticity is from. bionechanlschen Aiming high flood levels, implants must be sufficient Strength specifically adapted to the puncture of the bone Have rigidity and a consistently low modulus of elasticity also enables less stiff implants to be made with the same strength.
Das -'linimum des Schmelzpunktes bei etwa 50!? Zr erleichtert das Gießsen des Materials und es wurde auch ge-The -'linimum of the melting point at about 50 !? Zr relieved the casting of the material and it was also
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funden, dass Legierungen mit 25-75$ Zr sehr "flüssig" sind und Giessformen sehr gut füllen.found that alloys with $ 25-75 Zr are very "liquid" and fill molds very well.
Das Korrosionsverhalten und die Gewebevertr"?rlichkeit der Legierungen sind ebenso hervorragend wie jene der Reinmetalle. Der Knochen ist ebenso voll vital» sogar kann .gelegentlich von einem eigentlichen Stimulieren der Knochenbildung gesprochen werden.The corrosion behavior and the tissue tolerance the alloys are just as excellent as those of the pure metals. The bone is just as fully vital. It may even occasionally benefit from an actual stimulation of bone formation be spoken.
Andererseits zeigte sich, dass die spanabhebende Formgebung der Legierung vergleichbar zu Titan bleibt. Ebenso lassen sich gleichermassen Oberflächenbehandlungen durchführen, wobei Oxyde, Nitride oder Karbide durch Behandlungen in der Wärme (Gas, Salze etc.) oder das Oxydieren anodisch geschieht.On the other hand, it was found that the machining design the alloy remains comparable to titanium. Surface treatments can also be carried out in the same way, whereby oxides, nitrides or carbides are anodic by means of treatments in heat (gas, salts etc.) or by oxidizing happens.
Technisch.reines Titan enthält bis zu 2% die Elemente Pe, O2, U2, etc. als Verunreinigungen oder festigkeitssteigernüe Zusätze. Solche Zusätze können in den erfindungsgemessen Legierungen enthalten sein.Technically pure titanium contains up to 2% of the elements Pe, O 2 , U 2 , etc. as impurities or additives to increase strength. Such additives can be contained in the alloys according to the invention.
Aus diesen* Legierungen lassen sich Implantate der Knochenchirurgie, wie Platten, Schrauben, Knochennägel etc. herstellen, und zwar als Guss, durch Schmieden oder durch zerspanende Formgebung. Für die Zahnprothetik wird das Gussverfahren verwendet. Bei Implantaten der Zahnchirurgie können Gussverfahren oder Schmieden und zerspanende Formgebung angewandt sein; ein solches Implantat wird beispielsweise in den Knochen des Kiefers eingetrieben, wo es verwachst oder an diesen verschraubt und bis auf herausragende Stummel mit Gewebe überdeckt, wobei an diesen dann Prothesen befestigt werden. Die geschmiedete Legierung hat den Vorteil, dass sie vollständig homogen ist und die Korngrösse, Vielehe für die Dehnung wichtig sein kann, durch den Uraformungsprozess und Glühungen einstellbar iat.Bone surgery implants such as plates, screws, bone nails etc. can be made from these * alloys. Manufacture, as a cast, by forging or by machining shaping. The casting process is used for dental prosthetics. For dental surgery implants Casting or forging and machining can be used; such an implant is for example driven into the bone of the jaw where it grows together or screwed to these and covered with tissue except for protruding stubs, prostheses then attached to these will. The forged alloy has the advantage that it is completely homogeneous and the grain size, polygamy for the elongation can be important, it can be adjusted through the forming process and annealing.
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