DE2838335A1

DE2838335A1 - Verbindung von endoprothesenteilen aus kohlenstoffbasiswerkstoffen

Info

Publication number: DE2838335A1
Application number: DE19782838335
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Phys Brueckmann; Claus Busche; Klaus J Prof Dipl I Huettinger; Ulf Dipl Chem Dr Rosenblatt
Original assignee: Schunk and Ebe GmbH
Current assignee: Schunk and Ebe GmbH
Priority date: 1978-09-02
Filing date: 1978-09-02
Publication date: 1980-03-20

Description

Verbindung von Endoprothesenteilen aus
Kohlenstoffbasiswerkstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Endoprothesenteilen aus Kohlenstoffbasiswerkstoffen. Unter Kohlenstoffbasiswerkstoffen sind anorganische Werkstoffe zu verstellen, welche mindestens 50 Atomprozent Kohlerlstoff enthalten.
Die Vielfalt der Anforderungen an künstliche Gelenke, wie Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität, mechanische Festigkeit, Gleit- und Verschleißverhalten, Oberflachenbesciraffenheit usw., kann von einem einzigen Werkstoff nicht befriedigend erfüllt werden. Ein typisches Beispiel stellt die Hüftgelenksendoprothese dar, deren Femurteil, bestehend aus Schaft und Kopf, derzeit aus einem einzigen Werkstoff, nämlich aus einer Metallegierung, hergestellt wird. Die Funktionsdauer von Prothesen mit solchen Prothesen teilen beträgt im Mittel nur 7 Jahre. Gleiches gilt für die ebenfalls höchstbelastete Knieendoprothese.
Prothesen, die gewünschte Funktionsdauern von 30 - 40 Jahren besitzen, müssen aus mehreren Werkstoffen aufgebaut sein, von denen jeder einen Teil des Anforderungsspektrums abdeckt. Bei dieser Lösung ergibt sich jedoch das Problem der dauerhaften Verbindung der einzelnen Prothesenteile, das nicht befriedigend gelöst ist. Die höchsten Anforderungen an die Verbindungen werden von gleitenden Teilen mit Verankerungsteilen von höchstbelasteten Gelenken, nämlich den bereits erwähnten Hüft- und Iiniegelenken, gestellt.
Es sind Gelenkendoprothesen bekannt, bei denen ein oxidkeramischer Gelenkkopf mittels eines Kunststoffklebers auf den zylindrischen Zapfen eines metallischen Verankerungsteiles befestigt wird (DE-OS 2134316).
Diese Verbindung besitzt jedoch mehrere Nachteile: (1) Die Kunststoffe sind nicht in genügendem Maße körperverträglich, d. h. es können toxische Reaktionen hervorgerufen werden.
(2) Die Kunststoffe sind nicht ausreichend körperbeständig, d. h. sie können unter der Einwirkung der Körperflüssigkeit abgebaut werden. Im Falle einer Schädigung der Klebeverbindung ergeben sich Relativbewegungen zwischen Kópf und Verankerung, wodurch hoher Abrieb und letztlich Funktionsunfähigkeit der Prothese resultieren, Es ist weiter bekannt, einen oxidkeramischen Gelenkkopf mittels eines selbsthemmenden Konus mit einem metallischen Verankerungsteil zu verbinden (CH-PS 552383; DS-Gbm 7436033). Diese Verbindung hat den Nachteil, daß durch die konische Klemmung im Gelenkkopf Umfangspannungen entstehen, die speziell für keramische Werkstoffe äußerst kritisch sind. Bei hohen Belastungen besteht die Gefahr, daß der, spröde keramische Kopf reißt. Überhöhte Spannungen können bereits bei der Heißsterilisation infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik auftreten. Überhöhte Spannungen treten auch bei stoßartiger -Belastung der implantierten Prothese auf, wié beispielsweise beim schnellen Laufen oder Sprveen, Diese Nachteile sind in der DE-AS 2548591 erkannt worden.
Die dort vorgeschlagene Änderung des Steigungswinkels des Konus und die Erhöhung der Verformbarkeit des metallischen Vaterkonus mildern zwar die Gefahr eines Versagens dieser Konstruktion, beseitigen sie aber nicht.
Kohlenstoffbasiswerkstoffe, sei es polykristalliner Kohlenstoff, faserverstärkter Kohlenstoff, Glaskohlenstoff, Pyrokohlenstoff oder aber Siliziumcarbid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, weisen ein außerordentlich breites Eigenschaftsspektrum auf, wodurch praktisch sämtliche eingangs erwähnten Anforderungen an Prothesenteile abgedeckt werden können.
Besonders hervorzuheben sind die ausgezeichneten Gleiteigenschaften und niederen Verschleißraten des mit Siliziumcarbid infiltrierten Kohlenstoffes, die hervorragende Festigkeit des faserverstärkten Kohlenstoffes und die überragende Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit aller dieser Werkstoffe.
Durch Kombination solcher Kohlenstoffbasiswerkstoffe lassen sich nahezu alle Anforderungen an Prothesenteile abdecken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbindungsmöglichkeit für die Kohlenstoffbasiswerkstoffe zu schaffen, um die seriellen Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe in einer Prothese optimal zu nutzen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei welchem die vorgefertigten Prothesenteile an den formschlüssigen BerWirungsflächen mit einer Siliziumcarbid-Verbindungsschicht lcraftschlüssig verbunden werden.
Der Vorteil dieser Verbindung besteht vor allein darin, daß durch die Siliziumcarbidschicht beide Prothesenteile kraftschlüssig verbunden werden können. Somit kann die Verbindung im Gegensatz zum selbsthemmenden Konus nicht nur Druckkräfte, sondern auch Zugkräfte übertragen.
Die Herstellung der Siliziumcarbid-Verbindungsschicht ist auf verschiedene Art und Weise möglich, Besonders vorto,il kraft ist' es, die vorgefertigten, formschlüssig zusammengefügten Teile in einer Schmelze aus flüssigem Siliziuminetall zu behandeln. Dies erfolgt zweckmäßigerweise in einer Vakuum-Druck-Imprägniervorrichtung. Nach dem Eintauchen der Prothesenanordnung in das flüssige Silizium reagiert dieses mit dem Kohlenstoff aus den Prothesenteilen bis zur Ausbildung der Siliziumcarbid-Verbindungsschicht, die beide Prothesenteile kraftschlüssig und unlösbar miteinander verbindet.
in einer anderen Verfahrensvariante werden die vorgefertigten Teile vor dem Zusammenfügen an den Verbindungsfläctien mit einer Aufschlämmung von Siliziumpulver beaufschlagt, zusammengesteckt, getrocknet und sodann einer Wärmebehandlung bei etwa 2.000 °C unterworfen, wobei sich ebenfalls- durch Reaktion des Siliziums mit dem Kohlenstoff an den Prothese teilen eine Siliziumcarbid-Verbindungsschicht ausbildet. Der Aufschlämmung kann neben Siliziumpulver auch Kohlenstoffpulver beigefügt werden, falls an den Berührungsfläche nicht genügend freier Kohlenstoff zur Verfügung steht.
Den Verfahrensvarianten gemeinsam ist, daß sich bei der llochtemperaturbellandlung an der Verbindungss te lle infolge Reaktion des Siliziums mit freiem Kohlenstoff eine Siliziumcarbid-Verbindung ausbildet, deren Scherfestigkeit in der Größenordnung derjenigen der zu verbindenden Teile ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1 Bild 1 zeigt eine Kappenprothese mit Stift für künstliche liüftgelenke. Bei dieser Prothese besteht die Kappe aus einem Siliziumcarbid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und der die Verankerung unterstützende Stift aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff. Eine solche Prothese wird in folgenden Schritten hergestellt: (1) Fertigung der Kappe aus polykristallinem Kohlenstoff; (2) Fertigung des Stiftes aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff; (3) Zusammenfügen der beiden Teile; (4) Imprägnierung des Verbundes mit flüssigem Siliziums, wobei sich die Siliziumcarbid-Verbindungsschicht ausbildet. Gleichzeitig wird bei diesem Prozeß auch die aus polykristallinem, d. h. porösem Kohlenstoff bestehende Kappe mit Silizium infiltriert, welches infolge Reaktion mit dem Kohlenstoff in Siliziumcarbid umgewandelt wird.
Beispiel 2 Bild 2 zeigt eine Schaftprothese für ein künstliches lltiftgelenk. Bei dieser Prothese wurde ein Femurkopf aus einem Siliziumcarbid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff verwendet. Als Schaft dient, wie in Beispiel 1, ein koiii'nstoffaserverstärkter Kohlenstoff. Der Schaft hat am oberen Ende einen zylindrischen Zapfen von 10 mm # und die beiden Teile siiid so gefertigt, daß zwischen dem Zapfen am oberen Ende des Schaftes und der Kugel eine Spaltbreite von 50 /um vorliegt.
Zur Herstellung der Verbindung wurden die Verbindungs flächen beider Teile mit einer Aufschlämmung von Siliziumpulver in einem Gemisch aus Uhu und Aceton best-richen. Danach wurden die Teile unmittelbar zusammengefügt, getrocknet und mit einer mittleren Aufheizrate von 300 °C/h auf 1.800 °C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 1 Std.
gehalten. Anschließend wurde binnen 12 Std. auf Haumtemperatur abgekühlt.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Verbindung von Endoprothesenteilen aus Kohlens to ffbaslswe rks t.o ffen, d a d uär c h g e -k e n n z e i c p n e t, daß die vorgefertigten Prothesenteile an den formschlüssigen Berührungsflächen mit einer Siliziumcarbid-Verbindungsschicht kraftschlüssig verbunden werden..
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h -g e k e n n -z e i c h n e t, daß die vorgefertigten, formschlüssigen Prothesenteile in einem Vakuum-Druek-Verfahren in einer ~ flüssigen Silizjumschmelze unter Reaktion des Siliziums mit Kolulenstoff aus den Prothesenteilen bis zur Ausbildung der Siliziumcarbid-Verbindungsschicht behandelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die vorgefertigten, formschlüssigen Prothesenteile an den Verbindungsflächen oberflächlich mit einer Aufschlämmung von Siliziumpulver bestrichen werden, die so behandelten Teile zusammengefügt, getrocknet und zur Ausbildung einer Siliziumcarbid-Verbindungsschicht durch Reaktion des Siliziums mit Kohlenstoff aus den -Prothesenteilen in reduzierender Atmosphäre wärmebehandelt werden. t
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die vorgefertigten, formschlüssigen Prothesenteile an den Verbindungsflächen oberflächlich mit einer Aufschlämmung von Silizium- und Kohlenstoffpulver eingestrichen werden, die so behandelten Teile zusammengefugt, getrocknet und zur Ausbildung einer Siliziumcarbid-Verbindungsschicht durch Reaktion des Siliziums mit Kohlenstoff aus den Prothesenteilen und dem Kohlenstoffpulver in reduzierender Atmosphäre wärmebehandelt werden.