DE4210801A1 - Verfahren zur herstellung einer nickel-titanum (niti)-legierung mit dem effekt der formenwiederherstellung zur herstellung von reparaturteilen und prothesen fuer den menschlichen koerper - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer nickel-titanum (niti)-legierung mit dem effekt der formenwiederherstellung zur herstellung von reparaturteilen und prothesen fuer den menschlichen koerper

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Description

Die Metallegierung NiTi wurde für die Bereiche Medizin, Maschinenbau Radioelektronik und Raumfahrt entwickelt.
Stand der Technik
Es ist bekannt, daß NiTi-Legierungen im medizinischen Bereich verwendet werden, jedoch besitzen keine bis jetzt bekannten Legierungen die Fähigkeit bei Körpertemperatur ihre Ausgangsform wieder herzustellen, wenn sie vorher in einem Bereich niedrigerer Temperatur verformt wurden. Die Eigenschaften der Legierung läßt die Verwendung z. B. in allen Bereichen des menschlichen Körpers zu, sie ist hierfür geradezu prädes­ tiniert. Insbesondere ist die Behandlung von Frakturen aller Lokali­ sationen mit NiTi-Legierung B bis 10 mal billiger, als in der tradi­ tionellen Verfahrensweise.
Besonders gravierende Vorteile sind:
  • 1. minimales Spezifisches Gewicht von 0,3 gr bis 0,81 gr. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Reparatur von Kieferfrakturen usw.
  • 2. Technische Estethik.
  • 3. Möglichkeit der konstanten Fixierung.
  • 4. Die Implantate können im Körper belassen werden. Nach traditioneller Methode müssen Implantate später durch eine weitere Operation entfernt werden.
  • 5. Die volle Funktion der Reparatur von Knochenfrakturen mit Materialien aus NiTi-Legierung ist unmittelbar nach der Operation hergestellt.
Herstellung
Für die Herstellung der NiTi-Legierung wird die selbstausbreitende Hochtemperatur-Synthese herangezogen.
Es gibt 2 Regime zur Herstellung von NiTi-Stammlegierung und weitere Legierungen aus dieser Basis unter Zuhilfenahme des Brennprozesses. Dies sind:
Regime 1
Synthese in "Regime des Schichtenbrennens" sieht vor die Erwärmung der gepreßten Aufbereitung, und zwar so lange, bis die gewählte Temperatur von 500°C bis 820°C, in Verbindung mit einer lokalen Entzündung.
Herstellung der Aufbereitung
Nickel-Pulver PNK-1VL7 und Titan-Pulver PT EM-1 werden über eine Zeit­ spanne von 8 Std. bei 60°C bis 70°C im Vakuumschrank getrocknet. Danach erfolgt die Mischung, trocken, ohne Mörser und Kugel, im Laufe von 8 bis 10 Std gemischt. Aus dieser Mischung werden cylinderförmige Teile, ⌀ 2 bis 3 sm, mit einer Ausgangsporigkeit von 40% gepreßt. Die Synthese wird in eine Konstantdruckbombe geführt. Die Temperatur, die beim komprimieren dieser Mischung aus NiTi erreicht wird, beträgt 1270°C. Sie ist höher, als der Schmelzpunkt bei Titan. Aus diesem Grund ist das Endprodukt schmelzflüssig. Diese Aufbereitung dient als Ausgangsmaterial für eine weitere Verarbeitung.
Das Endprodukt nach der Verarbeitung der Aufbereitung im Regime 1 läßt die Brennwellesynthese und die Schmelzung der Aufbereitung mittels der Preßformenfüllung beobachten und die Kristallisierung der Schmel­ zung erkennen. Das Endprodukt ist NiTi barre. Die Brenntemperatur beträgt 1280°C. Sie ist nicht abhängig von der Erwärmungstemperatur vor der Entzündung und der Teilchendispersion. Die Brenngeschwindig­ keit wächst mit Vervielfachung der Anfangstemperatur und der Disper­ sität des Pulvers.
Bei Verwendung der Synthese Titanpulver PTM-1 mit einer Teilchengröße von 400 bis 500 My, ist die Brenngeschwindigkeit 1,4 sm/sek. und die Brenntemperatur 1265°C.
Ist die Größe der Teilchen kleiner als 63 My, und die Ausgangstempe­ ratur 500°C, erhöht sich die Brenngeschwindigkeit bis 3 sm/Sek., wobei die Brenntemperatur bei 1265°C bleibt.
Die Untergrenze der Vorwärmung (500°C bis 550°C ist abhängig von der Qualität des Komponentenpulvers), ist wie folgt definiert:
Ist die Anfangstemperatur niedriger als 500°C schmilzt das Aufberei­ tungspulver nicht und bei Beendigung des Brennprozesses ergibt sich ein gebackener, poriger Kern aus NiTi-Phase. Hierbei sind die Phasen Ti2 Ni und TiNi3 zu beachten.
Regime 2 der Herstellung der NiTi-Legierung "Synthese in Regime der Wärmeexplosion"
Schnelle Erwärmung der Aufbereitung von 820°C bis 830°C, darauf folgt die eksotermische Reaktion in der systematischen Selbsterwärmung. Als Endprodukt nach der Wärmeexplosion und Kristallisation bildet sich NiTi barre oder NiTi-Legierungen.
Herstellung von NiTi-Barren mit einem Gewicht von 300 gr
Vorwärmung bei 800°C in Argon mit Tigelmaterial Graphit. Erwärmung auf 900°C und walzen in der Luft, bis zu einer Blechstärke von 1 mm.
Herstellung der NiTi-Legierung mit Formenwiederherstellung
Bei der Herstellung der NiTi-Legierung mit Formenwiederherstellung hat der Phasenbestand der Verbindung eine entscheidende Bedeutung, damit die eingegebenen Parametren der Formenveränderung gewährleistet ist. Für die Anwendung ist die Herstellung des Mono-NiTi angestrebt.
Die Besonderheit bzw. die Unterschiede zwischen NiTi-Legierung mit Formenwiederherstellung im Vergleich zu NiTi-Legierungen bestehen darin, daß die Pulvermischung bis zu einer Temperatur von 0,5 bis 0,9% der Schmelztemperatur des Endprodukts erwärmt wird. Die Ausgangspulver Ni und Ti werden gemischt und gepreßt bis zu einer Porigkeit von 40% und in einem termischen Druckkontainer eingesetzt. Der Kontainer wird mit Argon gefüllt, bis ein Überdruck von 0,5 atü steigend bis 50 atü entsteht. Diese Aufbereitung wird von 550°C steigend bis 820°C erwärmt und einer elektrischen Molybden-Spirale entzündet. Diese Molybden-Spirale dient der Synthese im Brennregime als Katalysator.
Die vorgesehene Temperatur von 550°C bis 820°C im Brennprozeß gewährleistet, daß die Temperatur für die Schmelzung der neu entstan­ denen NiTi-Legierung ausreicht. Danach tritt die Reaktion in die "flüssige Phase" ein und die Diffusionsprozesse werden beschleunigt.
Endprodukt ist Mono-Nickelidtitanum mit einer Abweichung des Bestandes von Stecheometrie bis 0,5%.
Die Formenwiederherstellung bei einer NiTi-Legierung wird demnach erreicht durch folgende Beimischungen: O2, H2, N2, C, und zwar in folgenden Proportionen: (%)
O2 - 0,017%, H2 - 0,0005%, N2 - 0,015%, C - 0,13%. Die zusätzliche Beimischung - Einfügung - von Fe, Co, Cu, V, Si, Mo, Ag ist spezifisch für die Verwendung der NiTi-Legierung mit Formenwieder­ herstellung im medizinischen Bereich, für die Reparatur bzw. Behand­ lung von Frakturen aller Lokalisationen im menschlichen Körper und durch die Arbeit in verschiedenen Temperaturbereichen bedingt.
Porige NiTi-Legierung mit Formenwiederherstellung
Ni 55,5%, Ti 49,5% (m%),
Porigkeit = von 8% bis 60%,
koeff. Durchdringigkeit = 2·1013-3·10-6/mm2
Anwendung
Es ist bekannt, daß nach der traditionellen Methode der Reparatur von Knochenfrakturen im Gesichts- und Schädelbereich, mittels Drähten (Zeichnung 1, 4) und Metallstäben (Zeichnung 2) ausgeführt wird. Entscheidend nachteilig sind zwangsläufig spätere nachfolgende Operationen, um die Drahtimplantate wieder zu entfernen. Ebenso verhält es sich bei den Rohrknochenfrakturen.
Der im Anspruch 1 und 2 angegebene Erfindung liegt das Problem zugrunde solche Implantate zu schaffen, die über eine eigene Kraft zur Fixierung verfügen und außerdem aus solchem Material bestehen, daß sie fortdauernd als Implantat im Körper verbleiben können. Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, daß die Implantate über eine solche Stabilität in der Fixierung verfügen, daß z. B. Kiefer­ knochen unmittelbar nach der Operation wieder voll funktionsfähig sind.
Weiter ist die Oberflächenstruktur traditioneller Implantate, Nägel Drähte aus Stahl von glatter Oberfläche, schon weil die spätere Entfernung aus dem Knochen möglich sein muß.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Implantate, mit einer niedrigeren, als der Körper­ temperatur in die Knochen eingesetzt werden und dabei leicht verform­ bar und damit zur späteren Fixierung genau einzupassen sind, ohne spanabhebende oder strukturverändernde Maßnahmen am Implantat. Bei Erreichung der Körpertemperatur kommt bei den, durch das Einsetzen in den Knochen deformierten Implantate die Formenwiederherstellung zur Wirkung, wodurch eine Eigendruck- bzw. Zugfixierung erfolgt (Zeichnung Nr. 3, 5, 6) Die Grundformen der Implantate für Schädel- bzw. Kieferknochen sind in den Zeichnungen Nr. 7, 8, 9 dargestellt. Bei Rohrknochenfrakturen werden Implantate nach Zeichnung Nr. 10, 11 implantiert. Es besteht hier der gleiche Wirkungseffekt wie bei den Implantaten für Schädel- bzw. Kieferfrakturen.
Das Material, NiTi-Metallegierung mit dem Effekt der Formenwiederher­ stellung, ist u. a. absolut korrosionsbeständig, voll biologisch, anti­ allergisch, gegen Tumorreaktionen neutral, verschleißbeständig, ohne erkennbare Materialermüdung, superelastisch, chemisch völlig neutral, sowie säure- und laugenbeständig. Implantate verbleiben im Körper bzw. Knochen. Die Oberflächenstruktur ist porig und erlaubt, zusammen mit den metallurgischen Vorteilen, problemlose Verwachsungen mit dem Knochen.
Technische Werte u. a. über die zur Verfügung stehenden Kraft zur Formenwiederherstellung sind in der Tabelle, Blatt 5, aufgelistet.
Die Implantate aus NiTi sind gegenüber den traditionellen Implantaten in Verbindung mit dem notwendigen Aperationsaufwand 8 bis 10 mal billiger, was einen erheblichen wirtschaftlichen und auch volks­ wirtschaftlichen Vorteil bedeutet.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung einer Nickel-Titanum (NiTi)-Legierung mit dem Effekt der Formenwiederherstellung zur Herstellung von Reparaturteilen und Prothesen für den menschlichen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung NiTi mit Veränderung der Temperaturen (-) verformt werden kann und bei Erwärmung seine Ausgangsform wieder zwingend erreicht.
2. Metallegierung NiTi nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Grundfarbe, abhängig von der Temperatur verändert,
die Metallegierung NiTi absolut korrosionsbeständig ist,
die Metallegierung NiTi voll biologisch ist,
die Metallegierung NiTi keine Tumorreaktionen auslösen kann,
die Metallegierung NiTi antiallergisch ist,
die Metallegierung NiTi verschleißbeständig d. h. abriebfest ist,
die Metallegierung NiTi antimagnetisch ist,
die Metallegierung NiTi Superelastizität, ohne Temperaturein­ schränkung besitzt,
die Metallegierung NiTi keine Schrumpfung bzw. Substanzreduzierung zuläßt,
die Metallegierung NiTi chemisch völlig neutral ist,
die Metallegierung NiTi säure-und laugenbeständig ist.
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