EP2625154A1 - Monolithic ceramic body with mixed-oxide marginal region and metallic surface, method for producing it and use thereof - Google Patents

Monolithic ceramic body with mixed-oxide marginal region and metallic surface, method for producing it and use thereof

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Publication number
EP2625154A1
EP2625154A1 EP11767993.6A EP11767993A EP2625154A1 EP 2625154 A1 EP2625154 A1 EP 2625154A1 EP 11767993 A EP11767993 A EP 11767993A EP 2625154 A1 EP2625154 A1 EP 2625154A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic body
metal
ceramic
titanium
metallic surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11767993.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sorin Lenz
Günter Rübig
Christian Mahringer
Alexander Schreiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CeramOss GmbH
Original Assignee
CeramOss GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CeramOss GmbH filed Critical CeramOss GmbH
Priority to EP11767993.6A priority Critical patent/EP2625154A1/en
Publication of EP2625154A1 publication Critical patent/EP2625154A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T428/26Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension

Definitions

  • the present invention relates to a monolithic ceramic body, its manufacture and use.
  • the present invention relates to a monolithic ceramic body with a chemically modified edge region of a mixed oxide, wherein the edge region has a metallic surface.
  • the ceramic body is used in particular as an implant
  • Titanium has the advantages that it is very well osseointegrated, ie it grows with the bone and is not allergenic.
  • the high oxygen affinity of the titanium leads to the formation of a titanium oxide layer on the titanium implant surface, which leads to the advantageous properties.
  • Bone grows with the titanium oxide layer.
  • the surface of the titanium implants is roughened. This can be the Osseointegration be further improved.
  • titanium is used for dental implants or in hip joints for titanium shells that use a ceramic insert, while in orthodontics titanium anchoring implants are used.
  • the use of titanium in restorative dentistry was made possible by further developments of the casting technique as well as by the use of CAD / CAM and spark erosion processes for the production of individual workpieces.
  • titanium has the following drawbacks, especially for dental implantology:
  • Oxide ceramics zirconium oxide ceramics, alumina, zirconia-alumina mixtures, etc.
  • Oxide ceramics is an extremely hard, smooth and biologically inert material that is absolutely resistant to corrosion (acids, salts, body fluids). Furthermore, it is extremely resistant to abrasion because of its hardness, ie the surface can only be changed with a diamond tool.
  • those areas of the titanium body are provided with a ceramic coating which does not contact bone after implantation.
  • the areas of the ceramic body are coated with titanium or titanium oxide, which are in bone contact after implantation in order to better osseointegrate there.
  • the areas of the implant that have no contact with the bone after implantation remain uncoated.
  • the lower adhesion between titanium and ceramic is attributed to both the necessary adjustment of the thermal expansion coefficient and the high oxygen affinity of the titanium, whereby a pronounced growth of the oxide layer takes place during the firing of the ceramic.
  • the brittleness of the oxide layer is considered to be the primary cause of the lower composite values.
  • WO 03/045268 A1 discloses a one-piece dental implant made of a ceramic base body with a titanium coating.
  • US 2001/0036530 A1 describes an implant made of a composite material of a zirconium oxide ceramic with a first coating of titanium, a second coating also made of titanium and optionally a third coating of hydroxyapatite.
  • a composite material of a zirconium oxide ceramic with a first coating of titanium, a second coating also made of titanium and optionally a third coating of hydroxyapatite.
  • the adhesion could be improved by 20% over known ceramic-titanium composite systems.
  • the disclosed titanium-ceramic composite systems do not have satisfactory properties.
  • duo head prostheses consist of a head, a stem and a pan, which consists for example of polyethylene. This results in the problem that wears the polyethylene pan by the high mechanical stress. This wear can lead to the loss of lubricity of the joint. Above all, the abrasion products lead to aseptic bone necrosis. This leads to technical failure of the duo head prosthesis and to consequential damage in healthy tissue.
  • the present invention also achieves, in combination, the following advantages and effects:
  • Bone structure in terms of softness, as far as similar structure that microfractures of the bony implant bed under load as much as possible can be prevented.
  • particularly hard implant materials cause stressful bone osseous microfractures in the implant site at exercise spikes - a problem which has not been solved yet but has been solved by the present invention.
  • Monolithic ceramic bodies according to the invention with mixed oxide edge area and metallic surface eliminate the weak spots of the ceramic base body which has not yet been changed according to the invention due to microdefects of the surface (preformed predetermined breaking point). After modification according to the invention this is more resistant to impact and impact, and also the splitter inclination is largely eliminated possible. It is known to the person skilled in the art that conventional ceramic is very hard, but also very brittle, and shatters into countless fragments in the event of material failure.
  • Monolithic ceramic bodies according to the invention are substantially impact and pressure resistant by absorption and uniform pressure redistribution, since the mixed oxide edge region and the metallic surface are much more elastic than ceramic and thereby prevent micro-cracks. This means that the mechanical overloading takes place much later until fracture, since, as known from the literature, microcracks on the surface of ceramic rapidly pull through the ceramic and cause it to shatter.
  • Monolithic ceramic bodies according to the invention behave on the surface like metals.
  • a further desired change or processing of the surface as already known from the metal processing can be done inexpensively.
  • the particular advantage of the monolithic ceramic body according to the invention with mixed oxide edge area and metallic surface is the cumulative solution of many problems not yet solved (listed above).
  • a cumulative significant improvement in the ceramic properties over conventional ceramic bodies is achieved. This result is achieved without loss of the desired and required positive properties of conventional ceramic body (hardness, abrasion resistance, etc.), since the preparation of monolithic ceramic bodies according to the invention with mixed oxide edge region and metallic surface takes place in the low temperature range.
  • a further advantage is achieved when using the monolithic ceramic body according to the invention with mixed oxide edge region and metallic surface as protective armor.
  • the surface serves as a lubricant (slipping agent) at e.g. impacting projectiles.
  • the ceramic body according to the invention consists of the oxide of a first metal (I) with a mixed oxide edge region (metal I + II) and a metallic surface of the metal (II).
  • the mixed oxide edge region comprises the oxide of the first metal (I) and the oxide of the further metal (II), which has a high affinity for oxygen.
  • the mixed oxide edge region has a continuous, uniform concentration gradient of the first metal (I), starting from 100% in the core to 0% in the transition region to the metallic one Surface of the ceramic body, based on the total metal content (l + ll), and a continuous, uniform concentration gradient of the further metal (II), starting from 0% in the core up to 100% in the transition region to the metallic surface of the ceramic body, based on the total metal content (l + ll).
  • the oxygen concentration remains constant in the mixed oxide boundary region.
  • the surface of the monolithic body according to the invention is metallic (metal II), and is thus no (metallic) coating.
  • the production according to the invention produces a monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface.
  • the phase boundaries which are clearly discernible in the case of a coating do not exist in the ceramic body according to the invention, since it is not a coating but a monolithic structure resulting from a thermochemical reaction.
  • Phase boundaries are neither in the transition region metal (I) to the mixed oxide edge region of the metals (l + ll), nor in the mixed oxide edge region itself, nor in the transition region of the mixed oxide edge region (metal l + ll) to the metal surface ( Metal II) of the ceramic body detectable.
  • Phase-free within the meaning of the present invention is to be understood as a concentration gradient in which there are no substance limits.
  • Rea in the sense of the invention, in contrast to the term “layer”, means that the chemical composition varies within the "area”, even within an atomic layer of the area, whereas a “layer” is characterized by having phase boundaries and the entire layer has a defined chemical composition that is the same across the layer.
  • Metal (I)” and “metal (II)” in the context of the invention does not mean the oxidation state of the metals. The numbers (I) and (II) serve to distinguish the metal which is part of the ceramic, using the term “first metal” or "metal (I)” for this purpose.
  • the metal used to form the mixed oxide edge region uses the term "further metal” or “metal (II)” for this purpose.
  • the terms "first metal” and “metal (I)” as well as “additional metal” and “metal (II)” are used interchangeably.
  • Edge region in the sense of the invention is the region of the ceramic body according to the invention which begins below its metallic surface and runs in the direction of the interior of the ceramic body up to its core from the oxide of the first metal (I).
  • Edge zone in the sense of the invention is the region of the ceramic body according to the invention, which is formed by the metallic surface and the underlying edge region.
  • unfinished ceramic body in the sense of the present application is a ceramic body which has not yet been modified according to the invention.
  • the advantages achieved by the invention are to be seen in particular in that one can no longer speak of a composite material, ie a ceramic body with a metal coating in the ceramic body according to the invention (since phase boundaries no longer exist as a characteristic of a coating are). Instead, it is a monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface. Accordingly, it is no longer possible to speak of a "layer adhesion" and adhesive strength, but rather an area of the ceramic body which has been thermochemically altered.
  • the inventors have found in the inventive monolithic ceramic body with mixed oxide edge region and metallic surface that the ceramic body to the surface has no layer structure (phase boundaries missing). It is not like a coating thin layers with the same chemical composition and thus layers lying opposite each other with different chemical composition, which adhere to each other, but one obtains a complex system in which the metal ions (II) react with the oxygen of the ceramic (I), so that a new chemical compound consisting of Metal ions (I), metal ions (II) and oxygen is formed.
  • the metal (II) concentration increases continuously, starting from 0% in the core of the ceramic to 100% in the transition region to the metallic surface, based on the total metal content, and the metal (I) concentration starting continuously from 100% in the core of the ceramic to 0% in the transition region to the metallic surface, based on the total content, decreases.
  • the oxygen concentration in the mixed oxide edge region remains constant. Consequently, the chemical composition of the ceramic body changes from the interior of the body to its surface, wherein in the edge region a mixed oxide of metal (I) and metal (II) is formed, which finally in a metallic surface of the metal (II) with a 100% concentration of the Metal (II) ends.
  • the ceramic body has the advantageous properties of a metal-coated ceramic and overcomes the disadvantages of the adhesive strength of conventional metal-ceramic composites.
  • the chemical modification of the edge region of the ceramic creates a monolith with an inseparable chemical bond between the ceramic (oxide of metal I), the mixed oxide edge region based on metals (I) and (II) and the metallic surface of the metal (II).
  • the ceramic is an oxide ceramic consisting of the oxide of a metal (I), wherein the metal (I) comprises zirconium, aluminum, yttrium, hafnium, silicon, magnesium, cerium, other metal oxides or metallic glass or mixtures thereof.
  • the metal (I) is zirconium or comprises zirconium. Zirconium oxide and alumina are white and are therefore preferably used in the dental field.
  • the ceramic body may be preformed prior to thermochemical formation of the mixed oxide edge region and prior to sintering.
  • Green ceramic in the sense of this invention means ceramic material before the final sintering process.
  • the green ceramic can be made, shaped and processed according to methods known to those skilled in the art, such as hot isostatic pressing, pressing, turning, milling, drilling, grinding or machining, etc., where the methods can be numerically controlled manually or computer-assisted.
  • the preformed ceramic may be treated mechanically or physically before or after sintering, such as to increase the surface area.
  • the enlarged surface improves the osseointegration when the monolithic ceramic body according to the invention with mixed oxide edge area and metallic surface is used as the implant.
  • the chemical, mechanical or physical treatment is preferably carried out on the green ceramic, since here by the soft material treatment can be faster, easier and cheaper than after sintering, but can also be done after sintering.
  • Mechanism treatment in the sense of the invention comprises, in particular, grinding, sandblasting or irradiation with a water jet, as well as all other processes known to those skilled in the art.
  • Physical treatment in the sense of the invention comprises, in particular, irradiation with a laser beam, as well as all other processes known to the person skilled in the art.
  • the green ceramic can also be chemically treated, e.g. Etching with an acid or an acid mixture.
  • the acid or the acid mixture may be selected from phosphoric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid, nitric acid, nitric acid / hydrochloric acid mixture such as aqua regia, or hydrochloric acid / sulfuric acid mixture.
  • suitable acids or acid mixtures all processes known and suitable to the person skilled in the art).
  • the metal (II) for forming the mixed oxide edge region based on the metals (I) and (II) and the metallic surface of the metal (II) is according to the invention a High oxygen affinity metal and is selected from titanium, niobium, tantalum, as well as compounds and alloys thereof. Other oxygen-affine metals are not excluded.
  • the metal (II) is elemental titanium, a titanium compound or a titanium alloy.
  • the titanium compound may comprise a titanium compound having elements of the 14th (eg, C, Si, Ge, Sn, Pb), 15. (eg, N, P, As, Sb, Bi) or 16. (eg, 0, p , Se, Te, Po) group of the periodic table or a mixture thereof.
  • Particularly preferred as metal (II) elemental titanium, with 100% pure titanium is very particularly preferred.
  • the thickness of the mixed oxide edge region is determined on the one hand by the penetration depth of the metal ions (II) in implanting according to the invention, on the other hand by their diffusion and by the thermochemical reaction in the ceramic body.
  • the desired chemical reaction takes place, which is the essential distinguishing feature for conventional ion implantation, in which only "incorporation" of metal ions into the lattice of the ceramic material occurs (phase boundaries are present)
  • the reactive edge region has an average thickness of about According to the invention, the thickness is at least 500 atomic layers, but may also be less, but only so far less that no weakening of the monolith is carried out .. At least 700 atomic layers are preferred, and more preferably more than 700 atomic layers. An edge region with a thickness greater than 700 atomic layers is difficult to manufacture, especially particularly costly and brings no apparent advantage or further improvements in the application areas of the monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface and in terms of material Vortei achieved le.
  • the thickness of the edge zone from the outer metal surface of the metal (II) to the metal (I) in the interior of the ceramic body (mixed oxide edge region based on Metals (L) + (II) included is on average 6-8 microns.
  • This edge zone can be a thickness of 0.05 microns (lower thickness is expressly not excluded), up to several millimeters (greater thickness is expressly not excluded). Preference is given to thicknesses between 0.05 and 80 micrometers, very particularly preferably between 5 and 20 micrometers
  • the ceramic body may, if necessary, be provided with one or more coatings of the metal (II) and / or one or more coatings of a biocompatible and / or bioactive material, in particular a microporous titanium coating.
  • the biocompatible / bioactive material may also be selected from antibiotics, growth factors, peptides, fibronectin and anti-inflammatory agents.
  • Other biocompatible / bioactive materials known to those skilled in the art can be used and are expressly not excluded.
  • antibiotics may exemplified amikacin, gentamicin, kanamycin, neomycin, netilmicin, paromomycin, streptomycin, tobramycin, cephalosporins, fluoroquinolone antibiotics, azithromycin, erythromycin, clarithromycin, dirithromycin, roxithromycin, telithromycin, penicillins, ampicillin, sulfonamides, tetracyclines, clindamycin, metronidazole and Vancomycin, etc. are called.
  • growth factors examples include transforming growth factor beta (TGF), granulocyte colony stimulating factor (G-CSF), granulocyte-macrophage colony stimulating factor (GM-CSF), nerve growth factor (NGF), neurotrophins, platelet-derived growth factor (PDGF).
  • TGF transforming growth factor beta
  • G-CSF granulocyte colony stimulating factor
  • GM-CSF granulocyte-macrophage colony stimulating factor
  • NGF nerve growth factor
  • neurotrophins PDGF
  • EPO Erythropoietin
  • TPO Thrombopoietin
  • Myostatin GDF-8
  • GDF9 Growth Differentiation Factor-9
  • EGF Acidic Fibroblast Growth Factor
  • bFGF or FGF-1 Basic Fibroblast Growth Factor
  • EGF Epidermal Growth Factor
  • HGF Hepatocyte Growth Factor
  • IGFs Insulin-like Growth Factors
  • BMPs Bone Morphogenetic Proteins
  • glucocorticoids As anti-inflammatory agents, glucocorticoids, corticosteroids and non-steroidal anti-inflammatory drugs (e.g., ibuprofen, aspirin and naproxen, etc.) may be exemplified.
  • non-steroidal anti-inflammatory drugs e.g., ibuprofen, aspirin and naproxen, etc.
  • a peptide may be a bioactive peptide such as the RGD sequence.
  • the biocompatible material comprises a bioactive surface coating of osteochondral / osseous stem cells or chondral stem cells or a mixture thereof.
  • the stem cells improve the osseointegration of the thus coated monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface. It has proven to be particularly advantageous if the surface of the monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface is treated chemically, mechanically or physically to increase it before coating with a biocompatible material.
  • monolithic ceramic bodies with mixed oxide edge area and metallic surface can be produced in a simple manner.
  • the method according to the invention for producing a monolithic ceramic body with a mixed oxide edge area and metallic surface comprises the following steps, which are carried out in a thermochemical reaction chamber on an unfinished ceramic body with an edge area:
  • step (a) a high vacuum between 10 "3 mbar and 10 " 7 mbar is preferred. Particularly preferred is a vacuum that comes as close as possible to the vacuum to be found in space.
  • the evacuation is best done hours before the start of the process in order to free the reaction chamber from interfering components and impurities as well as to allow the intended thermochemical reaction on a solid at all.
  • Another advantage of the high vacuum is that the free path of the metal ions (II) is relatively high until collisions with other particles, such as impurities or inert gas atoms or ions, occur, whereby the metal ions (II) can lose energy. Due to the high vacuum no loss of energy of titanium ions occurs by friction in their movement to the ceramic.
  • reaction chamber is substantially free of compounds, in particular oxygen, with which the other metal ions (II) can react.
  • compounds in the context of the invention chemical compounds and atoms / ions are understood.
  • the high-energy metal ions (II) with these compounds, in particular Oxygen which leads to the formation of undesirable compounds such as titanium oxide, and are no longer available for the formation of the mixed oxide edge region.
  • the compounds formed, if their energy is still sufficient, can be further implanted in the edge region of the ceramic body, which can lead to the disadvantages associated with conventional ion implantation, such as the disturbance of the ceramic lattice. Furthermore, the unwanted compounds can settle as a surface coating on the ceramic body and thus build up a disturbing layer, which in turn is able to prevent the formation of the mixed oxide edge region.
  • metal ions (II) are unhindered, i. without reacting on the way between target and ceramic body, impinge on the ceramic body in order to be able to react with it thermochemically and uniformly.
  • step (b) of the method according to the invention the edge region of the unfinished ceramic body is activated. More specifically, the atoms in the edge region of the ceramic body not yet changed according to the invention are put into an energetically excited state. This is necessary to allow the formation of the mixed oxide edge area according to the invention.
  • edge area activation the methods known from the prior art can be used according to the invention, such as flame-treatment with a burner, plasma treatment, corona treatment.
  • the edge region activation is performed by a plasma process.
  • the edge area activation by means of plasma has the advantage that the surface of the ceramic substrate is first of all cleaned, ie freed from impurities. Preference is given to a plasma treatment in which, in addition to the activation of the edge region of the ceramic body, the edge region is additionally etched and activated in the sense of plasma-chemical activation in order to increase the reaction surface and increase the readiness for reacting thermochemical reaction between metal (I) and metal (II) to create. The reactivity of the metal (I) is thereby increased.
  • the edge area activation preferably takes place with a plasma generated by an electrical gas discharge in a high vacuum, the energy and the duration of the plasma being selected on the surface of the ceramic body such that the atoms of the edge area are activated such that a chemical reaction takes place in the edge area of the ceramic body is possible at all and can take place.
  • the edge region of the material or component is then bombarded for activation by ions and / or electrons which are generated by an electric gas discharge in a high vacuum.
  • the pressure in the reaction chamber is in the range between 10 -5 and 10 -3 mbar, preferably 10 -7 and 10 -3 mbar, particularly preferably in the range of the space vacuum. At these pressures, the energy correlated with the mean free path length of the plasma particles is sufficiently large to energetically excite the atoms located in the edge region of the ceramic body in such a way that chemical reactions are possible in the edge region of the ceramic body which are not possible under other conditions.
  • the plasma activation is carried out by the methods known to the person skilled in the art.
  • gases for the gas discharge noble gases are used.
  • the noble gas is selected from argon, neon, krypton and xenon, with argon being preferred.
  • Other suitable noble gases are not excluded. It must therefore be ensured that the metal ions (II) unhindered, ie, without reacting on the way between the target and ceramic body, impinge on the ceramic body in order to react thermochemically and evenly.
  • the interfering impurities, in particular oxygen can be removed from the reaction chamber atmosphere in order to achieve the effect according to the invention.
  • step (c) the edge region of the unfinished ceramic body is subjected to a thermochemical treatment. In this case, the chemical composition of the edge region of the ceramic body is changed.
  • the start of the thermo-chemical reaction of the ceramic body takes place with the aid of ion implantation.
  • metal (II) ions are implanted in the edge region of the unfinished ceramic body (metal (I)), from where they can further diffuse into the interior of the ceramic body and react. This results in the formation of a connection region, namely in the region of ion implantation, and an underlying diffusion region. Due to the high energy of the metal (II) ions and the edge area activation carried out in step (b), in the second stage the metal (II) ions react with the oxygen atoms of the ceramic material (metal (I)) to form a mixed oxide (metal (II) l) + (II)).
  • thermochemical reaction takes place only if the reaction chamber has previously been evacuated in the sense of step (a) of the method according to the invention.
  • the ion implantation takes place in the plasma.
  • ion implantation is a plasma immersion ion implantation (PIN).
  • the workpiece to be treated is - according to the invention in a high-vacuum chamber - surrounded by a plasma generated by a suitable plasma source; by applying negative high-voltage pulses with very short pulse rise times ( ⁇ 1 microsecond) become the more mobile Electron of the plasma then pushed back and accelerated the remaining positive ions on the workpiece (implanted).
  • the acceleration voltages are below that of conventional ion implantation (order of magnitude: 30 kV). Since the entire surface is implanted at the same time, this method is extraordinarily productive, especially in the various complex geometrical forms found in medicine.
  • the temperature is between room temperature and 400 C, more preferably 350 C and below.
  • the pressure is about 10 "3 to about 10 " 7 mbar, more preferably under a space atmosphere.
  • the plasma can be generated continuously (cw plasma) or pulsed.
  • the plasma parameters like the plasma pulse or the energy of the plasma pulse, can the properties of the edge zone, ie the resulting mixed oxide edge area and the resulting metallic surface, are adjusted.
  • a cw plasma or a pulsed plasma can be used.
  • a combination of the two plasma generation types is also possible.
  • a cw plasma is used, which can change into pulsed towards the end of the reaction process.
  • the inventors have surprisingly found that the ion-material interaction phenomena associated with conventional ion implantation, such as radiation damage, defect interactions, amorphization, crystallization, precipitation formation, which require thermal post-treatment (annealing), do not occur.
  • the goal of the ion implantation process hitherto used for the production of dental implants based on a titanium basic body and a ceramic coating was the reduction of the oxygen affinity of titanium during the ceramic coating (L. Wehnert, A. Moormann and W. Freesmeyer, simulations of the thermodynamics of conventional titanium -Ceramic composite and the influence of the composite improving ion implantation method, quintessence Zahntech 1998, Volume 24, pages 1027-1037).
  • the high oxygen affinity of the metal (II) is exploited.
  • the inventors assume that the implanted metal ions (II) react due to the high oxygen affinity with the oxygen of the ceramic to form a complex atomic composite.
  • the edge region of the unfinished ceramic body is thereby chemically changed into a boundary zone, ie, a mixed oxide of metal (I) and (II) is formed, and it creates a metallic surface of the metal (II) on the mixed oxide edge region, causing the mentioned problems conventional ion implantation avoided and subsequent annealing is no longer necessary.
  • thermochemical treatment in the sense of step (c) causes high-energy metal (II) ions (eg titanium ions) to penetrate into the edge region of the unfinished ceramic body and there with the oxygen of the metal (I) oxide (eg zirconium oxide) complex metal (I) metal (II) oxide (eg titanium zirconium oxide) and additionally form a metallic surface of the metal (II). They thus cause a chemical reaction and convert the unfinished ceramic body in its edge region in such a peripheral area that in the latter the metal (I) (eg zirconium) and oxygen at the atomic level with the metal (II) atoms (eg titanium atoms , Titanium ions) and also forms a metallic surface of the metal (II).
  • high-energy metal (II) ions eg titanium ions
  • the complex metal (I) metal (II) oxide does not form a coating with its metallic surface, but instead represents a chemical transformation of the edge region of the unfinished ceramic body.
  • the core of the ceramic body and its edge zone therefore form a monolithic structure which is in the Metallic metal (II) surface finish.
  • the concentration of the first metal (I) and the further metal (II) in the edge region of the ceramic body according to the invention is ideally in the middle of the mixed oxide edge region of (I) and (II) 50/50%.
  • the ceramic body with the mixed oxide edge area and metallic surface can furthermore be coated with one or more metals, in particular the further metal (II).
  • the coating with one or more metals is carried out according to the known in the art and conventional in the prior art method for coating metals or ceramics.
  • the coating of one or more metals can be thermochemically nitrided, borated, carburized, nitrocarburized, etc.
  • the metallic surface of the monolith of the metal (II) can be nitrided without further coating, borated, carburized, nitrocarburized, etc., if necessary (articular surfaces).
  • the surface of the ceramic body with a mixed oxide edge region and metallic surface with a biocompatible / bioactive as described above Material to be coated is likewise carried out by methods known to the person skilled in the art and customary in the prior art for coating ceramics or metals.
  • the present invention also relates to the use of the ceramic body with a mixed oxide edge region and metallic surface as a medical implant, in particular as a dental implant.
  • implants may be completely or partially provided with a mixed oxide edge area and a metallic surface.
  • Partial is to be understood to mean that the implant areas, which have bone contact, as far as a Mischoxid- edge area and a metallic surface, that a secure osseointegration is guaranteed.
  • Medical within the meaning of the invention relates to the fields of human medicine, including dentistry, veterinary medicine, including the dental field.
  • a medical implant in the sense of the invention is a medical device which serves to replace biological structures in the human or animal body or is inserted into the body for other purposes. Therefore, the medical implants according to the invention include implants and dental implants for humans and for animals. Dental implants, hip implants, epitheses, artificial joints and prostheses are preferred as medical implants.
  • a prosthesis is an artificial limb which replaces a missing part of the body (e.g., due to illness, accident or amputation), whereas an epithesis primarily has cosmetic function (e.g., as an artificial eye or ear).
  • Medical implants, and in particular prostheses can be used to manipulate biological structures, such as bones, joints or bone parts, in almost all areas of the body, e.g. Skull, teeth, upper and lower arm, elbows, upper and lower legs, hips, toes, fingers, knees, spine, etc. to replace.
  • hearing aids, artificial limbs, replacement joints, and hair prostheses (wigs) and implants for their attachment fall under medical implants according to the invention.
  • hearing aids can be integrated into other implants. This also applies to "remedies" implanted in the body or their containers (for example cardiac pacemakers, insulin pumps, etc.).
  • Implants and dental implants are in some embodiments of the invention one or more part implants.
  • only the region of the ceramic body that comes into contact with the bone has a mixed oxide edge region with a metallic surface (completely or partially).
  • the region has a mixed oxide edge region with a metallic surface, which comes into contact with the second part of a two-part implant.
  • either only a part or both parts in the contact region of the two parts can have a mixed oxide edge region with a metallic surface.
  • An example of such an embodiment is an artificial hip joint.
  • at least a part of the artificial joint may have a mixed oxide edge region with a metallic surface.
  • the area of the hip joint in addition to the area that comes into contact with the bone, the area of the hip joint also has a mixed oxide edge area with a metallic surface that comes into contact with the head (ball). Or, conversely, only the area that comes into contact with the pan has a mixed oxide edge area with a metallic surface.
  • the monolithic ceramic body having mixed oxide edge region and metallic surface according to the invention may comprise an additional diamond-like carbon layer (DLC) layer in some embodiments (eg on articular surfaces). DLC is an amorphous extremely hard carbon layer.
  • the composition may comprise one or more further metal layers, such as gold, silver, platinum, aluminum, copper, iron, nickel, tin, tantalum, zinc and / or chromium, and / or alloys, such as steel or bronze.
  • FIG. 1 shows a ceramic body according to the invention in the form of a one-piece
  • the core of the dental implant consists of zirconia-alumina ceramic.
  • FIG. FIG. 2 shows a broken ceramic body according to the invention with a core of zirconia-alumina ceramic, mixed-oxide edge area of zirconia-alumina and titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium.
  • FIG. The inventive advantage of the lack of Zersplitterne Trent is easy to see.
  • FIG. FIG. 3 shows the SEM image of a breakpoint of an inventive.
  • Ceramic body with core of alumina ceramic, mixed oxide edge region of alumina-titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium In the background, the metallic surface can be recognized, which here has a "soft" bone-like structure and should avoid microfractures in the implant bed.
  • the bare surface in the foreground is the mixed oxide edge region and the alumina core.
  • FIG. 4 shows two approximately 1 mm thick oxide ceramic plates, left according to the invention with a metallic surface of titanium and right conventional without titanium surface.
  • the ceramic chip according to the invention has a core of zirconia-alumina ceramic and a mixed oxide edge region made of zirconia-alumina-titanium mixed oxide and a metallic surface made of pure titanium.
  • FIG. 5a, 5b each two defined fragments of the invention
  • FIG. 6 shows a cross-cut test of an inventive
  • Ceramic body with core of alumina ceramic, mixed oxide edge region of alumina-titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium There are no signs of chipping. The core forming ceramics is not exposed.
  • FIG. 7 shows the SEM cross-sectional image (high magnification) of a ceramic body according to the invention with a core of zirconia-alumina ceramic, mixed oxide edge region of zirconia-alumina-titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium.
  • the ceramic core is bright.
  • the greyish mixed oxide edge region about 700 atomic layers
  • FIG. 8 shows an EDX diagram relating to the ceramic body of FIG. 7. It shows the concentration curves of the metals (I) and (II) in the mixed oxide edge region. Starting at 0%, the concentration of the respective metal is plotted on the y-axis in the direction of the top of the diagram.
  • Curve 1 zirconia-alumina shows the metal (I) concentration running towards the surface (to the left) at 0%;
  • Curve 2 shows the metal (II) concentration running towards the core at 0%;
  • the tent-shaped structure resulting from the two curves shows the desired effect of the concentrations of 50/50% of the metals (I) / (II) in the middle of the mixed oxide edge region. It can be seen that the two curves running uniformly towards each other in the direction of the center of the mixed oxide edge region and uniformly apart from the center of the mixed oxide edge region show the EDX diagram according to FIG. 8, which in the SEM cross-sectional view of FIG. 7 is projected in the appropriate place. The same applies to FIG. 8 said.

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Abstract

The present invention relates to a monolithic ceramic body having a mixed-oxide marginal region and a metallic surface, the ceramic body comprising the oxide of a first metal (I), a mixed-oxide marginal region which comprises the oxide of the first metal (I) and the oxide of a further metal (II) having a high affinity for oxygen, and a metallic surface comprising the metal (II) on the mixed-oxide marginal region, the mixed-oxide marginal region comprising a continuous concentration gradient of the first metal (I), starting from 100% in the core down to 0% in the transitional region to the metallic surface of the ceramic body, based on the total metal content (I+II), and a continuous concentration gradient of the further metal (II), starting from 0% in the core up to 100% in the transitional region to the metallic surface of the ceramic body, based on the total metal content (I+II), the oxygen concentration in the mixed-oxide marginal region remaining constant, and the monolithic structure of the ceramic body having no phase boundaries.

Description

Monolithischer Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung  Monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface, process for its production and its use
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft einen monolithischen Keramikkörper, dessen Herstellung und Verwendung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen monolithischen Keramikkörper mit einem chemisch veränderten Randbereich aus einem Mischoxid, wobei der Randbereich eine metallische Oberfläche aufweist. The present invention relates to a monolithic ceramic body, its manufacture and use. In particular, the present invention relates to a monolithic ceramic body with a chemically modified edge region of a mixed oxide, wherein the edge region has a metallic surface.
Der Keramikkörper findet insbesondere als Implantat Verwendung The ceramic body is used in particular as an implant
Hintergrund der Erfindung Im Allgemeinen dienen Implantate als Ersatz für erkrankte oder verloren gegangene menschliche oder tierische anatomische Strukturen, wie Zähne, Gelenke, Extremitäten usw. Vorzugsweise sollten solche Implantate mit dem Knochen im Organismus verwachsen, um eine stabile, langfristig belastbare Verbindung zu bilden. Es gibt bereits sowohl Titanimplantate, als auch Keramikimplantate. Während Titanimplantate ihren festen Platz in der Medizin, Zahnmedizin und Tiermedizin mit über 30-jähriger Erfahrung eingenommen haben, werden Keramikimplantate erst seit kürzerer Zeit in der Implantologie verwendet. Sie haben sich aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität, Bioinertheit, Korrosionsfestigkeit sowie ihrer guten physikalischen Eigenschaften, vor allem durch den Einsatz als Implantate, sich in der Zahnmedizin etabliert, jedoch ossoeintegrieren sie nur schlecht bis gar nicht. Background of the Invention In general, implants serve as a replacement for diseased or lost human or animal anatomical structures such as teeth, joints, extremities, etc. Preferably, such implants should coalesce with the bone in the organism to form a stable, long term resilient connection. There are already both titanium implants and ceramic implants. While titanium implants have a solid place in medicine, dentistry and veterinary medicine with over 30 years of experience, ceramic implants have only recently been used in implantology. They have established themselves in dentistry because of their excellent biocompatibility, bioinertness, corrosion resistance and their good physical properties, especially through their use as implants, but they osseointegrate only badly or not at all.
Titan hat die Vorteile, dass es sehr gut osseointegriert, d.h. mit dem Knochen verwächst, und nicht allergen ist. Die hohe Sauerstoffaffinität des Titans führt zu einer Bildung einer Titanoxidschicht auf der Titanimplantatoberfläche, was zu den vorteilhaften Eigenschaften führt. Knochen verwächst mit der Titanoxidschicht. Um die Kontaktfläche zwischen Implantat und Knochen so weit wie technisch möglich zu maximieren, wird die Oberfläche der Titanimplantate angeraut. Damit kann die Osseointegration noch weiter verbessert werden. Heute wird Titan z.B. für Zahnimplantate oder bei Hüftgelenken für Titanschalen, welche ein keramisches Insert aufnehmen benutzt, während in der Kieferorthopädie unter anderem Verankerungsimplantate aus Titan eingesetzt werden. Der Einsatz von Titan in der restaurativen Zahnheilkunde wurde durch Weiterentwicklungen der Gusstechnik sowie durch Nutzung von CAD/CAM und Funkenerosions-Verfahren zur Herstellung individueller Werkstücke möglich. Titanium has the advantages that it is very well osseointegrated, ie it grows with the bone and is not allergenic. The high oxygen affinity of the titanium leads to the formation of a titanium oxide layer on the titanium implant surface, which leads to the advantageous properties. Bone grows with the titanium oxide layer. To maximize the contact surface between implant and bone as much as technically possible, the surface of the titanium implants is roughened. This can be the Osseointegration be further improved. Today, for example, titanium is used for dental implants or in hip joints for titanium shells that use a ceramic insert, while in orthodontics titanium anchoring implants are used. The use of titanium in restorative dentistry was made possible by further developments of the casting technique as well as by the use of CAD / CAM and spark erosion processes for the production of individual workpieces.
Titan hat jedoch folgende, speziell für die zahnärztliche Implantologie eminente Nachteile: However, titanium has the following drawbacks, especially for dental implantology:
Es hat eine dunkle, fast schwarze Farbe und, falls es hochglanzpoliert ist, eine silbrige Farbe, wodurch die Ästhetik im Zahnhalsbereich sehr zu wünschen übrig lässt. Des weiteren lassen sich Titanimplantate in der Zahnmedizin an der Durchtrittsstelle aus dem Zahnfleisch nicht mit Ultraschallspitzen aus Metall reinigen, da das Material zerkratzt wird und Rauhigkeiten entstehen, welche vermehrte Zahnbelagbildung fördern. Zur Reinigung werden daher spezielle Kunststoffspitzen benötigt. Oxidkeramik (Zirkoniumoxidkeramik, Alumina, Zirkonia-Alumina-Mischungen, etc.) ist ein extrem hartes, glattes und biologisch inertes Material, welches gegen Korrosion (Säure, Salze, Körperflüssigkeiten) absolut beständig ist. Des Weiteren ist es wegen seiner Härte extrem abriebfest, d.h. die Oberfläche kann nur mit Diamantwerkzeug verändert werden. Weiterhin bietet die weiße Farbe des Materials - zumindest für Zahnimplantate - in der Zahnmedizin herausragende ästhetische Vorteile. Diese Eigenschaften werden bereits in der Medizin genutzt, z.B. als Stents für Gefäße in der Kardiologie mit einer Oberfläche aus Keramik damit keine Anlagerungen von Körperzellen erfolgen. Bei den in der Zahnmedizin eingesetzten Keramik- Zahnimplantaten sind die oben erwähnten Vorteile nachteilig. Dadurch, dass das Material biologisch inert ist, wird das Implantat nicht oder nur ungenügend osseointegriert. Um die Vorteile der beiden Werkstoffe, Oxidkeramiken und Titan, zu vereinen und die jeweiligen Nachteile soweit wie möglich zu eliminieren, wurden in letzter Zeit zwei Ansätze verfolgt: Implantate aus einem Titankörper mit einer (teilweisen) Keramikbeschichtung (Verblendung) und Implantate aus einem Keramikkörper mit einer Titan- oder Titanoxidbeschichtung. Bei dem ersten Ansatz werden diejenigen Bereiche des Titankörpers mit einer Keramikbeschichtung versehen, die nach der Implantation keinen Kontakt mit dem Knochen haben. Bei dem zweiten Ansatz werden die Bereiche des Keramikkörpers mit Titan oder Titanoxid beschichtet, welche sich nach der Implantation in Knochenkontakt befinden, um dort besser osseointegriert werden zu können. Die Bereiche des Implantates, welche nach der Implantation keinen Kontakt mit dem Knochen haben, bleiben unbeschichtet. It has a dark, almost black color and, if it is highly polished, a silvery color, leaving the aesthetics in the cervical area much to be desired. Furthermore, titanium implants in dentistry at the point of passage from the gums can not be cleaned with ultrasonic metal tips because the material is scratched and roughness develops which promote increased plaque formation. For cleaning therefore special plastic tips are needed. Oxide ceramics (zirconium oxide ceramics, alumina, zirconia-alumina mixtures, etc.) is an extremely hard, smooth and biologically inert material that is absolutely resistant to corrosion (acids, salts, body fluids). Furthermore, it is extremely resistant to abrasion because of its hardness, ie the surface can only be changed with a diamond tool. Furthermore, the white color of the material - at least for dental implants - in dentistry outstanding aesthetic advantages. These properties are already used in medicine, for example as stents for vessels in cardiology with a ceramic surface so that no accumulation of body cells. In the ceramic dental implants used in dentistry, the above-mentioned advantages are disadvantageous. The fact that the material is biologically inert, the implant is not osseointegrated or insufficiently. In order to combine the advantages of the two materials, oxide ceramics and titanium, and to eliminate the respective disadvantages as far as possible, two approaches have recently been pursued: implants made of a titanium body with a (partial) ceramic coating (veneer) and implants of a ceramic body with a titanium or titanium oxide coating. In the first approach, those areas of the titanium body are provided with a ceramic coating which does not contact bone after implantation. In the second approach, the areas of the ceramic body are coated with titanium or titanium oxide, which are in bone contact after implantation in order to better osseointegrate there. The areas of the implant that have no contact with the bone after implantation remain uncoated.
Aufgrund der materialspezifischen Eigenschaften des Titans, nämlich dessen niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, die extreme Affinität des Titans zu Luft und Sauerstoff sowie die Kristallgitterumwandlung bei 882°C, können die früher gebräuchlichen Metall-Keramik-Verbundsysteme (Metallgrundkörper mit Keramikoberfläche, Verblendkeramiken) nicht genutzt werden, denn es ist nicht möglich, eine Keramik metallisch zu„verblenden". Durch eine Reaktion mit Keramikbestandteilen bildet sich bereits bei Temperaturen von 750-800°C eine oxidative Reaktionsschicht an der Oberfläche des Titankörpers. Bei Temperaturen von annähernd 1000°C, wie sie bei der Herstellung konventioneller Keramiken erreicht werden, würden die Oxidschichten extrem verstärkt und folglich der Verbund zur Keramikbeschichtung geschwächt werden. Überdies sind durch die Kristallgitterumwandlung Spannungen zu befürchten, die sich ebenfalls verbundschwächend auswirken können. Titan weist im Vergleich zu anderen Dentallegierungen einen besonders niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramik und Metall müssen jedoch aufeinander abgestimmt sein, um Risse und Abplatzungen der Keramik zu vermeiden, wie sie bei der Verblendung von Titan mit herkömmlichen Keramiken entstehen würden. Wie dem Fachmann bekannt, dehnen sich Metalle bei Hitze aus während Keramiken eine Sinterschrumpfung erfahren. Lange Zeit konnten keine zufriedenstellenden Haftfestigkeitswerte von Titan- Keramik-Systemen erreicht werden. Der geringere Haftverbund zwischen Titan und Keramik wird sowohl auf die notwendige Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, als auch auf die hohe Sauerstoffaffinität des Titans zurückgeführt, wodurch während des Brennvorgangs der Keramik ein ausgeprägtes Wachstum der Oxidschicht stattfindet. Die Sprödigkeit der Oxidschicht wird als primäre Ursache für die geringeren Verbundwerte angesehen. Due to the material-specific properties of titanium, namely its low thermal expansion coefficient, the extreme affinity of titanium for air and oxygen and crystal lattice transformation at 882 ° C, the previously used metal-ceramic composite systems (metal body with ceramic surface, veneering ceramics) can not be used because It is not possible to "veneer" a ceramic metal in a metallic manner: Reaction with ceramic constituents forms an oxidative reaction layer on the surface of the titanium body at temperatures of 750-800 ° C. At temperatures of approximately 1000 ° C., as in the case of If conventional ceramics are produced, the oxide layers would be extremely intensified and consequently the bond to the ceramic coating would be weakened, Moreover, by the crystal lattice transformation tensions are to be feared, which may also have a composite weakening effect Dental alloys have a particularly low coefficient of thermal expansion. The thermal expansion coefficients of ceramic and metal, however, must be coordinated to avoid cracks and spalling of the ceramic, as would occur in the veneering of titanium with conventional ceramics. As known to those skilled in the art, metals expand on heat while ceramics experience sintering shrinkage. For a long time, no satisfactory bond strength values of titanium ceramic systems could be achieved. The lower adhesion between titanium and ceramic is attributed to both the necessary adjustment of the thermal expansion coefficient and the high oxygen affinity of the titanium, whereby a pronounced growth of the oxide layer takes place during the firing of the ceramic. The brittleness of the oxide layer is considered to be the primary cause of the lower composite values.
Aus diesem Grunde wurden spezielle Binder (Haftvermittler) entwickelt, welche durch ihre reduzierenden Eigenschaften die Oxidation des Titans während des keramischen Brennvorgangs verhindern sollen (M. Kononen und J. Kivilahti, Bonding of low-fusing dental porcelain to commercially pure titanium, J Biomed Mater Res 1994, Band 28, Nr. 9, Seite 1027-35; U. Tesch, K. Päßler und E. Mann, Untersuchungen zum Titan-Keramik-Verbund, Dent Lab, 1993, Band 41 , Seite 71 - 74). Um die hohe Oxidationsneigung des Titans zu kompensieren und dadurch die Haftfestigkeitswerte von Titan-Keramik-Systemen zu erhöhen, wurden spezielle Binder entwickelt, die auf der Titanoberfläche vorhandene Oxide auflösen und umschließen und durch ihre glasartige Beschaffenheit die Oberfläche gegen weitere Oxidation versiegeln (J. Tinschert, R. Marx und R. Gussone, Struktur von Keramiken für die Titanverblendung, Dtsch Zahnärztl Z, 1995, Band 50, Seite 31 -4). Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass diese Vorgehensweise nur teilweise zum gewünschten Erfolg führte. Gilbert et al. berichteten über eine Verbesserung des Haftverbundes (J. L. Gilbert, D. A. Covey und E. P., Lautenschlager, Bond characteristics of porcelain fused to milled titanium, Dent Mater, 1994, Band 10, Nr. 2, Seite 134-140). Hung et al. hingegen konnten keine signifikante Verbesserung durch die Verwendung eines Binders feststellen (C.C. Hung, M. Okazaki und J. Takahashi, Effect of Bonding Agent on Strength of Pure Titanium-Pocelain System, J Dent Res, 1997, Band 76, Seite 60). Ein Nachteil der Verwendung von Bindern liegt darin, dass ein weiterer Keramikbrand notwendig wird, der neben dem erhöhten Zeitaufwand vor allem eine zusätzliche thermische Belastung des Titans bedingt. Ebenso sind durch den Binder hervorgerufene ästhetische Nachteile nicht auszuschließen. For this reason, special binders (adhesion promoters) have been developed which, by virtue of their reducing properties, are intended to prevent the oxidation of titanium during the ceramic firing process (M. Kononen and J. Kivilahti, J Bonding of low-fusing dental porcelain to pure titanium, J Biomed Mater Res 1994, Volume 28, No. 9, pages 1027-35, U. Tesch, K. Päßler and E. Mann, Studies on titanium-ceramic composite, Dent Lab, 1993, Volume 41, pages 71-74). In order to compensate for the high tendency of titanium to oxidize and thereby increase the bond strength values of titanium-ceramic systems, special binders have been developed which dissolve and encase oxides present on the titanium surface and, by their glassy nature, seal the surface against further oxidation (J. Tinschert , R. Marx and R. Gussone, structure of ceramics for the titanium veneer, Dtsch Zahnärztl Z, 1995, Volume 50, page 31 -4). However, studies have shown that this approach only partially led to the desired success. Gilbert et al. reported improvement in the bond (JL Gilbert, DA Covey and EP, Lautenschlager, Bond characteristics of porcelain fused to milled titanium, Dent Mater, 1994, Vol. 10, No. 2, pp. 134-140). Hung et al. however, no significant improvement was found by the use of a binder (CC Hung, M. Okazaki and J. Takahashi, Effect of Bonding Agents on Strength of Pure Titanium-Pocelain System, J Dent Res, 1997, Volume 76, page 60). A disadvantage of the use of binders is that a further ceramic firing is necessary, which in addition to the increased time, especially one additional thermal stress of titanium caused. Likewise, caused by the binder aesthetic disadvantages can not be excluded.
Unter der Zielsetzung, die Oxidation des Titans während des Brennvorgangs zu verringern, wurden Versuche unternommenen, den Keramikbrand unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen (J. Geis-Gerstorfer; Ch. Schille und P. Klein, Geringere Oxidationsneigung unter Schutzgasatmosphäre, Dent Lab, 1994, Band 42, Seite 1235-1236), jedoch mit nur wenig Erfolg, da als Hauptsauerstofflieferant für die Oxidation des Titans vor allem die Keramikbestandteile verantwortlich gemacht werden (M. Kononen und J. Kivilahti, Fusing of dental ceramics to titanium, J Dent Res, 2001 , Band 80, Nr. 3, Seite 848-854). With the aim of reducing the oxidation of titanium during the firing process, attempts have been made to carry out the ceramic firing under a protective gas atmosphere (J.Geis-Gerstorfer, Ch.Chille and P. Klein, Lower Oxidation Tendency Under A Protective Gas Atmosphere, Dent Lab, 1994, Vol , Page 1235-1236), but with little success, since as the main oxygen supplier for the oxidation of titanium above all the ceramic components are held responsible (M. Kononen and J. Kivilahti, Fusing of Dental Ceramics to Titanium, J Dent Res, 2001, Vol. 80, No. 3, pages 848-854).
Einen weiteren Ansatz, die Haftfestigkeit in einem Titan-Keramik-System zu erhöhen, beschreibt die DE 10 2004 041 687 A1 , gemäß der auf einen Körper aus Reintitan durch ein CVD-, PVD- oder Plasmaimmersions-Ionenimplantations- und Abscheideverfahren eine Schicht aus Zirkoniumoxid aufgebracht wird, auf weiche die für die Verblendung von Titan bestimmte Keramik ohne einen Binder aufgebrannt wird. Hierbei dient die Zirkoniumschicht als Haftvermittler zwischen dem Titankörper und der aufgebrachten Keramikschicht. Another approach to increase the bond strength in a titanium-ceramic system is described in DE 10 2004 041 687 A1, according to which a zirconium oxide layer is deposited on a pure titanium body by a CVD, PVD or plasma immersion ion implantation and deposition process is applied, on which the intended for the veneering of titanium ceramic is burned without a binder. Here, the zirconium layer serves as a bonding agent between the titanium body and the applied ceramic layer.
Neuere Ansätze gehen davon aus, einen Keramikkörper mit Titan zu beschichten, da bekannt ist, dass mit Titan beschichtete Keramiken sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die Osseointegration zeigen. Die WO 03/045268 A1 offenbart zum Beispiel ein einteiliges Zahnimplantat aus einem Keramikgrundkörper mit einer Titanbeschichtung. More recent approaches assume that a ceramic body can be coated with titanium since it is known that titanium-coated ceramics show very good results in terms of osseointegration. For example, WO 03/045268 A1 discloses a one-piece dental implant made of a ceramic base body with a titanium coating.
Allerdings ist auch bekannt, dass die Haftfestigkeit zwischen der Titanbeschichtung und der Keramik Probleme aufwirft, wie aus der US 2001/0036530 A1 bekannt. Die US 2001/0036530 A1 beschreibt ein Implantat aus einem Verbundwerkstoff aus einer Zirkoniumoxidkeramik mit einer ersten Beschichtung aus Titan, einer zweiten Beschichtung ebenfalls aus Titan und optional einer dritten Beschichtung aus Hydroxylapatit. Dabei werden zur besseren Verankerung der ersten Beschichtung und der damit erwünschten besseren Haftfestigkeit Titanionen mittels Ionenimplantation in die Keramik implantiert. Hierdurch konnte die Haftfestigkeit um 20% gegenüber bekannten Keramik-Titan-Verbundsystemen verbessert werden. Die offenbarten Titan-Keramik-Verbundsysteme weisen jedoch keine zufrieden stellenden Eigenschaften auf. Bei der Untersuchung der Haftfestigkeit konnten zwar keine Risse oder Sprünge beobachtet werden, jedoch lag die Haftfestigkeit mit durchschnittlich 67 MPa nur unwesentlich über der im Stand der Technik erreichten Haftfestigkeit von 41 MPa. Ein ähnlicher Ansatz wurde in der EP 2 018 879 A1 offenbart. Allerdings konnte auch hier keine zufrieden stellende Haftfestigkeit erreicht werden. Somit konnte letztendlich der Effekt, dass bei Ablösung der Schicht„blanke" Keramik zum Vorschein tritt, nicht verhindert werden. Dieser Effekt ist nicht nur, aber vor allem in der Implantologie nicht akzeptabel, da Materialversagen katastrophale Folgen nach sich zieht, weil Implantate versagensfrei Jahrzehnte bis optimalerweise lebenslang im Körper verweilen sollten. However, it is also known that the adhesion between the titanium coating and the ceramic poses problems as known from US 2001/0036530 A1. US 2001/0036530 A1 describes an implant made of a composite material of a zirconium oxide ceramic with a first coating of titanium, a second coating also made of titanium and optionally a third coating of hydroxyapatite. Here, for better anchoring of the first coating and the thus desired better adhesion titanium ions implanted by ion implantation in the ceramic. As a result, the adhesion could be improved by 20% over known ceramic-titanium composite systems. However, the disclosed titanium-ceramic composite systems do not have satisfactory properties. Although cracks or cracks could not be observed in the peel strength test, the average peel adhesion of 67 MPa was only marginally higher than the 41 MPa peel strength achieved in the prior art. A similar approach has been disclosed in EP 2 018 879 A1. However, even here satisfactory adhesive strength could not be achieved. Thus, it was not possible to prevent the effect of "bare" ceramics on detachment of the layer, which is not only acceptable, but above all in implantology, as material failure leads to catastrophic consequences, because implants are failing for decades until optimally lifelong in the body.
Es gibt Anwendungen, nicht nur doch vor allem bei Implantaten, die eine sehr hohe Haftfestigkeit der Schicht erfordern. Derartige Anwendungen sind nicht nur dentale Anwendungen, sondern auch andere medizinische Anwendungen, wie bipolare Prothesen (Hemiendoprothesen) zur Behandlung von Schenkelhalsfrakturen. Die häufig eingesetzten Duokopfprothesen bestehen aus einem Kopf, einem Stiel und einer Pfanne, die z.B. aus Polyethylen besteht. Hierdurch ergibt sich das Problem, dass durch die hohe mechanische Beanspruchung die Polyethylenpfanne verschleißt. Dieser Verschleiß kann zum Verlust der Gleitfähigkeit des Gelenks führen. Vor allem führen die Abriebprodukte zu aseptischer Knochennekrose. Dies führt zum technischen Versagen der Duokopf prothese und zu Folgeschäden im gesunden Gewebe. Voranstehende Ausführungen bezüglich der Folgen der Abriebprodukte gelten auch für Metall-Metall Paarungen sowie Metall-Kunststoff Paarungen bei orthopädischen Gelenkprothesen. Es besteht also Bedarf an Materialien für Implantate, die sowohl in chemischer als auch in mechanischer Hinsicht alle Anforderungen an die unterschiedlichsten Einsatzbereiche der Implantate erfüllen. Diese müssen dazu noch die Fähigkeit aufweisen zu osseointegrieren. Zudem besteht Bedarf an einem Verfahren, mit welchen diese Materialien einfach und kostengünstig in ausreichender Menge hergestellt werden können. Darstellung der Erfindung There are applications, not only but especially for implants that require a very high adhesion of the layer. Such applications are not only dental applications, but also other medical applications, such as bipolar prostheses (hemi-prostheses) for the treatment of femoral neck fractures. The commonly used duo head prostheses consist of a head, a stem and a pan, which consists for example of polyethylene. This results in the problem that wears the polyethylene pan by the high mechanical stress. This wear can lead to the loss of lubricity of the joint. Above all, the abrasion products lead to aseptic bone necrosis. This leads to technical failure of the duo head prosthesis and to consequential damage in healthy tissue. Previous remarks concerning the consequences of abrasion products also apply to metal-metal pairings and metal-plastic pairings in orthopedic joint prostheses. There is therefore a need for materials for implants that fulfill all the requirements for the most diverse fields of use of the implants, both chemically and mechanically. These must have the ability have osseointegrate. In addition, there is a need for a method by which these materials can be easily and cheaply produced in sufficient quantity. Presentation of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Material bereitzustellen, das biokompatibel ist, osseointegriert, und keine aseptischen Nekrosen durch seine Abriebprodukte verursacht. Weiterhin soll dieses Material die in allen Einsatzbereichen von Implantaten erforderlichen chemischen und mechanischen Eigenschaften aufweisen, sowie einfach herzustellen sein. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, die Schichthaftungsproblematik zu eliminieren und ein Verfahren bereitzustellen, das eine einfache Herstellung des Materials erlaubt. Phasenbildungen wie sie bei herkömmlichen Beschichtungen entstehen, sollten vermieden werden It is therefore an object of the present invention to provide a material which is biocompatible, osseointegrated, and does not cause aseptic necrosis by its abrasion products. Furthermore, this material should have the required in all applications of implants chemical and mechanical properties, as well as easy to manufacture. A further object of the invention is to eliminate the layer adhesion problem and to provide a method which allows easy production of the material. Phase formations as they occur in conventional coatings should be avoided
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben wurden durch die Bereitstellung eines monolithischen Keramikkörpers nach Anspruch 1 , eines Verfahrens zur Herstellung eines monolithischen Keramikkörpers nach Anspruch 10 sowie seine Verwendung nach Anspruch 18 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Die Erfinder haben erkannt, dass der Problemlösungsansatz bei neuen Werkstoffen im allgemeinen, und ganz speziell für die Implantologie, bei der Eliminierung der Schichthaftungsproblematik liegt, um eine jahrzehntelange Verweildauer und Funktionstüchtigkeit im Körper zu gewährleisten. The objects underlying the invention were achieved by providing a monolithic ceramic body according to claim 1, a method for producing a monolithic ceramic body according to claim 10 and its use according to claim 18. Preferred embodiments can be found in the dependent claims. The inventors have recognized that the problem-solving approach for new materials in general, and more specifically for implantology, is in eliminating the layer adhesion problem, to ensure decades of residence and functionality in the body.
Mit der vorliegenden Erfindung werden außerdem folgende Vorteile und Wirkungen kombiniert erreicht: The present invention also achieves, in combination, the following advantages and effects:
- Schaffung eines osseointegrierenden monolithischen Keramikkörpers mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche mit einer der- Creating an osseointegrating monolithic ceramic body with mixed oxide edge region and metallic surface with one of
Knochenstruktur, bezüglich der Weichheit, soweit ähnlichen Struktur, dass Mikrofrakturen des knöchernen Implantatbettes bei Belastung weitestgehend verhindert werden können. Wie aus der Literatur bekannt und dort beschrieben, verursachen besonders harte Implantatmaterialien bei Belastungsspitzen unerwünschte knöcherne Mikrofrakturen des Knochens im Implantatbett - ein Problem, welches bisher noch keine Lösung fand, aber mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden konnte. Bone structure, in terms of softness, as far as similar structure that microfractures of the bony implant bed under load as much as possible can be prevented. As is known and described in the literature, particularly hard implant materials cause stressful bone osseous microfractures in the implant site at exercise spikes - a problem which has not been solved yet but has been solved by the present invention.
- Erfindungsgemäße monolithische Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche eliminieren die durch Mikrodefekte der Oberfläche (präformierte Sollbruchstelle) verursachten Schwachstellen des keramischen noch nicht erfindungsgemäß veränderten Grundkörpers. Nach erfindungsgemäßer Veränderung wird dieser resistenter gegen Schlag- und Stoßwirkung, und auch die Splitterneigung wird weitestgehend möglich eliminiert. - dem Fachmann ist bekannt, dass herkömmliche Keramik sehr hart, aber auch sehr spröde ist, und bei Materialversagen in unzählige Bruchstücke zerspringt. Monolithic ceramic bodies according to the invention with mixed oxide edge area and metallic surface eliminate the weak spots of the ceramic base body which has not yet been changed according to the invention due to microdefects of the surface (preformed predetermined breaking point). After modification according to the invention this is more resistant to impact and impact, and also the splitter inclination is largely eliminated possible. It is known to the person skilled in the art that conventional ceramic is very hard, but also very brittle, and shatters into countless fragments in the event of material failure.
- Bei der Untersuchung erfindungsgemäßer monolithischer Keramikkörper in Form von Keramikplättchen mit einer Dicke von ca. 1 mm stellte sich heraus, dass diese Körper wesentlich biegsamer als nicht erfindungsgemäße Keramikkörper waren, und beim Bruch nicht so wie herkömmlicheWhen examining inventive monolithic ceramic bodies in the form of ceramic platelets with a thickness of about 1 mm, it turned out that these bodies were considerably more flexible than non-inventive ceramic bodies, and not at breakage as conventional
Keramikplättchen in unzählige kleine Teile zersplittern, sondern definiert mit einer Bruchstelle in zwei Stücke brechen (siehe Fig. 4, 5a und 5b). Broken ceramic plate into countless small parts, but defined break with a break in two pieces (see Fig. 4, 5a and 5b).
- Erfindungsgemäße monolithische Keramikkörper sind wesentlich schlag- und druckresistenter durch Absorption und gleichmäßige Druckumverteilung, da der Mischoxid-Randbereich und die metallische Oberfläche wesentlich elastischer als Keramik sind und dadurch Mikrorisse zu verhindern vermögen. Dies bedeutet, dass die mechanische Überlastung bis zum Bruch wesentlich später erfolgt, da wie aus der Literatur bekannt, Mikrorisse an der Oberfläche von Keramik schnell durch die Keramik ziehen und diese zersplittern lassen.- Monolithic ceramic bodies according to the invention are substantially impact and pressure resistant by absorption and uniform pressure redistribution, since the mixed oxide edge region and the metallic surface are much more elastic than ceramic and thereby prevent micro-cracks. This means that the mechanical overloading takes place much later until fracture, since, as known from the literature, microcracks on the surface of ceramic rapidly pull through the ceramic and cause it to shatter.
Derartiges Zersplittern kommt gerade im menschlichen Körper einer Katastrophe gleich, da all die Splitter entfernt werden müssen, was nicht immer vollständig gelingt. Konsekutiv verursachen die im menschlichen Körper verbliebenen Splitter persistierende Beschwerden. Dieses Problem wird durch die Verwendung erfindungsgemäßer Implantate soweit wie technisch machbar ausgeräumt und weitestgehend möglich vermieden. Such splintering is just like a catastrophe in the human body, because all the splinters have to be removed, which is not always completely successful. Consecutively, the fragments left in the human body cause persistent symptoms. This problem is eliminated as far as technically feasible by the use of implants according to the invention and as far as possible avoided.
- Erfindungsgemäße monolithische Keramikkörper verhalten sich an der Oberfläche wie Metalle. Damit kann eine weitergehende gewünschte Veränderung oder Bearbeitung der Oberfläche wie bereits aus der Metallverarbeitung bekannt kostengünstig erfolgen. - Monolithic ceramic bodies according to the invention behave on the surface like metals. Thus, a further desired change or processing of the surface as already known from the metal processing can be done inexpensively.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen monolithischen Keramikkörpers mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche besteht in der kumulierten Lösung vieler bisher noch nicht gelöster Probleme (oben aufgelistet). Darüber hinaus wird eine kumulierte wesentliche Verbesserung der Keramikeigenschaften gegenüber herkömmlichen Keramikkörpern erreicht. Dieses Ergebnis wird ohne Verlust der erwünschten und benötigten positiven Eigenschaften herkömmlicher Keramikkörper erzielt (Härte, Abriebfestigkeit, usw.), da die Herstellung der erfindungsgemäßen monolithischen Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche im Niedrigtemperaturbereich stattfindet. Zusätzlich zu den dargestellten Problemlösungen wird bei der Verwendung des erfindungsgemäßen monolithischen Keramikkörpers mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche als Schutzpanzerung ein weiterer Vorteil erzielt. Die Oberfläche dient dabei als Gleitmittel (Abgleitmittel) bei z.B. auftreffenden Projektilen. The particular advantage of the monolithic ceramic body according to the invention with mixed oxide edge area and metallic surface is the cumulative solution of many problems not yet solved (listed above). In addition, a cumulative significant improvement in the ceramic properties over conventional ceramic bodies is achieved. This result is achieved without loss of the desired and required positive properties of conventional ceramic body (hardness, abrasion resistance, etc.), since the preparation of monolithic ceramic bodies according to the invention with mixed oxide edge region and metallic surface takes place in the low temperature range. In addition to the problem solutions described, a further advantage is achieved when using the monolithic ceramic body according to the invention with mixed oxide edge region and metallic surface as protective armor. The surface serves as a lubricant (slipping agent) at e.g. impacting projectiles.
Der erfindungsgemäße Keramikkörper besteht aus dem Oxid eines ersten Metalls (I) mit einem Mischoxid-Randbereich (Metall l+ll) sowie einer metallischen Oberfläche des Metalls (II). Der Mischoxid-Randbereich umfasst das Oxid des ersten Metalls (I) und das Oxid des weiteren Metalls (II), welches eine hohe Affinität zu Sauerstoff hat. Die Erfinder haben überraschend festgestellt, dass der Mischoxid-Randbereich einen kontinuierlichen, gleichmäßigen Konzentrationsgradienten des ersten Metalls (I), ausgehend von 100% im Kern bis zu 0% im Übergangsbereich zu der metallischen Oberfläche des Keramikkörpers, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt (l+l l), und einen kontinuierlichen, gleichmäßigen Konzentrationsgradienten des weiteren Metalls (II), ausgehend von 0% im Kern bis zu 100% im Übergangsbereich zu der metallischen Oberfläche des Keramikkörpers, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt (l+l l), aufweist. Die Sauerstoffkonzentration hingegen bleibt im Mischoxid- Randbereich konstant. Die Oberfläche des erfindungsgemäßen monolithischen Körpers ist metallisch (Metall II), und ist damit keine (metallische) Beschichtung. The ceramic body according to the invention consists of the oxide of a first metal (I) with a mixed oxide edge region (metal I + II) and a metallic surface of the metal (II). The mixed oxide edge region comprises the oxide of the first metal (I) and the oxide of the further metal (II), which has a high affinity for oxygen. The inventors have surprisingly found that the mixed oxide edge region has a continuous, uniform concentration gradient of the first metal (I), starting from 100% in the core to 0% in the transition region to the metallic one Surface of the ceramic body, based on the total metal content (l + ll), and a continuous, uniform concentration gradient of the further metal (II), starting from 0% in the core up to 100% in the transition region to the metallic surface of the ceramic body, based on the total metal content (l + ll). By contrast, the oxygen concentration remains constant in the mixed oxide boundary region. The surface of the monolithic body according to the invention is metallic (metal II), and is thus no (metallic) coating.
Durch die erfindungsgemäße Herstellung entsteht ein monolithischer Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche. Die bei einer Beschichtung klar erkennbaren Phasengrenzen sind bei dem erfindungsgemäßen Keramikkörper nicht existent, da es sich nicht um eine Beschichtung handelt, sondern um eine monolithische Struktur resultierend aus einer thermochemischen Reaktion. Phasengrenzen (typisches Merkmal von Beschichtungen) sind weder im Übergangsbereich Metall (I) zum Mischoxid-Randbereich der Metalle (l+l l), noch im Mischoxid-Randbereich selbst, noch im Übergangsbereich des Mischoxid- Randbereichs (Metall l+l l) zur Metalloberfläche (Metall II) des Keramikkörpers feststellbar. Unter phasengrenzenlos im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Konzentrationsgradient zu verstehen, bei dem es keine Stoffgrenzen gibt. The production according to the invention produces a monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface. The phase boundaries which are clearly discernible in the case of a coating do not exist in the ceramic body according to the invention, since it is not a coating but a monolithic structure resulting from a thermochemical reaction. Phase boundaries (typical feature of coatings) are neither in the transition region metal (I) to the mixed oxide edge region of the metals (l + ll), nor in the mixed oxide edge region itself, nor in the transition region of the mixed oxide edge region (metal l + ll) to the metal surface ( Metal II) of the ceramic body detectable. Phase-free within the meaning of the present invention is to be understood as a concentration gradient in which there are no substance limits.
„Bereich" im Sinne der Erfindung bedeutet in Abgrenzung zu dem Begriff „Schicht", dass die chemische Zusammensetzung innerhalb des „Bereichs" variiert, auch innerhalb einer Atomlage des Bereichs. Hingegen zeichnet sich eine „Schicht" dadurch aus, dass sie Phasengrenzen aufweist und die ganze Schicht eine definierte chemische Zusammensetzung aufweist, die über die Schicht hinweg dieselbe ist. "Area" in the sense of the invention, in contrast to the term "layer", means that the chemical composition varies within the "area", even within an atomic layer of the area, whereas a "layer" is characterized by having phase boundaries and the entire layer has a defined chemical composition that is the same across the layer.
„Keramik" im Sinne der Erfindung umfasst neben den Rohstoffen, die für die Herstellung keramischer Produkte verwendet werden, und ihrer Aufbereitung zur eigentlichen Keramik auch die aus Keramiken geformten und gebrannten Gegenstände selbst, die als Bauteile, Schutzpanzerungen für zivile und militärische Zwecke - bei Personen, Fahrzeugen, Gebäuden (Personen=Körperschutz, Gebäudepanzerung, Fahrzeugpanzerungen bei KFZ, Schiffen, U-Booten Flugzeugen, Raketen, usw.) - , Gebrauchs- und Ziergegenstände oder Werkzeuge verwendet werden. „Metall (I)" und„Metall (II)" im Sinne der Erfindung bedeutet nicht die Oxidationsstufe der Metalle. Die Bezifferung (I) und (II) dient der Unterscheidung des Metalls, welches Bestandteil der Keramik ist, wobei hierfür die Bezeichnung„erstes Metall" oder „Metall (I)" verwendet wird. Bei dem Metall, welches zur Ausbildung des Mischoxid-Randbereichs verwendet wird, wird hierfür die Bezeichnung „weiteres Metall" oder„Metall (II)" verwendet. Die Begriffe„erstes Metall" und„Metall (I)" sowie „weiteres Metall" und„Metall (II)" werden synonym verwendet. "Ceramic" in the context of the invention includes in addition to the raw materials that are used for the production of ceramic products, and their preparation for the actual ceramics and formed from ceramics and fired objects themselves, as components, protective armor for civilian and military purposes - in persons , Vehicles, buildings (persons = body protection, Building armor, vehicle armor on vehicles, ships, submarines aircraft, rockets, etc.), utensils and ornaments or tools are used. "Metal (I)" and "metal (II)" in the context of the invention does not mean the oxidation state of the metals. The numbers (I) and (II) serve to distinguish the metal which is part of the ceramic, using the term "first metal" or "metal (I)" for this purpose. The metal used to form the mixed oxide edge region uses the term "further metal" or "metal (II)" for this purpose. The terms "first metal" and "metal (I)" as well as "additional metal" and "metal (II)" are used interchangeably.
„Randbereich" im Sinne der Erfindung ist der Bereich des erfindungsgemäßen Keramikkörpers, der unterhalb seiner metallischen Oberfläche beginnt und in Richtung des Inneren des Keramikkörpers bis zu seinem Kern aus dem Oxid des ersten Metalls (I) verläuft. "Edge region" in the sense of the invention is the region of the ceramic body according to the invention which begins below its metallic surface and runs in the direction of the interior of the ceramic body up to its core from the oxide of the first metal (I).
„Randzone" im Sinne der Erfindung ist der Bereich des erfindungsgemäßen Keramikkörpers, der von der metallischen Oberfläche und dem darunter liegenden Randbereich gebildet wird. "Edge zone" in the sense of the invention is the region of the ceramic body according to the invention, which is formed by the metallic surface and the underlying edge region.
„Unfertiger Keramikkörper" im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein noch nicht erfindungsgemäß veränderter Keramikkörper. „Randbereich des unfertigen Keramikkörpers" ist der Bereich des unfertigen Keramikkörpers, der ausgehend von dessen äußerer Oberfläche in Richtung des Inneren des unfertigen Keramikkörpers verläuft. The term "unfinished ceramic body" in the sense of the present application is a ceramic body which has not yet been modified according to the invention.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass man bei dem erfindungsgemäßen Keramikkörper nicht mehr von einem Verbundwerkstoff, d.h. einem Keramikkörper mit einer Metallbeschichtung sprechen kann (da Phasengrenzen als Kennzeichen einer Beschichtung nicht mehr vorhanden sind). Es handelt sich stattdessen um einen monolithischen Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche. Dementsprechend kann auch nicht mehr von einer „Schichthaftung" und Haftfestigkeit gesprochen werden. Vielmehr handelt es sich um einen Bereich des Keramikkörpers, der thermochemisch verändert wurde. The advantages achieved by the invention are to be seen in particular in that one can no longer speak of a composite material, ie a ceramic body with a metal coating in the ceramic body according to the invention (since phase boundaries no longer exist as a characteristic of a coating are). Instead, it is a monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface. Accordingly, it is no longer possible to speak of a "layer adhesion" and adhesive strength, but rather an area of the ceramic body which has been thermochemically altered.
Bei herkömmlichen Verbundsystemen kommen drei Gruppen von Kräften zwischen dem Metall und der Verblendkeramik zum Tragen, die zum Verbund führen, nämlich mechanische, adhäsive und chemische Kräfte. Die mechanischen Kräfte entstehen durch das Aufschrumpfen einer Keramik auf das Metallgerüst während des Sinterprozesses. Für die Kräfte sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Retention, d.h. das mechanische Verzahnen der Verbundpartner miteinander, verantwortlich. Die zwischenmolekularen Anziehungskräfte (Van der Waals'sche Kräfte) sind für die Adhäsion zwischen den Verbundpartnern verantwortlich. Hierzu zählen insbesondere die Dipol-Wechselwirkungen und die Wasserstoffbrückenbindungen. Die Bildung eines Mischoxids führt zu der chemischen Kraft. Die Oberfläche der mit einer Keramik zu beschichtenden Metalle besteht, je nach Art des Metalls mehr oder weniger, nicht aus reinem Metall sondern aus Metalloxid. Diese Metalloxide sind retentiv und adhäsiv mit dem Metallgerüst verbunden. Der chemische Verbund zwischen dem Metallgerüst und der Keramik findet an der oxidierten Oberfläche des Metalls statt. Bei den keramischen Bränden kommt es zu gemeinsamen Bindungen zwischen der Metalloxidschicht und der Keramikgrundmasse. Es werden so genannte Sauerstoffbrücken gebildet. Entscheidend bei den herkömmlichen Verbundsystemen ist jedoch nicht nur, welche Kraft zu welchem Anteil wirkt, sondern auch, wie stark die Metalloxidschicht auf dem Metall haftet. Unabhängig davon, welche Kraft bei dem jeweiligen Verbund überwiegt, besteht das Verbundsystem aus vielen unterschiedlichen Schichten. Conventional composite systems involve three groups of forces between the metal and the veneering ceramic that result in bonding, namely mechanical, adhesive and chemical forces. The mechanical forces are created by shrinking a ceramic onto the metal framework during the sintering process. For the forces, the thermal expansion coefficients and the retention, i. the mechanical interlocking of the partners with each other, responsible. The intermolecular forces of attraction (Van der Waals forces) are responsible for the adhesion between the composite partners. These include in particular the dipole interactions and the hydrogen bonds. The formation of a mixed oxide leads to the chemical force. The surface of the metals to be coated with a ceramic is, depending on the type of metal more or less, not of pure metal but of metal oxide. These metal oxides are retentively and adhesively bonded to the metal framework. The chemical bond between the metal framework and the ceramic takes place on the oxidized surface of the metal. In ceramic fires, there are common bonds between the metal oxide layer and the ceramic matrix. So-called oxygen bridges are formed. Decisive in the conventional composite systems, however, is not only what force acts to which extent, but also how strongly the metal oxide layer adheres to the metal. Regardless of which force prevails in the respective composite, the composite system consists of many different layers.
Die Erfinder haben bei dem erfindungsgemäßen monolithischen Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche festgestellt, dass der Keramikkörper bis zur Oberfläche keinen Schichtaufbau (Phasengrenzen fehlen) aufweist. Es liegen nicht wie bei einer Beschichtung dünne Schichten mit gleicher chemischer Zusammensetzung und somit aufeinander liegende Schichten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung vor, welche aneinander haften, sondern man erhält ein komplexes System, in dem die Metallionen (II) mit dem Sauerstoff der Keramik (I) reagieren, so dass eine neue chemische Verbindung, bestehend aus Metallionen (I), Metallionen (II) und Sauerstoff, gebildet wird. Die Erfinder vermuten, dass zwischen den Sauerstoffatomen der Keramik (Oxid des Metalls I) als Festkörper und den Metallionen (II) eine (thermo-)chemische Reaktion stattfindet, wodurch sich ein Bereich ausbildet, bei dem der Randbereich des Keramikkörpers kontinuierlich chemisch verändert wird, bis hin zu einer äußeren Metalloberfläche, ohne dass es wie üblich nur zu einem„Einbau" der Metallionen (II) in das Gitter des Keramikmaterials kommt (hier sind Phasengrenzen vorhanden), wodurch das Gitter gestört und Ionen aus dem Keramikgitter herausgeschlagen würden. The inventors have found in the inventive monolithic ceramic body with mixed oxide edge region and metallic surface that the ceramic body to the surface has no layer structure (phase boundaries missing). It is not like a coating thin layers with the same chemical composition and thus layers lying opposite each other with different chemical composition, which adhere to each other, but one obtains a complex system in which the metal ions (II) react with the oxygen of the ceramic (I), so that a new chemical compound consisting of Metal ions (I), metal ions (II) and oxygen is formed. The inventors suspect that a (thermo) chemical reaction takes place between the oxygen atoms of the ceramic (oxide of metal I) as solid and the metal ions (II), whereby a region is formed in which the edge region of the ceramic body is continuously chemically altered, to an outer metal surface, without, as usual, only "incorporation" of the metal ions (II) in the lattice of the ceramic material (here phase boundaries are present), whereby the grid would be disturbed and ions would be knocked out of the ceramic grid.
Vielmehr ist zu beobachten, dass die Metall (Il)-Konzentration kontinuierlich, beginnend von 0% im Kern der Keramik bis 100% im Übergangsbereich zu der metallischen Oberfläche, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt, zunimmt und die Metall (I)-Konzentration kontinuierlich beginnend von 100% im Kern der Keramik bis 0% im Übergangsbereich zu der metallischen Oberfläche, bezogen auf den Gesamtgehalt, abnimmt. Überraschend bleibt die Sauerstoffkonzentration im Mischoxid-Randbereich konstant. Folglich ändert sich die chemische Zusammensetzung des Keramikkörpers vom Körperinneren bis zu dessen Oberfläche, wobei im Randbereich ein Mischoxid aus Metall (I) und Metall (II) entsteht, welches schlussendlich in einer metallischen Oberfläche des Metalls (II) mit einer 100%-Konzentration des Metalls (II) endet. Rather, it can be observed that the metal (II) concentration increases continuously, starting from 0% in the core of the ceramic to 100% in the transition region to the metallic surface, based on the total metal content, and the metal (I) concentration starting continuously from 100% in the core of the ceramic to 0% in the transition region to the metallic surface, based on the total content, decreases. Surprisingly, the oxygen concentration in the mixed oxide edge region remains constant. Consequently, the chemical composition of the ceramic body changes from the interior of the body to its surface, wherein in the edge region a mixed oxide of metal (I) and metal (II) is formed, which finally in a metallic surface of the metal (II) with a 100% concentration of the Metal (II) ends.
Dies hat den Vorteil, dass es zu keiner Ausbildung von Schichten (Phasen, Phasengrenzen) kommt und daher zu keiner Begrenzung der Haftfestigkeit mehr. Alle Versuche, ein Materialversagen der Oberfläche des erfindungsgemäßen Monolithen herbei zu führen (Schichthaftungstests mit Superkleber) endeten im Versagen des Superklebers, ohne freiliegende Keramik. Der erfindungsgemäße Monolith blieb unbeschädigt. Die Schichthaftungsproblematik entfällt damit, genauso wie die Versuche, die Schichthaftung zu verbessern. Diese Problematik wurde erfindungsgemäß gelöst. Die Lösung der anderen bereits erwähnten Probleme wurde bereits erwähnt. Damit handelt es sich konsekutiv auch nicht um eine Beschichtung. Es kann nicht mehr von Schichthaftung oder Haftfestigkeit gesprochen werden. Der Keramikkörper weist die vorteilhaften Eigenschaften einer metallbeschichteten Keramik auf und überwindet die Nachteile der Haftfestigkeit von herkömmlichen Metall-Keramik- Verbunden. Durch die chemische Veränderung des Randbereichs der Keramik wird ein Monolith geschaffen, mit einer untrennbaren chemischen Verbindung zwischen der Keramik (Oxid des Metalls I), dem Mischoxid-Randbereich auf Basis der Metalle (I) und (II) sowie der metallischen Oberfläche aus dem Metall (II). This has the advantage that there is no formation of layers (phases, phase boundaries) and therefore no longer limits the adhesion. All attempts to cause a material failure of the surface of the monolith according to the invention (super-adhesive layer adhesion tests) resulted in the failure of the super-adhesive without exposed ceramic. The monolith according to the invention remained undamaged. The layer adhesion problem is eliminated, as well like the attempts to improve the layer adhesion. This problem has been solved according to the invention. The solution of the other problems already mentioned has already been mentioned. This is consequently not a coating. It can no longer be spoken of layer adhesion or adhesion. The ceramic body has the advantageous properties of a metal-coated ceramic and overcomes the disadvantages of the adhesive strength of conventional metal-ceramic composites. The chemical modification of the edge region of the ceramic creates a monolith with an inseparable chemical bond between the ceramic (oxide of metal I), the mixed oxide edge region based on metals (I) and (II) and the metallic surface of the metal (II).
Erfindungsgemäß ist die Keramik eine Oxidkeramik, bestehend aus dem Oxid eines Metalls (I), wobei das Metall (I) Zirkonium, Aluminium, Yttrium, Hafnium, Silizium, Magnesium, Cer, andere Metalloxide oder metallisches Glas oder Gemische davon umfasst. Bevorzugt ist das Metall (I) Zirkonium oder umfasst Zirkonium. Zirkoniumoxid und Alumina sind weiß und werden daher bevorzugt im Dentalbereich eingesetzt. According to the invention, the ceramic is an oxide ceramic consisting of the oxide of a metal (I), wherein the metal (I) comprises zirconium, aluminum, yttrium, hafnium, silicon, magnesium, cerium, other metal oxides or metallic glass or mixtures thereof. Preferably, the metal (I) is zirconium or comprises zirconium. Zirconium oxide and alumina are white and are therefore preferably used in the dental field.
Der Keramikkörper kann vor der thermochemischen Ausbildung des Mischoxid- Randbereichs und vor dem Sintern vorgeformt werden. Dies bedeutet, dass eine grüne Keramik in eine gewünschte Form gebracht und anschließend gesintert wird. Dies hat den Vorteil, dass die grüne Keramik relativ weich und einfach zu formen ist, verglichen mit der harten Keramik nach dem Sintern. Dementsprechend können individualisierte bzw. maßgeschneiderte Implantate bei vergleichbar geringen Kosten, z.B. durch 3D-Rekonstruktion, hergestellt werden. Dies ermöglicht die Herstellung auch komplexer anatomischer Strukturen. „Grüne Keramik" im Sinne dieser Erfindung bedeutet keramisches Material vor dem endgültigen Sinterprozess. Die grüne Keramik kann gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt, geformt und bearbeitet werden, wie heiß isostatisches Pressen, Pressen, Drehen, Mahlen, Bohren, Beschleifen oder Spanen, etc. wobei die Verfahren manuell oder computergestützt numerisch gesteuert werden können. The ceramic body may be preformed prior to thermochemical formation of the mixed oxide edge region and prior to sintering. This means that a green ceramic is brought into a desired shape and then sintered. This has the advantage that the green ceramic is relatively soft and easy to shape compared to the hard ceramic after sintering. Accordingly, individualized or customized implants can be manufactured at comparatively low cost, eg by 3D reconstruction. This allows the production of even complex anatomical structures. "Green ceramic" in the sense of this invention means ceramic material before the final sintering process. The green ceramic can be made, shaped and processed according to methods known to those skilled in the art, such as hot isostatic pressing, pressing, turning, milling, drilling, grinding or machining, etc., where the methods can be numerically controlled manually or computer-assisted.
Die vorgeformte Keramik kann vor oder nach dem Sintern mechanisch oder physikalisch behandelt werden, etwa um die Oberfläche zu vergrößern. Durch die vergrößerte Oberfläche wird die Osseointegration verbessert, wenn der erfindungsgemäße monolithische Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche als Implantat verwendet wird. Die chemische, mechanische oder physikalische Behandlung wird bevorzugt an der grünen Keramik vorgenommen, da hier durch das weiche Material die Behandlung schneller, einfacher und billiger erfolgen kann als nach dem Sintern, kann aber auch nach dem Sintern erfolgen. The preformed ceramic may be treated mechanically or physically before or after sintering, such as to increase the surface area. The enlarged surface improves the osseointegration when the monolithic ceramic body according to the invention with mixed oxide edge area and metallic surface is used as the implant. The chemical, mechanical or physical treatment is preferably carried out on the green ceramic, since here by the soft material treatment can be faster, easier and cheaper than after sintering, but can also be done after sintering.
„Mechanische Behandlung" im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere Schleifen, Sandstrahlen oder Bestrahlen mit einem Wasserstrahl, sowie alle weiteren dem Fachmann bekannten Verfahren.„Physikalische Behandlung" im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere Bestrahlen mit einem Laserstrahl, sowie alle weiteren dem Fachmann bekannten Verfahren. "Mechanical treatment" in the sense of the invention comprises, in particular, grinding, sandblasting or irradiation with a water jet, as well as all other processes known to those skilled in the art. "Physical treatment" in the sense of the invention comprises, in particular, irradiation with a laser beam, as well as all other processes known to the person skilled in the art.
Darüber hinaus kann die grüne Keramik auch chemisch behandelt werden, z.B. Ätzen mit einer Säure oder einem Säuregemisch. Die Säure oder das Säuregemisch kann unter Phosphorsäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure, Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Salpetersäure/ Chlorwasserstoffsäure- Gemisch, wie Königswasser, oder Chlorwasserstoffsäure/Schwefelsäure-Gemisch ausgewählt werden. Dasselbe gilt auch für gesinterte Keramik, die mit geeigneten Säuren oder Säuregemisch behandelt werden kann (alle dem Fachmann bekannten und geeigneten Verfahren). In addition, the green ceramic can also be chemically treated, e.g. Etching with an acid or an acid mixture. The acid or the acid mixture may be selected from phosphoric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid, nitric acid, nitric acid / hydrochloric acid mixture such as aqua regia, or hydrochloric acid / sulfuric acid mixture. The same applies to sintered ceramics which can be treated with suitable acids or acid mixtures (all processes known and suitable to the person skilled in the art).
Das Metall (II) zur Ausbildung des Mischoxid-Randbereichs auf Basis der Metalle (I) und (II) und der metallischen Oberfläche aus dem Metall (II) ist erfindungsgemäß ein Metall mit hoher Sauerstoffaffinität und ist unter Titan, Niob, Tantal sowie Verbindungen und Legierungen davon ausgewählt. Weitere Sauerstoff affine Metalle sind nicht ausgeschlossen. Bevorzugt ist das Metall (II) elementares Titan, eine Titanverbindung oder eine Titanlegierung. In einigen Ausführungsformen kann die Titanverbindung eine Verbindung aus Titan mit Elementen der 14. (z.B. C, Si, Ge, Sn, Pb), 15. (z.B. N, P, As, Sb, Bi) oder 16. (z.B. 0, S, Se, Te, Po) Gruppe des Periodensystems oder ein Gemisch davon sein. Besonders bevorzugt ist als Metall (II) elementares Titan, wobei 100%-tiges Reintitan ganz besonders bevorzugt ist. The metal (II) for forming the mixed oxide edge region based on the metals (I) and (II) and the metallic surface of the metal (II) is according to the invention a High oxygen affinity metal and is selected from titanium, niobium, tantalum, as well as compounds and alloys thereof. Other oxygen-affine metals are not excluded. Preferably, the metal (II) is elemental titanium, a titanium compound or a titanium alloy. In some embodiments, the titanium compound may comprise a titanium compound having elements of the 14th (eg, C, Si, Ge, Sn, Pb), 15. (eg, N, P, As, Sb, Bi) or 16. (eg, 0, p , Se, Te, Po) group of the periodic table or a mixture thereof. Particularly preferred as metal (II) elemental titanium, with 100% pure titanium is very particularly preferred.
Die Dicke des Mischoxid-Randbereichs wird zum einen durch die Eindringtiefe der Metallionen (II) beim erfindungsgemäßen Implantieren, zum anderen durch deren Diffusion sowie durch die thermochemische Reaktion im Keramikkörper bestimmt. Hier findet die gewünschte chemische Reaktion statt, was das wesentliche Unterscheidungsmerkmal zur herkömmlichen Ionenimplantation darstellt, bei der es nur zu einem„Einbau" von Metallionen in das Gitter des Keramikmaterials kommt (Phasengrenzen sind vorhanden). Der reaktive Randbereich hat im Mittel eine Dicke von etwa 700 Atom lagen, was etwa 140 Nanometer entspricht. Erfindungsgemäß beträgt die Dicke mindestens 500 Atomlagen, kann aber auch weniger betragen, jedoch nur soweit weniger, dass keine Schwächung des Monolithen erfolgt. Bevorzugt werden mindestens 700 Atom lagen und besonders bevorzugt mehr als 700 Atomlagen. Ein Randbereich mit einer Dicke größer als 700 Atomlagen ist schwierig herzustellen, vor allem besonders kostenintensiv und bringt keinen ersichtlichen Vorteil oder weitere Verbesserungen hinsichtlich der Anwendungsbereiche des monolithischen Keramikkörpers mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche und hinsichtlich der erzielten Materialvorteile. The thickness of the mixed oxide edge region is determined on the one hand by the penetration depth of the metal ions (II) in implanting according to the invention, on the other hand by their diffusion and by the thermochemical reaction in the ceramic body. Here, the desired chemical reaction takes place, which is the essential distinguishing feature for conventional ion implantation, in which only "incorporation" of metal ions into the lattice of the ceramic material occurs (phase boundaries are present) The reactive edge region has an average thickness of about According to the invention, the thickness is at least 500 atomic layers, but may also be less, but only so far less that no weakening of the monolith is carried out .. At least 700 atomic layers are preferred, and more preferably more than 700 atomic layers. An edge region with a thickness greater than 700 atomic layers is difficult to manufacture, especially particularly costly and brings no apparent advantage or further improvements in the application areas of the monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface and in terms of material Vortei achieved le.
Die Dicke der Randzone von der äußeren Metalloberfläche aus dem Metall (II) bis zum Metall (I) im Inneren des Keramikkörpers (Mischoxid-Randbereich auf Basis der Metalle (l)+(ll) inkludiert) beträgt im Schnitt 6-8 Mikrometer. Diese Randzone kann eine Dicke von 0,05 Mikrometer (geringere Dicke wird ausdrücklich nicht ausgeschlossen), bis hin zu mehreren Millimetern (größere Dicke wird ausdrücklich nicht ausgeschlossen) betragen. Bevorzugt werden Dicken zwischen 0,05 und 80 Mikrometer, ganz besonders bevorzugt zwischen 5 und 20 Mikrometer The thickness of the edge zone from the outer metal surface of the metal (II) to the metal (I) in the interior of the ceramic body (mixed oxide edge region based on Metals (L) + (II) included is on average 6-8 microns. This edge zone can be a thickness of 0.05 microns (lower thickness is expressly not excluded), up to several millimeters (greater thickness is expressly not excluded). Preference is given to thicknesses between 0.05 and 80 micrometers, very particularly preferably between 5 and 20 micrometers
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann der Keramikkörper, falls erforderlich, mit einer oder mehreren Beschichtungen aus dem Metall (II) und/oder einer oder mehreren Beschichtungen aus einem biokompatiblen und /oder bioaktiven Material versehen werden, insbesondere mit einer mikroporösen Titanbeschichtung. In other embodiments of the invention, the ceramic body may, if necessary, be provided with one or more coatings of the metal (II) and / or one or more coatings of a biocompatible and / or bioactive material, in particular a microporous titanium coating.
Eine Möglichkeit der „knochenfreundlichen" Oberflächengestaltung ist bisher die Beschichtung mit Calciumphosphat (auch Beta-Tricalciumphosphat, etc.), das als bioaktiv (osseoaktiv) gilt, das heißt es fördert die Entstehung von Knochengewebe und stellt diesem anorganische Bestandteile für das Wachstum zur Verfügung. Breite Anwendung in der Implantologie hat die Hydroxylapatitbeschichtung gefunden. Die chemische Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials, seine Haftfestigkeit an der Trägersubstanz, die Beschichtungsdicke sowie resorptive Vorgänge innerhalb der Beschichtung beeinflussen die Reaktion des Knochengewebes und somit die klinische Anwendbarkeit beschichteter Implantate. One possibility of "bone-friendly" surface design so far is the coating with calcium phosphate (also beta-tricalcium phosphate, etc.), which is considered bioactive (osseoactive), that is, it promotes the formation of bone tissue and provides this inorganic components for growth. Widely used in implantology has found the hydroxylapatite coating.The chemical composition of the coating material, its adhesion to the carrier substance, the coating thickness and resorptive processes within the coating influence the reaction of the bone tissue and thus the clinical applicability of coated implants.
Das biokompatible/bioaktive Material kann ferner unter Antibiotika, Wachstumsfaktoren, Peptiden, Fibronektin und entzündungshemmenden Stoffen ausgewählt werden. Weitere dem Fachmann bekannte biokompatible/bioaktive Materialien können Anwendung finden, und werden ausdrücklich nicht ausgeschlossen. The biocompatible / bioactive material may also be selected from antibiotics, growth factors, peptides, fibronectin and anti-inflammatory agents. Other biocompatible / bioactive materials known to those skilled in the art can be used and are expressly not excluded.
Als Antibiotika können beispielhaft Amikacin, Gentamicin, Kanamycin, Neomycin, Netilmicin, Paromomycin, Streptomycin, Tobramycin, Cephalosporins, Fluoroquinolon-Antibiotika, Azithromycin, Erythromycin, Clarithromycin, Dirithromycin, Roxithromycin, Telithromycin, Penicilline, Ampicillin, Sulfonamide, Tetracycline, Clindamycin, Metronidazol und Vancomycin, etc. genannt werden. Als Wachstumsfaktoren können beispielhaft Transform ing growth factor beta (TGF- ), Granulocyte Colony Stimulating Factor (G-CSF), Granulocyte-Macrophage Colony Stimulating Factor (GM-CSF), Nervenwachstumsfaktor (NGF), Neurotrophins, Platelet Derived Growth Factor (PDGF), Erythropoietin (EPO), Thrombopoietin (TPO), Myostatin (GDF-8), Growth Differentiation Factor-9 (GDF9), Acidic Fibroblast Growth Factor (aFGF oder FGF-1 ), Basic Fibroblast Growth Factor (bFGF oder FGF-2), Epidermal Growth Factor (EGF), Hepatocyte Growth Factor (HGF), insulinähnliche Wachstumsfaktoren (IGFs) und Bone Morphogenetic Proteins (BMPs), etc. genannt werden. As antibiotics may exemplified amikacin, gentamicin, kanamycin, neomycin, netilmicin, paromomycin, streptomycin, tobramycin, cephalosporins, fluoroquinolone antibiotics, azithromycin, erythromycin, clarithromycin, dirithromycin, roxithromycin, telithromycin, penicillins, ampicillin, sulfonamides, tetracyclines, clindamycin, metronidazole and Vancomycin, etc. are called. Examples of growth factors include transforming growth factor beta (TGF), granulocyte colony stimulating factor (G-CSF), granulocyte-macrophage colony stimulating factor (GM-CSF), nerve growth factor (NGF), neurotrophins, platelet-derived growth factor (PDGF). , Erythropoietin (EPO), Thrombopoietin (TPO), Myostatin (GDF-8), Growth Differentiation Factor-9 (GDF9), Acidic Fibroblast Growth Factor (aFGF or FGF-1), Basic Fibroblast Growth Factor (bFGF or FGF-2) , Epidermal Growth Factor (EGF), Hepatocyte Growth Factor (HGF), Insulin-like Growth Factors (IGFs), and Bone Morphogenetic Proteins (BMPs).
Als entzündungshemmende Stoffe können beispielhaft Glucocorticoide, Corticosteroide und nicht Steroide entzündungshemmende Medikamente (z.B. Ibuprofen, Aspirin und Naproxen, etc.) genannt werden. As anti-inflammatory agents, glucocorticoids, corticosteroids and non-steroidal anti-inflammatory drugs (e.g., ibuprofen, aspirin and naproxen, etc.) may be exemplified.
Ein Peptid kann beispielsweise ein bioaktives Peptid wie die RGD-Sequenz sein. For example, a peptide may be a bioactive peptide such as the RGD sequence.
In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das biokompatible Material eine bioaktive Oberflächenbeschichtung aus osteochondralen/ossären Stammzellen oder chondralen Stammzellen oder einem Gemisch davon. Die Stammzellen verbessern die Osseointegration des damit beschichteten monolithischen Keramikkörpers mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Oberfläche des monolithischen Keramikkörpers mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche vor der Beschichtung mit einem biokompatiblen Material chemisch, mechanisch oder physikalisch zu deren Vergrößerung behandelt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in einfacher Weise monolithische Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Keramikkörpers mit einem Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche umfasst folgende Schritte, die in einer thermochemischen Reaktionskammer an einem unfertigen Keramikkörper mit einem Randbereich durchgeführt werden: In a particular embodiment of the invention, the biocompatible material comprises a bioactive surface coating of osteochondral / osseous stem cells or chondral stem cells or a mixture thereof. The stem cells improve the osseointegration of the thus coated monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface. It has proven to be particularly advantageous if the surface of the monolithic ceramic body with mixed oxide edge area and metallic surface is treated chemically, mechanically or physically to increase it before coating with a biocompatible material. With the method according to the invention, monolithic ceramic bodies with mixed oxide edge area and metallic surface can be produced in a simple manner. The method according to the invention for producing a monolithic ceramic body with a mixed oxide edge area and metallic surface comprises the following steps, which are carried out in a thermochemical reaction chamber on an unfinished ceramic body with an edge area:
(a) Evakuierung der Reaktionskammer auf einen Unterdruck, der 10"3 mbar oder weniger beträgt, (a) evacuating the reaction chamber to a vacuum that is 10 -3 mbar or less,
(b) Aktivierung des Randbereichs des unfertigen Keramikkörpers  (B) activation of the edge region of the unfinished ceramic body
(c) Starten der thermochemischen Behandlung des Randbereichs des unfertigen Keramikkörpers.  (C) starting the thermochemical treatment of the edge region of the unfinished ceramic body.
In Schritt (a) ist ein Hochvakuum zwischen 10"3 mbar und 10"7 mbar bevorzugt. Besonders bevorzugt ist ein Vakuum, das dem im Weltraum vorzufindenden Vakuum möglichst nahe kommt. In step (a) a high vacuum between 10 "3 mbar and 10 " 7 mbar is preferred. Particularly preferred is a vacuum that comes as close as possible to the vacuum to be found in space.
Die Evakuierung erfolgt am besten Stunden vor dem Prozessstart, um die Reaktionskammer sowohl von störenden Komponenten und Verunreinigungen zu befreien, als auch um überhaupt die beabsichtigte thermochemische Reaktion an einem Festkörper zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil des Hochvakuums liegt darin, dass die freie Weglänge der Metallionen (II) relativ hoch ist, bis es zu Stößen mit anderen Teilchen, wie Verunreinigungen oder Inertgasatomen bzw. -ionen, kommt, wodurch die Metallionen (II) Energie verlieren können. Bedingt durch das Hochvakuum erfolgt kein Energieverlust der Titanionen durch Reibung in ihrer Bewegung zur Keramik. The evacuation is best done hours before the start of the process in order to free the reaction chamber from interfering components and impurities as well as to allow the intended thermochemical reaction on a solid at all. Another advantage of the high vacuum is that the free path of the metal ions (II) is relatively high until collisions with other particles, such as impurities or inert gas atoms or ions, occur, whereby the metal ions (II) can lose energy. Due to the high vacuum no loss of energy of titanium ions occurs by friction in their movement to the ceramic.
Erfindungswesentlich ist, dass die Reaktionskammer im Wesentlichen frei von Verbindungen, insbesondere Sauerstoff ist, mit denen die weiteren Metallionen (II) reagieren können. Als Verbindungen im Sinne der Erfindung werden chemische Verbindungen und Atome/Ionen verstanden. Essential to the invention is that the reaction chamber is substantially free of compounds, in particular oxygen, with which the other metal ions (II) can react. As compounds in the context of the invention, chemical compounds and atoms / ions are understood.
Befinden sich derartige Verbindungen in der Reaktionskammer, können die hochenergetischen Metallionen (II) mit diesen Verbindungen, insbesondere Sauerstoff, reagieren, was zur Bildung unerwünschter Verbindungen, wie Titanoxid, führt, und stehen nicht mehr zur Ausbildung des Mischoxid-Randbereichs zur Verfügung. Die gebildeten Verbindungen können, wenn deren Energie noch ausreichend ist, ferner in den Randbereich des Keramikkörpers implantiert werden, was zu den mit der herkömmlichen Ionenimplantation einhergehenden Nachteilen, wie die Störung des Keramikgitters, führen kann. Ferner können sich die unerwünschten Verbindungen als Oberflächenbeschichtung auf dem Keramikkörper absetzen und so eine störende Schicht aufbauen, die wiederum die Ausbildung des Mischoxid-Randbereichs zu verhindern vermag. If such compounds are in the reaction chamber, the high-energy metal ions (II) with these compounds, in particular Oxygen, which leads to the formation of undesirable compounds such as titanium oxide, and are no longer available for the formation of the mixed oxide edge region. The compounds formed, if their energy is still sufficient, can be further implanted in the edge region of the ceramic body, which can lead to the disadvantages associated with conventional ion implantation, such as the disturbance of the ceramic lattice. Furthermore, the unwanted compounds can settle as a surface coating on the ceramic body and thus build up a disturbing layer, which in turn is able to prevent the formation of the mixed oxide edge region.
Es muss daher sichergestellt werden, dass die Metallionen (II) ungehindert, d.h. ohne auf dem Weg zwischen Target und Keramikkörper zu reagieren, auf den Keramikkörper auftreffen, um mit diesem thermochemisch und gleichmäßig reagieren zu können. It must therefore be ensured that the metal ions (II) are unhindered, i. without reacting on the way between target and ceramic body, impinge on the ceramic body in order to be able to react with it thermochemically and uniformly.
In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Randbereich des unfertigen Keramikkörpers aktiviert. Genauer gesagt werden die Atome in dem Randbereich des noch nicht erfindungsgemäß veränderten Keramikkörpers in einen energetisch angeregten Zustand versetzt. Dies ist erforderlich, um die Bildung des erfindungsgemäßen Mischoxid-Randbereichs zu ermöglichen. In step (b) of the method according to the invention, the edge region of the unfinished ceramic body is activated. More specifically, the atoms in the edge region of the ceramic body not yet changed according to the invention are put into an energetically excited state. This is necessary to allow the formation of the mixed oxide edge area according to the invention.
Für die Randbereichaktivierung können erfindungsgemäß die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren angewendet werden, wie Beflammen mit einem Brenner, Plasmabehandlung, Coronabehandlung. Bevorzugt erfolgt die Randbereichaktivierung durch ein Plasmaverfahren. For edge area activation, the methods known from the prior art can be used according to the invention, such as flame-treatment with a burner, plasma treatment, corona treatment. Preferably, the edge region activation is performed by a plasma process.
Die Randbereichaktivierung mittels Plasma hat den Vorteil, dass die Oberfläche des Keramiksubstrats unter anderem zunächst gereinigt, d.h. von Verunreinigungen befreit wird. Bevorzugt ist eine Plasmabehandlung, bei der neben der Aktivierung des Randbereichs des Keramikkörpers zusätzlich der Randbereich im Sinne einer plasmachemischen Aktivierung angeätzt und aktiviert wird, um eine Vergrößerung der Reaktionsfläche und eine erhöhte Reaktionsbereitschaft für die erwünschte therm ochemische Reaktion zwischen Metall (I) und Metall (II) zu schaffen. Die Reaktivität des Metalls (I) wird dadurch gesteigert. The edge area activation by means of plasma has the advantage that the surface of the ceramic substrate is first of all cleaned, ie freed from impurities. Preference is given to a plasma treatment in which, in addition to the activation of the edge region of the ceramic body, the edge region is additionally etched and activated in the sense of plasma-chemical activation in order to increase the reaction surface and increase the readiness for reacting thermochemical reaction between metal (I) and metal (II) to create. The reactivity of the metal (I) is thereby increased.
Bevorzugt erfolgt die Randbereichaktivierung mit einem durch eine elektrische Gasentladung im Hochvakuum erzeugten Plasma, wobei die Energie und die Einwirkdauer des Plasmas auf die Oberfläche des Keramikkörpers so gewählt ist, dass die Atome des Randbereiches derart aktiviert werden, dass in dem Randbereich des Keramikkörpers eine chemische Reaktion überhaupt möglich wird und stattfinden kann. The edge area activation preferably takes place with a plasma generated by an electrical gas discharge in a high vacuum, the energy and the duration of the plasma being selected on the surface of the ceramic body such that the atoms of the edge area are activated such that a chemical reaction takes place in the edge area of the ceramic body is possible at all and can take place.
Bevorzugt werden vor der Aktivierung des Randbereichs des Keramikkörpers die freigesetzten Verunreinigungen ausgegast. Das Ausgasen erfolgt vorzugsweise für mehrere Stunden, kann aber auch wesentlich kürzer oder länger erfolgen, bei einer Temperatur von 25°C bis 400°C, vorzugsweise unterhalb von 350°C, wobei andere Temperaturen nicht ausgeschlossen werden, und einem Druck von vorzugsweise 10"7 bis 10"3 mbar, wobei die Ausgasungen mittels Vakuumpumpen kontinuierlich aus der Reaktionskammer abgepumpt werden. Preferably, before the activation of the edge region of the ceramic body, the released impurities are outgassed. The outgassing is preferably for several hours, but may also be much shorter or longer, at a temperature of 25 ° C to 400 ° C, preferably below 350 ° C, other temperatures are not excluded, and a pressure of preferably 10 " 7 to 10 "3 mbar, wherein the gas emissions are pumped out of the reaction chamber by means of vacuum pumps continuously.
Der Randbereich des Werkstoffs oder Bauteils wird dann zur Aktivierung durch Ionen und/oder Elektronen, die durch eine elektrische Gasentladung im Hochvakuum erzeugt werden, beschossen. Der Druck in der Reaktionskammer liegt im Bereich zwischen 10"5 und 10"3 mbar, bevorzugt 10"7 und 10"3 mbar, besonders bevorzugt im Bereich des Weltraumvakuums. Bei diesen Drücken ist die mit der mittleren freien Weglänge korrelierte Energie der Plasmateilchen ausreichend groß, um die im Randbereich des Keramikkörpers befindlichen Atome energetisch derart anzuregen, dass im Randbereich des Keramikkörpers chemische Reaktionen möglich werden, die bei anderen Bedingungen nicht möglich sind. The edge region of the material or component is then bombarded for activation by ions and / or electrons which are generated by an electric gas discharge in a high vacuum. The pressure in the reaction chamber is in the range between 10 -5 and 10 -3 mbar, preferably 10 -7 and 10 -3 mbar, particularly preferably in the range of the space vacuum. At these pressures, the energy correlated with the mean free path length of the plasma particles is sufficiently large to energetically excite the atoms located in the edge region of the ceramic body in such a way that chemical reactions are possible in the edge region of the ceramic body which are not possible under other conditions.
Die Plasmaaktivierung wird nach den dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt. Als Gase für die Gasentladung werden Edelgase verwendet. Das Edelgas wird unter Argon, Neon, Krypton und Xenon ausgewählt, wobei Argon bevorzugt ist. Andere geeignete Edelgase sind nicht ausgeschlossen. Es muss daher sichergestellt werden, dass die Metallionen (II) ungehindert, d.h. ohne auf dem Weg zwischen Target und Keramikkörper zu reagieren, auf den Keramikkörper auftreffen, um mit diesem thermochemisch und gleichmäßig reagieren zu können. Alternativ zum Anlegen eines Hochvakuums an die Reaktionskammer, sind Verfahren und/oder Vorrichtungen denkbar, mit denen die störenden Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff aus der Reaktionskammeratmosphäre entfernt werden können, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erreichen. In Schritt (c) wird der Randbereich des unfertigen Keramikkörpers einer thermochemischen Behandlung unterworfen. Hierbei wird die chemische Zusammensetzung des Randbereichs des Keramikkörpers geändert. The plasma activation is carried out by the methods known to the person skilled in the art. As gases for the gas discharge noble gases are used. The noble gas is selected from argon, neon, krypton and xenon, with argon being preferred. Other suitable noble gases are not excluded. It must therefore be ensured that the metal ions (II) unhindered, ie, without reacting on the way between the target and ceramic body, impinge on the ceramic body in order to react thermochemically and evenly. Alternatively to applying a high vacuum to the reaction chamber, methods and / or devices are conceivable with which the interfering impurities, in particular oxygen can be removed from the reaction chamber atmosphere in order to achieve the effect according to the invention. In step (c), the edge region of the unfinished ceramic body is subjected to a thermochemical treatment. In this case, the chemical composition of the edge region of the ceramic body is changed.
Thermochemische Behandlung im Sinne dieser Erfindung ist eine Wärmebehandlung, die einem Werkstoff (Metall (I)) mit dem Ziel zugeführt wird, die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes durch Stoffaustausch mit dem zugeführten Medium (Metall (II)) zu verändern. Im Allgemeinen werden bei der thermochemischen Behandlung metallische bzw. nichtmetallische Elemente in die Oberfläche eines Werkstoffs eindiffundiert. Im Zuge der thermochemischen Behandlung kann entweder ein Diffusionsbereich oder ein Verbindungsbereich mit darunter befindlichem Diffusionsbereich entstehen. Innerhalb eines Diffusionsbereichs fällt der Gehalt des eindiffundierten Elements (Metall II) kontinuierlich, gleichmäßig, allmählich zum Kern hin ab und der Gehalt des reagierenden Elements (Metall I) kontinuierlich, gleichmäßig, allmählich zur Oberfläche hin ab; dagegen ist der Konzentrationsabfall bei einem Verbindungsbereich in der Regel sehr steil. Erfindungsgemäß erfolgt der Start der therm ochemischen Reaktion des Keramikkörpers unter Zuhilfenahme der Ionenimplantation. Dies bedeutet, dass in einer ersten Stufe Metall (ll)-lonen in den Randbereich des unfertigen Keramikkörpers (Metall (I)) implantiert werden, von wo aus diese weiter in das Innere des Keramikkörpers diffundieren und reagieren können. Somit kommt es zur Ausbildung eines Verbindungsbereichs, nämlich im Bereich der Ionenimplantation, und eines darunter liegenden Diffusionsbereichs. Durch die hohe Energie der Metall (ll)-lonen und der in Schritt (b) erfolgten Randbereichaktivierung reagieren in der zweiten Stufe die Metall (ll)-lonen mit den Sauerstoffatomen des Keramikmaterials (Metall (I)) unter Bildung eines Mischoxides (Metall (l)+(ll)). Diese thermochemische Reaktion findet nur statt, wenn die Reaktionskammer zuvor im Sinne des Schritts (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens evakuiert wurde. Bevorzugt erfolgt die Ionenimplantation im Plasma. Besonders bevorzugt ist die Ionenimplantation eine Plasmaimmersions-Ionenimplantation (PIN). Thermochemical treatment in the sense of this invention is a heat treatment which is applied to a material (metal (I)) with the aim of altering the chemical composition of the material by mass transfer with the supplied medium (metal (II)). In general, in the thermochemical treatment, metallic or non-metallic elements are diffused into the surface of a material. In the course of the thermochemical treatment, either a diffusion region or a connection region with underlying diffusion region can arise. Within a diffusion region, the content of the diffused element (metal II) continuously, uniformly decreases gradually towards the core and the content of the reacting element (metal I) continuously, uniformly, gradually towards the surface; By contrast, the concentration drop in a connection area is usually very steep. According to the invention, the start of the thermo-chemical reaction of the ceramic body takes place with the aid of ion implantation. This means that in a first stage, metal (II) ions are implanted in the edge region of the unfinished ceramic body (metal (I)), from where they can further diffuse into the interior of the ceramic body and react. This results in the formation of a connection region, namely in the region of ion implantation, and an underlying diffusion region. Due to the high energy of the metal (II) ions and the edge area activation carried out in step (b), in the second stage the metal (II) ions react with the oxygen atoms of the ceramic material (metal (I)) to form a mixed oxide (metal (II) l) + (II)). This thermochemical reaction takes place only if the reaction chamber has previously been evacuated in the sense of step (a) of the method according to the invention. Preferably, the ion implantation takes place in the plasma. Most preferably, ion implantation is a plasma immersion ion implantation (PIN).
Die in dieser besonderen Art und Weise kombinierten Schritte ermöglichen überhaupt erst die thermochemische Reaktion von Reintitan und Oxidkeramik als Festkörper, damit ein monolithischer Keramikkörper mit einem Mischoxid- Randbereich und metallischer Oberfläche geschaffen werden kann. The steps combined in this special way allow in the first place the thermochemical reaction of pure titanium and oxide ceramic as a solid, so that a monolithic ceramic body with a mixed oxide edge area and metallic surface can be created.
Bei lonenimplantationsverfahren werden Ionen, die aus einem Target erzeugt werden, in einem gerichteten elektrischen Feld beschleunigt und treffen dann auf einen Festkörper. Die Ionen dringen in den Körper ein und bilden dabei eine oberflächliche Durchdringungsschicht. Die Ionenimplantation kann durch die Parameter lonenenergie und lonendosis beeinflusst werden. Die lonenenergie bestimmt die Eindringtiefe, die lonendosis die Anzahl der implantierten Ionen. Mit Hilfe der Plasma-Immersions-Ionenimplantation (Pill) können die Vorteile der konventionellen Ionenimplantation auf großflächige, komplex geformte Geometrien übertragen werden. Das zu behandelnde Werkstück wird dazu - erfindungsgemäß in einer Hochvakuumkammer - von einem durch eine geeignete Plasmaquelle generierten Plasma umhüllt; durch Anlegen von negativen Hochspannungspulsen mit sehr kurzen Pulsanstiegszeiten (< 1 Mikrosekunde) werden die beweglicheren Elektronen des Plasmas daraufhin zurückgestoßen und die zurückbleibenden positiven Ionen auf das Werkstück beschleunigt (implantiert). Die Beschleunigungsspannungen liegen dabei unterhalb der der herkömmlichen Ionenimplantation (Größenordnung: 30 kV). Da hierbei die gesamte Fläche gleichzeitig implantiert wird, ist dieses Verfahren gerade bei den in der Medizin anzutreffenden verschiedenen komplexen geometrischen Formen außerordentlich produktiv. In ion implantation processes, ions generated from a target are accelerated in a directional electric field and then strike a solid. The ions penetrate the body forming a superficial penetration layer. The ion implantation can be influenced by the parameters ion energy and ion dose. The ion energy determines the penetration depth, the ion dose the number of implanted ions. With the help of plasma immersion ion implantation (PILL), the advantages of conventional ion implantation can be transferred to large-area, complex-shaped geometries. The workpiece to be treated is - according to the invention in a high-vacuum chamber - surrounded by a plasma generated by a suitable plasma source; by applying negative high-voltage pulses with very short pulse rise times (<1 microsecond) become the more mobile Electron of the plasma then pushed back and accelerated the remaining positive ions on the workpiece (implanted). The acceleration voltages are below that of conventional ion implantation (order of magnitude: 30 kV). Since the entire surface is implanted at the same time, this method is extraordinarily productive, especially in the various complex geometrical forms found in medicine.
Als Target-Materialien können entsprechend den erwünschten Eigenschaften des erfindungsgemäßen monolithischen Keramikkörpers mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche alle dafür geeigneten Metalle und Legierungen verwendet werden. Diese werden hochenergetisch mit Magnetron, Laser, oder jedem anderen geeigneten Verfahren verdampft, um eine hohe „Dampfkonzentration" in der Hochvakuumkammer zu erzielen. Geeignete Target-Materialien umfassen Metalle mit einer hohen Sauerstoffaffinität. Vorzugsweise umfassen die Target-Materialien Ti, Nb, Ta, Legierungen davon/oder Verbindungen. Bevorzugte Materialien sind Titan, eine Titanverbindung oder eine Titanlegierung, wobei die Titanverbindung eine Verbindung aus Titan mit Elementen der 14. (z.B. C, Si, Ge, Sn, Pb), 15. (z.B. N, P, As, Sb, Bi) oder 16. (z.B. O, S, Se, Te, Po) Gruppe des Periodensystems oder ein Gemisch davon ist. Besonders bevorzugt sind elementares Titan und dessen Legierungen/Verbindungen, wobei elementares Titan ganz besonders bevorzugt ist. As target materials, it is possible to use all suitable metals and alloys in accordance with the desired properties of the monolithic ceramic body according to the invention with mixed oxide edge area and metallic surface. These are vaporized at high energy levels by magnetron, laser, or any other suitable technique to achieve high "vapor concentration" in the high vacuum chamber Suitable target materials include metals having high oxygen affinity Preferably, the target materials include Ti, Nb, Ta. Alloys thereof / or compounds Preferred materials are titanium, a titanium compound or a titanium alloy, the titanium compound being a compound of titanium with elements of the 14th (eg C, Si, Ge, Sn, Pb), 15. (eg N, P, As, Sb, Bi) or 16. (eg, O, S, Se, Te, Po) group of the Periodic Table or a mixture thereof Especially preferred are elemental titanium and its alloys / compounds, with elemental titanium being most preferred.
Erfindungsgemäß wird für das Ablaufen der thermochemischen Reaktion in dem Randbereich die Ionenimplantation oder die Plasmaimmersions-Ionenimplantation mit einer lonendosis von 1015 bis 1016 Ionen/cm2 und einer lonenenergie von 1 keV bis 2,3 MeV, vorzugsweise 1 MeV bis 2,3 MeV, durchgeführt, unabdingbar in Kombination mit Hochvakuum. Die Temperatur beträgt zwischen Zimmertemperatur und 400 C, besonders bevorzugt 350 C und darunter. Der Druck beträgt etwa 10"3 bis etwa 10"7 mbar, besonders bevorzugt unter Weltraumatmosphäre. According to the invention, for the course of the thermochemical reaction in the peripheral region, the ion implantation or the plasma immersion ion implantation with an ion dose of 10 15 to 10 16 ions / cm 2 and an ion energy of 1 keV to 2.3 MeV, preferably 1 MeV to 2.3 MeV, performed, indispensable in combination with high vacuum. The temperature is between room temperature and 400 C, more preferably 350 C and below. The pressure is about 10 "3 to about 10 " 7 mbar, more preferably under a space atmosphere.
Das Plasma kann kontinuierlich (cw-Plasma) oder gepulst erzeugt werden. Durch die Plasmaparameter, wie der Plasmapuls oder die Energie des Plasmapulses, können die Eigenschaften der Randzone, d.h. des resultierenden Mischoxid-Randbereichs und der resultierenden metallischen Oberfläche, eingestellt werden. Erfindungsgemäß kann entweder ein cw-Plasma oder ein gepulstes Plasma eingesetzt werden. Auch eine Kombination der beiden Plasmaerzeugungsarten ist möglich. Bevorzugt wird in Schritt (c) ein cw-Plasma eingesetzt, welches gegen Ende des Reaktionsprozesses in gepulst wechseln kann. The plasma can be generated continuously (cw plasma) or pulsed. By the plasma parameters, like the plasma pulse or the energy of the plasma pulse, can the properties of the edge zone, ie the resulting mixed oxide edge area and the resulting metallic surface, are adjusted. According to the invention, either a cw plasma or a pulsed plasma can be used. A combination of the two plasma generation types is also possible. Preferably, in step (c) a cw plasma is used, which can change into pulsed towards the end of the reaction process.
Die Erfinder haben überraschend festgestellt, dass die mit der herkömmlichen Ionenimplantation einhergehenden Phänomene der lon-Werkstoff-Wechselwirkung, wie Strahlenschädigung, Defektwechselwirkungen, Amorphisierung, Kristallisation, Ausscheidungsbildung, welche eine thermische Nachbehandlung (Tempern) erforderlich machen, nicht auftreten. Das Ziel der bisher für die Herstellung von Dentalimplantaten auf der Basis eines Titangrundkörpers und einer Keramikbeschichtung verwendeten lonenimplantations-Verfahren war die Reduktion der Sauerstoffaffinität des Titans während der Keramikbeschichtung (L. Wehnert, A. Moormann und W. Freesmeyer, Simulationsrechnungen zur Thermodynamik des konventionellen Titan-Keramik-Verbundes und zum Einfluss des verbundverbessernden lonenimplantationsverfahrens, Quintessenz Zahntech 1998, Band 24, Seite 1027-1037). Bei der vorliegenden Erfindung jedoch wird die hohe Sauerstoffaffinität des Metalls (II) ausgenutzt. Die Erfinder gehen davon aus, dass die implantierten Metallionen (II) aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität mit dem Sauerstoff der Keramik unter Bildung eines komplexen atomaren Verbundes reagieren. Der Randbereich des unfertigen Keramikkörpers wird hierdurch chemisch in eine Randzone verändert, d.h. ein Mischoxid aus Metall (I) und (II) wird gebildet, und es entsteht auf dem Mischoxid-Randbereich eine metallische Oberfläche aus dem Metall (II), wodurch die erwähnten Probleme der herkömmlichen Ionenimplantation vermieden und ein anschließendes Tempern nicht mehr notwendig wird. Eine Schädigung der Keramik durch die Prozesse wird komplett vermieden, insbesondere auch durch die Wahl der relativ niedrigen Temperatur, und es entsteht eine monolithische Keramik mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche und nicht eine beschichtete Keramik. Das Fehlen von Phasen sowie Phasengrenzen verdeutlicht den Unterscheid zur Beschichtung, und konsekutiv ist der erschaffene Keramikkörper ein Monolith und keine beschichtete Keramik. Die bisher ungelöste Schichthaftungsproblematik wird dadurch gelöst. The inventors have surprisingly found that the ion-material interaction phenomena associated with conventional ion implantation, such as radiation damage, defect interactions, amorphization, crystallization, precipitation formation, which require thermal post-treatment (annealing), do not occur. The goal of the ion implantation process hitherto used for the production of dental implants based on a titanium basic body and a ceramic coating was the reduction of the oxygen affinity of titanium during the ceramic coating (L. Wehnert, A. Moormann and W. Freesmeyer, simulations of the thermodynamics of conventional titanium -Ceramic composite and the influence of the composite improving ion implantation method, quintessence Zahntech 1998, Volume 24, pages 1027-1037). In the present invention, however, the high oxygen affinity of the metal (II) is exploited. The inventors assume that the implanted metal ions (II) react due to the high oxygen affinity with the oxygen of the ceramic to form a complex atomic composite. The edge region of the unfinished ceramic body is thereby chemically changed into a boundary zone, ie, a mixed oxide of metal (I) and (II) is formed, and it creates a metallic surface of the metal (II) on the mixed oxide edge region, causing the mentioned problems conventional ion implantation avoided and subsequent annealing is no longer necessary. Damage to the ceramic by the processes is completely avoided, in particular by the choice of relatively low temperature, and it creates a monolithic ceramic with mixed oxide edge region and metallic surface and not a coated ceramic. The absence of phases as well as phase boundaries clarifies the distinction to the coating, and consecutive is the created Ceramic body a monolith and no coated ceramics. The hitherto unsolved layer adhesion problem is thereby solved.
Die thermochemische Behandlung im Sinne des Schrittes (c) bewirkt, dass unter Hochvakuum hochenergetische Metall (ll)-lonen (z.B. Titanionen) in den Randbereich des unfertigen Keramikkörpers eindringen und dort mit dem Sauerstoff des Metall (I)-Oxids (z.B. Zirkonoxid) ein komplexes Metall (I)-Metall (Il)-Oxid (z.B. Titan-Zirkon-Oxid) sowie zusätzlich eine metallische Oberfläche aus dem Metall (II) bilden. Sie rufen somit eine chemische Reaktion hervor und wandeln den unfertigen Keramikkörper in seinem Randbereich derart in eine Randzone um, dass sich in letzterer das Metall (I) (z.B. Zirkon) und Sauerstoff auf atomarer Ebene mit den Metall (Il)-Atomen (z.B. Titanatomen, Titanionen) verbinden und außerdem eine metallische Oberfläche aus dem Metall (II) ausbildet. Dementsprechend bildet das komplexe Metall (I)-Metall (Il)-Oxid mit seiner metallischen Oberfläche keine Beschichtung, sondern stellt eine chemische Umwandlung des Randbereiches des unfertigen Keramikkörpers dar. Der Kern des Keramikkörpers und seine Randzone bilden daher eine monolithische Struktur, die in der metallischen Metall (II)- Oberfläche endet. Die Konzentration des ersten Metalls (I) und des weiteren Metalls (II) in dem Randbereich des erfindungsgemäßen Keramikkörpers beträgt idealerweise in der Mitte des Mischoxid-Randbereiches von (I) und (II) 50/50 %. The thermochemical treatment in the sense of step (c) causes high-energy metal (II) ions (eg titanium ions) to penetrate into the edge region of the unfinished ceramic body and there with the oxygen of the metal (I) oxide (eg zirconium oxide) complex metal (I) metal (II) oxide (eg titanium zirconium oxide) and additionally form a metallic surface of the metal (II). They thus cause a chemical reaction and convert the unfinished ceramic body in its edge region in such a peripheral area that in the latter the metal (I) (eg zirconium) and oxygen at the atomic level with the metal (II) atoms (eg titanium atoms , Titanium ions) and also forms a metallic surface of the metal (II). Accordingly, the complex metal (I) metal (II) oxide does not form a coating with its metallic surface, but instead represents a chemical transformation of the edge region of the unfinished ceramic body. The core of the ceramic body and its edge zone therefore form a monolithic structure which is in the Metallic metal (II) surface finish. The concentration of the first metal (I) and the further metal (II) in the edge region of the ceramic body according to the invention is ideally in the middle of the mixed oxide edge region of (I) and (II) 50/50%.
Vereinfacht formuliert kann man sagen, dass die thermochemische Reaktion den unfertigen Keramikkörper in einen neuen monolithischen Körper ohne Phasengrenzen umwandelt (Keramik im Kern, Mischoxid dazwischen, und Titan außen). Die Dicke ist je nach Bedarf und Anwendungsfall Steuer- und regelbar. Put simply, the thermochemical reaction converts the unfinished ceramic body into a new monolithic body with no phase boundaries (ceramic in the core, mixed oxide in between, and titanium on the outside). The thickness can be controlled and regulated according to need and application.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der Keramikkörper mit dem Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche ferner mit einem oder mehreren Metallen, insbesondere dem weiteren Metall (II), beschichtet werden. Die Beschichtung mit einem oder mehreren Metallen erfolgt hierbei nach dem Fachmann bekannten und im Stand der Technik üblichen Verfahren zur Beschichtung von Metallen oder Keramiken. In einer weiteren Ausführungsform kann die Beschichtung aus einem oder mehreren Metallen thermochemisch nitriert, boriert carburiert, nitrocarburiert, etc werden. Selbstverständlich kann auch die metallische Oberfläche des Monolithen aus dem Metall (II) gleich ohne weitere Beschichtung nitriert, boriert, carburiert, nitrocarburiert, etc. werden, falls benötigt (Gelenkflächen). Dies führt zur Härtung der metallischen Oberfläche des Keramikkörpers und erfolgt beispielsweise durch plasmagestützte thermochemische Nitrierung, Borierung, Carburierung, Nitrocarburierung, etc. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Oberfläche des Keramikkörpers mit einem Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche mit einem oben beschriebenen biokompatiblen/bioaktiven Material beschichtet werden. Die Beschichtung mit dem biokompatiblen/bioaktiven Material erfolgt hierbei ebenfalls nach dem Fachmann bekannten und im Stand der Technik üblichen Verfahren zur Beschichtung von Keramiken oder Metallen. In one embodiment according to the invention, the ceramic body with the mixed oxide edge area and metallic surface can furthermore be coated with one or more metals, in particular the further metal (II). The coating with one or more metals is carried out according to the known in the art and conventional in the prior art method for coating metals or ceramics. In another embodiment, the coating of one or more metals can be thermochemically nitrided, borated, carburized, nitrocarburized, etc. Of course, the metallic surface of the monolith of the metal (II) can be nitrided without further coating, borated, carburized, nitrocarburized, etc., if necessary (articular surfaces). This leads to the hardening of the metallic surface of the ceramic body and takes place, for example, by plasma-assisted thermochemical nitriding, boriding, carburizing, nitrocarburizing, etc. In a further embodiment of the invention, the surface of the ceramic body with a mixed oxide edge region and metallic surface with a biocompatible / bioactive as described above Material to be coated. The coating with the biocompatible / bioactive material is likewise carried out by methods known to the person skilled in the art and customary in the prior art for coating ceramics or metals.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des Keramikkörpers mit einem Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche als medizinisches Implantat, insbesondere als Zahnimplantat. Implantate können, je nach Anwendung, vollständig oder nur teilweise mit einem Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche versehen werden. „Teilweise" ist dahingehend zu verstehen, dass die Implantatbereiche, welche Knochenkontakt haben, soweit einen Mischoxid- Randbereich und eine metallische Oberfläche aufweisen, dass eine gesicherte Osseointegration gewährleistet ist. The present invention also relates to the use of the ceramic body with a mixed oxide edge region and metallic surface as a medical implant, in particular as a dental implant. Depending on the application, implants may be completely or partially provided with a mixed oxide edge area and a metallic surface. "Partial" is to be understood to mean that the implant areas, which have bone contact, as far as a Mischoxid- edge area and a metallic surface, that a secure osseointegration is guaranteed.
"Medizinisch" im Sinne der Erfindung betrifft die Bereiche der Humanmedizin, einschließlich der Zahnmedizin, der Tiermedizin, einschließlich des dentalen Bereichs. Ein medizinisches Implantat im Sinne der Erfindung ist eine medizinische Vorrichtung, die dem Ersatz biologischer Strukturen im menschlichen oder tierischen Körper dient, oder in den Körper für andere Zwecke eingesetzt wird. Daher umfassen die medizinischen Implantate im Sinne der Erfindung Implantate und Zahnimplantate für den Menschen und für Tiere. Als medizinische Implantate sind Zahnimplantate, Hüftimplantate, Epithesen, künstliche Gelenke und Prothesen bevorzugt. "Medical" within the meaning of the invention relates to the fields of human medicine, including dentistry, veterinary medicine, including the dental field. A medical implant in the sense of the invention is a medical device which serves to replace biological structures in the human or animal body or is inserted into the body for other purposes. Therefore, the medical implants according to the invention include implants and dental implants for humans and for animals. Dental implants, hip implants, epitheses, artificial joints and prostheses are preferred as medical implants.
Eine Prothese ist eine künstliche Gliedmaße, die ein fehlendes Körperteil ersetzt (z.B. aufgrund Krankheit, Unfall oder Amputation), wohingegen eine Epithese primär kosmetische Funktion hat (z.B. als künstliches Auge oder Ohr). Medizinische Implantate und insbesondere Prothesen können verwendet werden um biologische Strukturen, wie Knochen, Gelenke oder Knochenteile, in nahezu allen Bereichen des Körpers, z.B. Schädel, Zähne, Ober- und Unterarm, Ellenbogen, Ober- und Unterschenkel, Hüfte, Zehen, Finger, Knie, Wirbelsäule, etc. zu ersetzen. Aber auch Hörhilfen, künstliche Gliedmaßen, Ersatzgelenke, und Haarprothesen (Perücken) sowie Implantate zur deren Befestigung fallen unter medizinische Implantate im Sinne der Erfindung. In speziellen Ausführungsformen können Hörhilfen in andere Implantate integriert werden. Dies gilt auch für in den Körper implantierte„Heilmittel" oder deren Behältnisse (z.B Herzschrittmacher, Insulinpumpen, etc.). A prosthesis is an artificial limb which replaces a missing part of the body (e.g., due to illness, accident or amputation), whereas an epithesis primarily has cosmetic function (e.g., as an artificial eye or ear). Medical implants, and in particular prostheses, can be used to manipulate biological structures, such as bones, joints or bone parts, in almost all areas of the body, e.g. Skull, teeth, upper and lower arm, elbows, upper and lower legs, hips, toes, fingers, knees, spine, etc. to replace. But also hearing aids, artificial limbs, replacement joints, and hair prostheses (wigs) and implants for their attachment fall under medical implants according to the invention. In specific embodiments, hearing aids can be integrated into other implants. This also applies to "remedies" implanted in the body or their containers (for example cardiac pacemakers, insulin pumps, etc.).
Implantate und Zahnimplantate sind in einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ein oder mehrteilige Implantate. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist nur der Bereich des Keramikkörpers, der mit dem Knochen in Kontakt kommt, einen Mischoxid- Randbereich mit metallischer Oberfläche (vollständig oder partiell) auf. In einer anderen Ausführungsform weist zusätzlich der Bereich einen Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche auf, der mit dem zweiten Teil eines zweiteiligen Implantats in Berührung kommt. Implants and dental implants are in some embodiments of the invention one or more part implants. In a preferred embodiment of the invention, only the region of the ceramic body that comes into contact with the bone has a mixed oxide edge region with a metallic surface (completely or partially). In another embodiment, in addition, the region has a mixed oxide edge region with a metallic surface, which comes into contact with the second part of a two-part implant.
Ein Zahnimplantat ist insbesondere ein ein-, zwei- oder mehrteiliges Implantat und kann ein Schraubengewinde umfassen. Bevorzugt umfasst das Zahnimplantat einen Verankerungsteil, um das Implantat in dem Knochen zu verankern, und einen Befestigungsteil zur Aufnahme der Suprakonstruktion, wobei nur der Verankerungsteil einen Mischoxid-Randbereich aufweist. In einer speziellen Ausführungsform des zweiteiligen Implantats weist der Bereich des Keramikkörpers der mit dem anderen Bereich in Kontakt kommt (z.B. das Abutment an seiner Kontaktfläche zwischen dem Implantat und dem Abutment), einen partiellen Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche auf. In diesem Fall ist keine Schraubenverbindung zwischen den beiden Teilen erforderlich, da eine optimale Passgenauigkeit erreicht werden kann, die zu einem guten Sitz und hoher Stabilität der Verbindung führt (Presspassung). Falls eine Schraube, für ein mehrteiliges Implantat erfindungsgemäß hergestellt wird (z.B. mit dem Implantat verschraubte Abutments), kann entweder die ganze Schraube, oder auch nur der Gewindebereich einen Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche aufweisen. A dental implant is in particular a one-, two- or multi-part implant and may comprise a screw thread. Preferably, the dental implant comprises an anchoring part for anchoring the implant in the bone, and a fastening part for receiving the superstructure, wherein only the anchoring part has a mixed oxide edge region. In a special embodiment of the two-part implant, the area of the ceramic body is facing which comes in contact with the other area (eg the abutment at its contact surface between the implant and the abutment), a partial mixed oxide edge area with a metallic surface. In this case, no screw connection between the two parts is required because an optimal fit can be achieved, which leads to a good fit and high stability of the connection (press fit). If a screw is produced according to the invention for a multi-part implant (eg, abutments screwed to the implant), either the entire screw or just the threaded area can have a mixed oxide edge area with a metallic surface.
In Fällen, in denen das Implantat mehrteilig ist, kann entweder nur ein Teil oder können beide Teile im Kontaktbereich der beiden Teile einen Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche aufweisen. Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform ist ein künstliches Hüftgelenk. Dabei kann mindestens ein Teil des künstlichen Gelenks einen Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche aufweisen. Zum Beispiel weist neben dem Bereich, der mit dem Knochen in Verbindung kommt, auch der Bereich des Hüftgelenks einen Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche auf, der mit dem Kopf (Kugel) in Berührung kommt. Oder, umgekehrt weist nur der Bereich, der mit der Pfanne in Berührung kommt, einen Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche auf. Es ist auch denkbar beide Implantatteile erfindungsgemäß vollständig mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche zu versehen, damit die gefürchtete Splitterwirkung beim Bruch des Implantates weitestgehend verhindert wird. Ein Vorteil wäre, dass ein Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche das quietschende oder unerwünschte Geräusch, das während der Bewegung der Gelenke auftreten kann, verhindert. Insbesondere ein Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche in dem Kopfbereich eines künstlichen Hüftgelenks kann quietschende Geräusche verhindern und dient als„Schmiermittel". Der erfindungsgemäße monolithische Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche kann in einigen Ausführungsformen eine zusätzliche Schicht aus diamantähnlicher Kohlenstoffschicht (DLC) umfassen (z.B. an Gelenkflächen). DLC ist eine amorphe extrem harte Kohlenstoffschicht. In einigen Ausführungsformen kann die Zusammensetzung ein oder mehrere weitere Metallschichten umfassen, wie Gold, Silber, Platin, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel, Zinn, Tantal, Zink und/oder Chrom, und/oder Legierungen, wie Stahl oder Bronze. In cases where the implant is multi-part, either only a part or both parts in the contact region of the two parts can have a mixed oxide edge region with a metallic surface. An example of such an embodiment is an artificial hip joint. In this case, at least a part of the artificial joint may have a mixed oxide edge region with a metallic surface. For example, in addition to the area that comes into contact with the bone, the area of the hip joint also has a mixed oxide edge area with a metallic surface that comes into contact with the head (ball). Or, conversely, only the area that comes into contact with the pan has a mixed oxide edge area with a metallic surface. It is also conceivable to provide both implant parts according to the invention completely with mixed oxide edge region and metallic surface, so that the dreaded fragmentation effect on fracture of the implant is largely prevented. An advantage would be that a mixed oxide edge area with a metallic surface prevents the squeaking or unwanted noise that may occur during movement of the joints. In particular, a mixed oxide peripheral region with a metallic surface in the head region of an artificial hip joint can prevent creaking noises and serves as a "lubricant." The monolithic ceramic body having mixed oxide edge region and metallic surface according to the invention may comprise an additional diamond-like carbon layer (DLC) layer in some embodiments (eg on articular surfaces). DLC is an amorphous extremely hard carbon layer. In some embodiments, the composition may comprise one or more further metal layers, such as gold, silver, platinum, aluminum, copper, iron, nickel, tin, tantalum, zinc and / or chromium, and / or alloys, such as steel or bronze.
Figurenbeschreibung figure description
FIG. 1 : zeigt einen erfindungsgemäßen Keramikkörper in Form eines einteiligen FIG. 1 shows a ceramic body according to the invention in the form of a one-piece
Zahnimplantats. Nur der mit Gewinde versehene Verankerungsteil zum Verankern des Implantats im Knochen weist einen Zirkonia-Alumina- Dental implant. Only the threaded anchoring part for anchoring the implant in the bone has a zirconia-alumina
Titan-Mischoxid-Randbereich, mit metallischer Oberfläche aus Reintitan auf. Der Kern des Zahnimplantats besteht aus Zirkonia-Alumina Keramik. FIG. 2: zeigt einen gebrochenen erfindungsgemäßen Keramikkörper mit Kern aus Zirkonia-Alumina-Keramik, Mischoxid-Randbereich aus Zirkonia- Alumina- und Titan-Mischoxid und metallischer Oberfläche aus Reintitan. Der erfindungsgemäße Vorteil der mangelnden Zersplitterneigung ist gut zu erkennen. Titanium mixed oxide edge area, with pure titanium metallic surface. The core of the dental implant consists of zirconia-alumina ceramic. FIG. FIG. 2 shows a broken ceramic body according to the invention with a core of zirconia-alumina ceramic, mixed-oxide edge area of zirconia-alumina and titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium. FIG. The inventive advantage of the lack of Zersplitterneigung is easy to see.
FIG. 3: zeigt die REM-Aufnahme einer Bruchstelle eines erfindungsgemäßen FIG. FIG. 3: shows the SEM image of a breakpoint of an inventive. FIG
Keramikkörpers mit Kern aus Alumina-Keramik, Mischoxid-Randbereich aus Alumina-Titan-Mischoxid und metallischer Oberfläche aus Reintitan. Im Hintergrund ist die metallische Oberfläche zu erkennen, die hier eine „weiche" knochenähnliche Struktur aufweist und Mikrofrakturen im Implantatbett vermeiden soll. Die blanke Fläche im Vordergrund ist der Mischoxid-Randbereich sowie der Alumina-Kern.  Ceramic body with core of alumina ceramic, mixed oxide edge region of alumina-titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium. In the background, the metallic surface can be recognized, which here has a "soft" bone-like structure and should avoid microfractures in the implant bed.The bare surface in the foreground is the mixed oxide edge region and the alumina core.
FIG. 4: zeigt zwei ca. 1 mm dicke Oxidkeramikplättchen, links erfindungsgemäß mit metallischer Oberfläche aus Titan und rechts herkömmlich ohne Titan-Oberfläche. Das erfindungsgemäße Keramikplättchen weist einen Kern aus Zirkonia-Alumina-Keramik und einen Mischoxid-Randbereich aus Zirkonia-Alumina-Titan-Mischoxid sowie eine metallische Oberfläche aus Reintitan auf. FIG. 4 shows two approximately 1 mm thick oxide ceramic plates, left according to the invention with a metallic surface of titanium and right conventional without titanium surface. The ceramic chip according to the invention has a core of zirconia-alumina ceramic and a mixed oxide edge region made of zirconia-alumina-titanium mixed oxide and a metallic surface made of pure titanium.
FIG. 5a, 5b: jeweils zwei definierte Bruchstücke des erfindungsgemäßen FIG. 5a, 5b: each two defined fragments of the invention
Keramikplättchens aus Fig. 4. Eine Zersplitterung in viele Einzelteile trat beim Bruchtest nicht auf. Während des Biegens bis hin zum Bruch gab es auch keine Abplatztendenzen der Oberfläche, wie bei herkömmlichen Beschichtungen üblich. FIG. 6: zeigt eine Gitterschnittprüfung eines erfindungsgemäßen  Ceramic plate of Fig. 4. A fragmentation into many items did not occur at the fracture test. During bending to rupture, there was also no chipping tendencies of the surface, as common in conventional coatings. FIG. 6: shows a cross-cut test of an inventive
Keramikkörpers mit Kern aus Aluminiumoxid-Keramik, Mischoxid- Randbereich aus Aluminiumoxid-Titan-Mischoxid und metallischer Oberfläche aus Reintitan. Es sind keine Abplatztendenzen zu erkennen. Die den Kern bildende Keramik liegt nicht frei.  Ceramic body with core of alumina ceramic, mixed oxide edge region of alumina-titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium. There are no signs of chipping. The core forming ceramics is not exposed.
FIG. 7: zeigt die REM-Querschnitts-Aufnahme (starke Vergrößerung) eines erfindungsgemäßen Keramikkörpers mit Kern aus Zirkonia-Alumina- Keramik, Mischoxid-Randbereich aus Zirkonia-Alumina-Titan-Mischoxid und metallischer Oberfläche aus Reintitan. Im unteren Bereich ist hell der Keramikkern zu erkennen. Daran schließt sich nach oben der gräuliche Mischoxid-Randbereich (ca. 700 Atomlagen) an, auf dem sich die ungleichmäßig dunkelgrau-schwarze Oberfläche aus Reintitan befindet. FIG. 8: zeigt ein EDX-Diagramm betreffend den Keramikkörper aus FIG. 7. Es zeigt die Konzentrationsverläufe der Metalle (I) und (II) im Mischoxid- Randbereich. Auf der y-Achse ist beginnend mit 0 % und in Richtung Diagrammoberkante ansteigend die Konzentration des jeweiligen Metalls aufgetragen. Auf der x-Achse ist die in Richtung des Kerns des Keramikkörpers verlaufende Tiefenkoordinate aufgetragen, wobei der Abszissenwert x = 0 in dem Übergangsbereich zwischen dem Mischoxid-Randbereich und der metallischen Oberfläche liegt; Kurve 1 (Zirkonia-Alumina) zeigt die Metall (I) Konzentration, welche in Richtung Oberfläche (nach links) gegen 0% läuft; FIG. 7 shows the SEM cross-sectional image (high magnification) of a ceramic body according to the invention with a core of zirconia-alumina ceramic, mixed oxide edge region of zirconia-alumina-titanium mixed oxide and metallic surface of pure titanium. In the lower area, the ceramic core is bright. This is followed by the greyish mixed oxide edge region (about 700 atomic layers) on top, on which the unevenly dark gray-black surface made of pure titanium is located. FIG. 8: shows an EDX diagram relating to the ceramic body of FIG. 7. It shows the concentration curves of the metals (I) and (II) in the mixed oxide edge region. Starting at 0%, the concentration of the respective metal is plotted on the y-axis in the direction of the top of the diagram. The depth coordinate running in the direction of the core of the ceramic body is plotted on the x-axis, the abscissa value x = 0 lying in the transition region between the mixed oxide edge region and the metallic surface; Curve 1 (zirconia-alumina) shows the metal (I) concentration running towards the surface (to the left) at 0%;
Kurve 2 (Titan) zeigt die Metall (II) Konzentration, welche in Richtung Kern gegen 0% läuft; Curve 2 (titanium) shows the metal (II) concentration running towards the core at 0%;
Die aus den beiden Kurven entstandene zeltförmige Struktur zeigt den erwünschten Effekt der Konzentrationen von 50/50 % der Metalle (l)/(ll) in der Mitte des Mischoxid-Randbereiches. Es ist zu erkennen, dass die beiden Kurven in Richtung Mitte des Mischoxid-Randbereichs gleichmäßig gegeneinander und von der Mitte des Mischoxid- Randbereichs weg gleichmäßig auseinander verlaufen zeigt das EDX-Diagramm gemäß FIG. 8, welches in die REM- Querschnitts-Aufnahme gemäß FIG. 7 an der entsprechenden Stelle hineinprojiziert ist. Es gilt analog das zu FIG. 8 Gesagte.  The tent-shaped structure resulting from the two curves shows the desired effect of the concentrations of 50/50% of the metals (I) / (II) in the middle of the mixed oxide edge region. It can be seen that the two curves running uniformly towards each other in the direction of the center of the mixed oxide edge region and uniformly apart from the center of the mixed oxide edge region show the EDX diagram according to FIG. 8, which in the SEM cross-sectional view of FIG. 7 is projected in the appropriate place. The same applies to FIG. 8 said.

Claims

Ansprüche claims
Monolithischer Keramikkörper mit Mischoxid-Randbereich und metallischer Oberfläche, wobei der Keramikkörper das Oxid eines ersten Metalls (I), einen Mischoxid-Randbereich, welcher das Oxid des ersten Metalls (I) und das Oxid eines weiteren Metalls (II), welches eine hohe Affinität zu Sauerstoff hat, umfasst, und eine metallische Oberfläche aus dem Metall (II) auf dem Mischoxid- Randbereich aufweist, A monolithic ceramic body with mixed oxide edge region and metallic surface, wherein the ceramic body, the oxide of a first metal (I), a mixed oxide edge region containing the oxide of the first metal (I) and the oxide of another metal (II), which has a high affinity to oxygen, comprises, and has a metallic surface of the metal (II) on the Mischoxid- edge region,
wobei der Mischoxid-Randbereich wherein the mixed oxide edge region
einen kontinuierlichen Konzentrationsgradienten des ersten Metalls (I), ausgehend von 100% im Kern bis zu 0% im Übergangsbereich zu der metallischen Oberfläche des Keramikkörpers, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt (l+ll), und  a continuous concentration gradient of the first metal (I), starting from 100% in the core to 0% in the transition region to the metallic surface of the ceramic body, based on the total metal content (l + ll), and
einen kontinuierlichen Konzentrationsgradienten des weiteren Metalls (II), ausgehend von 0% im Kern bis zu 100% im Übergangsbereich zu der metallischen Oberfläche des Keramikkörpers, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt (l+ll),  a continuous concentration gradient of the further metal (II), starting from 0% in the core up to 100% in the transition region to the metallic surface of the ceramic body, based on the total metal content (l + ll),
aufweist, having,
die Sauerstoffkonzentration in dem Mischoxid-Randbereich konstant bleibt, und die monolithische Struktur des Keramikkörpers phasengrenzenlos ausgebildet ist the oxygen concentration in the mixed oxide edge region remains constant, and the monolithic structure of the ceramic body is formed without a phase boundary
Der Keramikkörper nach Anspruch 1 , worin das erste Metall (I) unter Aluminium, Zirkonium, Yttrium, Niobium, Hafnium, Silizium, Magnesium, Cer oder Mischformen der genannten Metalle ausgewählt ist. The ceramic body according to claim 1, wherein the first metal (I) is selected from aluminum, zirconium, yttrium, niobium, hafnium, silicon, magnesium, cerium or mixed forms of said metals.
Der Keramikkörper nach Anspruch 2, worin das erste Metall (I) Zirkonia oder Alumina oder eine Zirkonia-Alumina-Mischung ist. The ceramic body of claim 2, wherein the first metal (I) is zirconia or alumina or a zirconia-alumina mixture.
Der Keramikkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das weitere Metall (II) biokompatibel ist. The ceramic body according to any one of the preceding claims, wherein the further metal (II) is biocompatible.
Der Keramikkörper nach Anspruch 4, worin das biokompatible Metall (II) Titan ist. Der Keramikkörper nach Anspruch 3 und 5, worin der Mischoxid-Randbereich von einem Titan-Zirkonium-Mischoxid, Titan-Alumina-Mischoxid oder Titan- Alumina-Zirkonia-Mischoxid gebildet wird, und die metallische Oberfläche aus Reintitan besteht. The ceramic body of claim 4, wherein the biocompatible metal (II) is titanium. The ceramic body according to claim 3 and 5, wherein said mixed oxide edge portion is formed of a titanium-zirconium composite oxide, titanium-alumina composite oxide or titanium-alumina-zirconia composite oxide, and said metallic surface is made of pure titanium.
Der Keramikkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Randzone des Keramikkörpers umfassend den Mischoxid-Randbereich und die darauf befindliche metallische Oberfläche zwischen 0,05 und 140 m dick ist. The ceramic body according to any one of the preceding claims, wherein an edge zone of the ceramic body comprising the mixed oxide edge portion and the metallic surface thereon is between 0.05 and 140 m thick.
Der Keramikkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ferner eine oder mehrere Schichten aus weiteren Metallen, insbesondere dem Metall (II), umfasst. The ceramic body according to one of the preceding claims, which further comprises one or more layers of further metals, in particular the metal (II).
Der Keramikkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher zusätzlich eine oder mehrere biokompatible und/oder bioaktive Beschichtungen umfasst. The ceramic body according to any one of the preceding claims, which additionally comprises one or more biocompatible and / or bioactive coatings.
10. Verfahren zur Herstellung eines Keramikkörpers mit einem Mischoxid- Randbereich mit metallischer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches folgende in einer thermochemischen Reaktionskammer an einem unfertigen Keramikkörper mit einem Randbereich durchzuführende Schritte umfasst: 10. A method for producing a ceramic body having a mixed oxide edge region with a metallic surface according to one of claims 1 to 9, which comprises the following steps to be carried out in a thermochemical reaction chamber on an unfinished ceramic body with an edge region:
Evakuierung der Reaktionskammer auf einen Unterdruck, der 10"3 mbar oder weniger beträgt, Evacuation of the reaction chamber to a vacuum that is 10 "3 mbar or less,
Aktivierung des Randbereichs des unfertigen Keramikkörpers, und thermochemische Behandlung des Randbereiches des unfertigen Keramikkörpers. 1 1 . Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Oberflächenaktivierung in Schritt (b) mittels einer Plasmabehandlung erfolgt. Activation of the edge area of the unfinished ceramic body, and thermochemical treatment of the edge area of the unfinished ceramic body. 1 1. The method of claim 10, wherein the surface activation in step (b) is by means of a plasma treatment.
12. Das Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , wobei in Schritt (c) die thermochemische Behandlung durch Ionenimplantation eingeleitet wird. 12. The method of claim 10 or 11, wherein in step (c) the thermochemical treatment is initiated by ion implantation.
13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Ionenimplantation eine Plasmaimmersions-Ionenimplantation ist. The method of claim 12, wherein the ion implantation is a plasma immersion ion implantation.
14. Das Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die lonendosis 1015 bis 1016 Ionen/cm2 und die lonenenergie 1 keV bis 2,3 MeV beträgt. 15. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt (c) bei einer Temperatur von 20° bis 400°C durchgeführt wird. 14. The method of claim 12 or 13, wherein the ion dose is 10 15 to 10 16 ions / cm 2 and the ion energy is 1 keV to 2.3 MeV. 15. The method according to any one of the preceding claims, wherein step (c) is carried out at a temperature of 20 ° to 400 ° C.
16. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt (d) des Beschichtens der Oberfläche des Keramikkörpers mit einem oder mehreren Metallen, insbesondere dem Metall (II), umfasst. 16. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method comprises the additional step (d) of coating the surface of the ceramic body with one or more metals, in particular the metal (II).
17. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner den Schritt (e) des Beschichtens der Oberfläche des Keramikkörpers mit einem biokompatiblen und/oder bioaktiven Material umfasst. The method of any one of the preceding claims, wherein the method further comprises the step (e) of coating the surface of the ceramic body with a biocompatible and / or bioactive material.
18. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mischoxid-Randbereich mit metallischer Oberfläche nur in einem Teilbereich des unfertigen Keramikkörpers ausgebildet wird. 18. The method according to any one of the preceding claims, wherein the mixed oxide edge region with a metallic surface is formed only in a partial region of the unfinished ceramic body.
19. Verwendung des Keramikkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder des nach einem der Ansprüche 10 bis 18 hergestellten Keramikkörpers als Implantat. 19. Use of the ceramic body according to one of claims 1 to 9 or of the ceramic body produced according to any one of claims 10 to 18 as an implant.
20. Verwendung des Keramikkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder des nach einem der Ansprüche 10 bis 18 hergestellten Keramikkörpers als20. Use of the ceramic body according to one of claims 1 to 9 or of the ceramic body produced according to one of claims 10 to 18 as
Schutzpanzerung für Personen oder Landfahrzeuge oder Luftfahrzeuge oder Wasserfahrzeuge oder Gebäude oder Raumfahrzeuge. Protective armor for persons or land vehicles or aircraft or watercraft or buildings or spacecraft.
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