EP3600163A1

EP3600163A1 - Keramisches gleitlager

Info

Publication number: EP3600163A1
Application number: EP18713211.3A
Authority: EP
Inventors: Mateusz Maria JUSZCZYK; Michael Götz
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2020-02-05
Also published as: US20200061238A1; CN110461276B; WO2018177890A1; CN110461276A

Abstract

Es wird ein keramischer Gleitpartner für ein Gleitlager, welcher zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus einem keramischen Schaum besteht, vorgestellt. Der keramische Gleitpartner umfasst mindestens eine Gleitfläche auf der ein Gleitpartner bewegbar ist, wobei die Gleitfläche zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus einem keramischen Schaum besteht.

Description

Keramisches Gleitlager

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines keramischen porösen Teils als Gleitpartner A in Verbindung mit einem vorzugsweise keramischen Gleitpartner B, der sich gegen den Gleitpartner A bewegt. Die Erfindung betrifft vorzugsweise die Verwendung der Gleitpartner im Bereich der Medizintechnik.

Aus dem Stand der Technik sind Sinterlager als eine Form der Gleitlager bekannt, in denen die Lagerschale aus einem gesinterten, porösen Metall besteht. Die Poren füllen sich mit Schmierstoffen, wie z. B. Ölen. Aufgrund der Porosität können große Mengen an

Schmierstoffen bevorratet werden. Lager aus Sintermetallen stellen somit zumindest teilweise selbstschmierende Lager dar. Als Sintermetalle werden z. B. Sinterbronze oder Sintereisen eingesetzt.

Bei Sinterluftlagern sorgt das poröse Material des Gleitlagers für eine gleichmäßige

Verteilung der Luft. Vorteilhaft daran ist der ruhige Lauf und geringe Verschleiß. Allerdings weisen solche Lager hohe Totvolumina auf. Da die Porosität nicht gleichmäßig über den Werkstoff verteilt ist, strömt die Luft ungleichförmig aus dem Lager aus. Schwerpunkt der momentan eingesetzten porösen keramischen Lager liegt auf Hochtemperatur-, Trockenlaufoder Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen an die Positionierung.

Aus JP2008150233 geht ein poröser Gleitpartner aus einem keramischen Werkstoff hervor, in dessen Poren ein Schmier- oder Gleitmittel eingebracht werden kann. Der keramische Werkstoff besteht dabei aus Zirkonoxid.

Durazo-Cardenas et al., (Proc. IMechE Vol. 224 Part J: J. Engineering Tribology (2010) S.81 -89) zeigen ein hydrostatisches Gleitlager aus einem keramischen Werkstoff, der mittels Starch consolidation (SC)-Verfahren hergestellt wurde. Dazu wird Aluminiumoxid-Pulver mit Stärke-Granulat und Wasser gemischt und in Form gegossen. Bei Temperaturen um 70°C schwillt die Stärke unter Wasseraufnahme auf und die Masse wird somit verfestigt. Unter Sinterbedingungen verbrennen die Stärke-Körner und hinterlassen in der Keramik Poren. Im Vergleich zu einem ähnlichen Gleitlager aus Sintereisen konnte eine höhere statische Steifigkeit und eine höhere Drehsteifigkeit, erzielt werden. Dadurch verteilt sich der hydrostatische Druck besser und hydrodynamische Effekte können verbessert werden.

Im Allgemeinen sind eine Vielzahl von Methoden und Verfahren zur Herstellung der porösen Strukturen bekannt. Dazu zählen zum Beispiel schlickerbasierte Verfahren, bei denen durch einen keramischen Schlicker mit organischen, strukturbestimmenden Porosierungsmitteln oder chemischen Inhaltsstoffen keramische poröse Strukturen auf Bauteilen oder ganze poröse Bauteile hergestellt werden. Die keramischen Schlicker sind als Suspensionen, die ein flüssiges Medium, ein keramisches Ausgangspulver und optional zusätzliche Additive umfassen, zu verstehen.

Das Problem herkömmlich hergestellter keramischer Teile, die einen porösen Teil aufweisen oder daraus bestehen, ist, dass die metallfreien porösen Strukturen oft nur geringe

Stabilitäten aufweisen und z. B. intraoperativ schlecht bearbeitet werden können. Das Einbringen von Schrauben oder Nägeln, beispielsweise zur temporären Fixierung des keramischen Teils, kann bei mittels bekannter Verfahren hergestellter poröser Strukturen zu einem katastrophalen Versagen der porösen Struktur bzw. des gesamten Implantats führen.

Die Gleitlager des Standes der Technik mit einer hart-hart Paarung weisen eine exzellente Abriebfestkeit und Abrasionsbeständigkeit auf. Jedoch kommt es zu Geräuschentwicklung, wenn die Geometrie des Gleitlagers zusammen mit dem E-Modul hörbare Frequenzen erzeugt und verstärkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war also die Bereitstellung von keramischen Gleitlagern aus mindestens 2 Gleitpartnern, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und eine Geräuschentwicklung erheblich reduziert, vorzugsweise ganz

vermieden.

Die Erfindung wird gelöst durch den Gleitpartner A gemäß Anspruch 1. Der Gleitpartner A besteht zumindestens teilweise, bevorzugt vollständig aus einem keramischen Schaum und weist mindestens eine Gleitfläche auf, die zumindest teilweise aus der geschäumten Keramik gebildet wird. Gegen diese Gleitfläche soll sich ein Gleitpartner B bewegen. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Gleitlager besteht aus einem Gleitpartner B, der sich gegen den porösen Gleitpartner A bewegt und dem Gleitpartner A. Beide Gleitpartner sind in einer Ausgestaltung aus Keramik hergestellt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Gleitpartner B aus einer massiven Keramik hergestellt. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Gleitpartner B ebenfalls zumindest teilweise porös, bevorzugt ebenfalls zumindest teilweise aus einem keramischen Schaum hergestellt.

Geschäumte Keramikteile im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Teile aus Keramik, die zum Teil, bevorzugt vollständig aus einem keramischen Schaum bestehen. Der keramische Schaum besteht aus keramischem Vollmaterial, welches einen signifikanten Anteil an Poren (üblicherweise 20 bis 95 % bezogen auf das Volumen) aufweist, die vereinzelt

(geschlossene Porosität) und/oder in einem Porennetzwerk (offene Porosität) vorliegen können. Mit dem Begriff Keramik sind anorganische, nichtmetallische Sinterwerkstoffe bezeichnet. Die Keramik ist bevorzugt ausgewählt unter gesinterten Metalloxiden, -carbiden oder - nitriden.

Porös steht für einen schäum- oder schwammartigen, porigen Werkstoff, der löchrig ist, in den Poren Luft enthalten kann. Poröse Stoffe sind aufgrund der in den Poren enthaltenen Luft/Flüssigkeit heterogen. Permeabel bezeichnet einen für bestimmte Stoffe durchlässigen Stoff.

Das Gleitlager besteht aus mindestens zwei Teilen, den Gleitpartnern A und B, die zueinander beweglich angeordnet sind. Dabei kann einer der beiden Gleitpartner, beispielsweise der Gleitpartner A ortsfest und der Gleitpartner B beweglich zum Gleitpartner A angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass der Gleitpartner B ortsfest und der Gleitpartner A beweglich angeordnet sind. In einem besonderen Ausführungsbeispiel sind beide

Gleitpartner A und B beweglich angeordnet und können sich relativ zueinander bewegen. Bei der Bewegung der beiden Gleitpartner kann es sich um eine reibende Bewegung handeln. Erfindungsgemäß besteht der Gleitpartner B zumindest teilweise aus einem poliertem, keramischem Material, bevorzugt ist er zumindest teilweise massiv ausgeführt, so dass seine Gleitfläche massiv, d. h. mit einem Anteil von < 10 % Poren, bevorzugt < 5% Poren, besonders bevorzugt ohne Poren, in Bezug auf die Gesamtfläche, ausgebildet ist, besonders bevorzugt ist der Gleitpartner vollmassiv. Der Gleitpartner A ist zumindest teilweise aus einem keramischen Schaum hergestellt. Seine Gleitfläche ist dabei zumindest teilweise in dem Bereich angeordnet, der aus der geschäumten Keramik besteht. Er weist somit mindestens eine Gleitfläche auf, die aus einem Keramikschaum besteht und eine poröse Oberfläche aufweist.

Nachfolgend sind Beispiele poröser Keramikteile, die verschiedene keramische Strukturen umfassen, aufgeführt, bei denen der keramische Schaum verschiedene Ausprägungen aufweist:

Vollschaumteil: Ein Teil, welches zu 100 % des Volumens aus keramischem Schaum besteht. Es kann in der Medizintechnik beispielsweise als Gleitschale, die mit einem kugelförmiger Gleitpartner B, bevorzugt aus Keramik, in Wirkverbindung steht, verwendet werden, mit der Eigenschaft als Leitstruktur für die Osteokonduktion und die

Osseointegration zu dienen. Keramischer Schaum dient als Basis für die Gleitfläche, auf der sich der Gleitpartner B bewegt. Zur Veredelung kann diese Gleitfläche auch bearbeitet sein. Die Gleitfläche ist aus dem keramischen Schaum gefertigt.

3 D-Strukturiertes Teil: Ein Teil, welches sowohl aus einem porösen Bereich, als auch aus einem signifikanten dichten keramischen Bereich besteht. Der poröse Bereich ragt dabei üblicherweise mehr als 1 mm in das Teil. Beispiele dafür sind Implantate für das Partial Resurfacing, bei denen der dem Knochen zugewandte Bereich des Teils ausgedehnt porös ist und ein Bereich des Teils einen dichten keramischen Bereich umfasst. Dabei besteht die Artikulationsfläche, auf der sich der Gleitpartner B bewegt, zumindest teilweise, bevorzugt vollständig aus dem porösen Keramikteil.

2D-Texturiert.es Teil: Ein Teil, dessen Oberfläche teilweise oder vollflächig mittels eines dünnen, oberflächennahen, porösen Bereichs in ihrer Topologie bestimmt wird. Der poröse Bereich ragt dabei etwa < 1 mm tief in das Teil, so dass der Volumenanteil der dichten Keramik größer ist als beim 3D-Strukturierten Teil. Beispiele dafür sind keramische

Monoblock-Pfannen, bei denen die dem Becken zugewandte Rückseite offenporig, texturiert ist und die der Hüftgelenkskugel zugewandte Seite zumindest teilweise aus dem porösen keramischen Material besteht und optional teilweise aus dichtem, poliertem Material vorzugsweise Keramik ausgebildet wird.

Erfindungsgemäß sind Teile, deren Querschnitte aus verschiedenen Strukturen gebildet sind, möglich. Dabei können diese Strukturen sowohl porösen keramischen Schaum, als auch dichte Keramiken umfassen, wobei die Anordnung der Strukturen durch die

Anwendung der Teile bestimmt wird. Dadurch sind beliebige Kombinationen der oben genannten Strukturen vorstellbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die keramischen Gleitlager, deren Gleitpartner A eine Gleitfläche aufweist, die zumindest teilweise aus einem keramischen Schaum besteht, keramische Implantate, d. h. sowohl humanmedizinische als auch veterinärmedizinische Implantate für Klein-, Nutz- und Haustiere, besonders bevorzugt Implantate für

humanmedizinische Anwendungen.

Erfindungsgemäß bevorzugte Implantate, die üblicherweise Wandstärken im Bereich von 0,3 bis 30 mm aufweisen, für humanmedizinische Anwendungen sind Implantate für kleine und große Gelenke, Implantate im Bereich Partial Resurfacing, sowie Komponenten bzw. Teile von Implantatsystemen.

Erfindungsgemäße Implantate für kleine Gelenke können insbesondere Implantate für die Fingergelenke, Zehengelenke, Ellenbogengelenke, Sprunggelenke und das Handgelenk und sonstige Gelenke umfassen. Der Begriff Implantate für große Gelenke umfasst

beispielsweise Implantate für das Hüftgelenk, das Kniegelenk und das Schultergelenk. Unter den Begriff Partial Resurfacing im Sinne der vorliegenden Erfindung fallen

Teilprothesen, die nur lokale Gelenk/Knorpeldefekte kompensieren. Üblicherweise bestehen diese aus einer tribologisch optimierten, kongruenten Seite, die dem Gelenkspalt zugewandt ist, sowie einer dem Knochen zugewandten Seite, die für die Verankerung sorgt. Partial Resurfacing wird vornehmlich bei großen Gelenken angewandt, da dabei durch das insgesamt kleiner Operationsgebiet weniger (Knochen-)Gewebe abgetragen werden muss und infolge dessen spätere Revisonsoperationen deutlich erleichtert werden. Keramische Teile aus erfindungsgemäßen Strukturen können zudem als Komponenten in Implantatsystemen eingesetzt werden. Dabei kann der poröse Bereich, wenn er dem Knochen zugewandt eingesetzt wird, die Osseointegration begünstigen.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das Gleitlager als technisches Gleitlager in einem Gelenk, Linear-, Radial-, Axial- und/oder Radiaxlager eingesetzt. Aufgrund seiner

Eigenschaften kommt es bei Anwendungen zum Einsatz, an die extrem hohe Anforderungen z.B. Geschwindigkeiten gestellt sind, z. B. bei Turbinenrädern.

Dabei ist bevorzugt die der Gleitfläche zugewandte Seite des keramischen Schaums mit einem Gleitmittel, auch Schmiermittel genannt, Feststoffschmiermittel und/oder

Gleitlagerwerkstoffen versehen.

Gleitmittel werden in einer Ausgestaltung ausgewählt unter Flüssigkeiten, bevorzugt Öle oder Wasser oder Mischungen daraus. In einer weiteren Ausgestaltung werden die

Gleitmittel ausgewählt unter Feststoffschmiermittel, bevorzugt, Graphit, MoS2, hexagonales Bornitrid. In einer alternativen Ausgestaltung werden die Gleitmittel ausgewählt unter Suspensionen, bevorzugt Kupfer oder MoS2 in Ölen. Die Gleitmittel senken den

Reibungskoeffizienten des Gleitlagers. Die Gleitmittel in Form von Flüssigkeiten oder Suspensionen von Flüssigkeiten und Feststoffen können während der Artikulation nachgefüllt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung werden Gleitlagerwerkstoffe anstelle eines Gleitmittels oder zusätzlich zum Gleitmittel angewendet. Die Gleitlagerwerkstoffe sorgen im Falle eines Trockenlaufs für Schmierung und haben dementsprechend die gleiche Funktion wie das Gleitmittel. Die Gleitlagerwerkstoffe werden bevorzugt ausgewählt unter Polytetrafluorethan (PTFE), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Bronze, Messing oder Alulegierungen. Die Gleitlagerwerkstoffe sind selbstschmierende Feststoffe die nicht nachgefüllt werden. Die Kunststoffe, wie z.B. PE und PVC, werden in einer bevorzugten Ausgestaltung durch Kunststoffinfiltration auf die Artikulationsfläche aufgebracht.

Das Gleitmittel oder die Gleitlagerwerkstoffe werden in einer Ausgestaltung vor der Montage in den Lagerspalt und/oder in die, bevorzugt offene, Porosität gebracht. In einer weiteren Ausgestaltung wird das Gleitmittel während des Betriebs zugeführt, d.h. durch bevorzugt Druck und/oder Kapillarkräfte von Außen nach Innen befördert. Das Gleitmittel wird in einer anderen Ausgestaltung durch hydrodynamischen Druck zugeführt und/oder verteilt.

In einer besonderen Ausgestaltung entspricht das Gleitmittel dem Umgebungsmedium, wie Öl, Wasser und/oder Körperflüssigkeiten, wie beispielsweise im Falle der

medizintechnischen Anwendung in der das keramische Teil als Implantat Anwendung findet. Durch den porösen Bereich einer erfindungsgemäßen Struktur wird auch die Verbindung zu anderen nichtkeramischen Materialien bzw. Werkstoffen möglich bzw. verbessert. Dadurch ist es möglich erfindungsgemäße Strukturen beispielsweise durch Kunststoffinfiltration bzw. Kleben an andere Materialien anzubinden. Es können keramische und nicht keramische Strukturen verbunden werden, wobei durch den porösen Bereich der keramischen Struktur eine feste vorzugsweise dauerhafte Verbindung mit dem nicht keramischen Material möglich ist. Dabei kann es sich um eine stoffschlüssige Verbindung zweier Teile handeln. Diese stoffschlüssige Verbindung kann ausschließlich durch einen thermischen Prozess erzeugt werden. Sie kann auch durch ein zusätzliches Material z.B. ein Klebstoff erzeugt werden. Es ist auch möglich die Verbindung zweier Teile durch eine Kombination von thermischen Prozess und zusätzlichem Material herzustellen.

Die Makrostruktur des porösen Bereichs des Gleitpartners A wird dabei durch die Poren dominiert, wobei die Porengröße des porösen Bereichs des Teils mindestens 1 nm, bevorzugt 10 μηη, besonders bevorzugt 50 μηη und insbesondere bevorzugt 100 μηη beträgt. Die Maximalgröße der Poren beträgt 1 mm, bevorzugt 700 μηη. Die Porengrößen werden mittels Mikroskopaufnahmen mit einer Auflösung mindesten von 0,2 Pixel/μΓτι und bevorzugt mit einer Auflösung im Bereich von 0,2 bis 1 Pixel/μΓτι durch softwaregestütztes Markieren und anschließendes Berechnen der Äquivalenzdurchmesser bestimmt. Durch die geeignete Wahl der Porengröße lassen sich die biologischen, insbesondere die osseointegrativen Eigenschaften deutlich verbessern.

Die Poren sind kugelförmig und/oder gestreckt und/oder unregelmäßig geformt. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Poren monomodal in einer weiteren Ausgestaltung multimodal. In einer Ausgestaltung sind die Poren homogen über den gesamten Gleitpartner verteilt. In einer anderen Ausgestaltung sind die Poren gradiert und/oder hierarchisch verteilt, d.h. es liegen lokale oder sich über das gesamte Teil erstreckende Gradienten vor.

Der poröse Bereich weist weiterhin bevorzugt eine Porosität von 20 bis 95 %, vorzugsweise 55 bis 85 % auf. Im Gegensatz dazu weist der optional vorhandene dichte bzw. massive Bereich eine Restporosität von max. 10 %, bevorzugt maximal 5%, besonders bevorzugt keine Restporosität, auf. Im Falle von 3D-strukturierten Teilen liegt die Porosität vorzugsweise als überwiegend offene Porosität vor, die ein interkonnektierendes Porennetzwerk bildet, wobei mind. 60 %, besonders bevorzugt mind. 85 % der Porosität offene Porositäten darstellen. Durch das interkonnektierende Porennetzwerk mit den oben genannten Porengrößen wird der Verlauf der Osseointegration auch über die oberflächennahen, angeschnittenen Poren hinaus in tieferliegende Poren ermöglicht. Das Einwachsen kann bis zu Tiefen von mehr als 0,5 mm bis zu 5 mm erfolgen. Gleichzeitig kann durch das tiefere Einwachsen eine mechanische Verzahnung von Implantat und umliegenden Gewebe bzw. Knochen durch hinterschnittige Poren erreicht werden.

Zudem ermöglicht die offene Porositäten eine Nährstoffversorgung durch

Diffussionsprozesse in der extrazellularen Flüssigkeit. Darüber hinaus kann es im porösen Bereich des Teils, insbesondere des erfindungsgemäßen Implantats, mit seinem verringerten E-Modul bei mechanischer Belastung zu mikromechanischen Dehnungen und dadurch hydrodynamischen Umwälzprozessen kommen. Der E-Modul des keramischen Schaums liegt bei etwa < 15 %, vorzugsweise < 10 % des E-Moduls des keramischen Vollmaterials.

Diese Eigenschaften der keramischen Teile, insbesondere der Implantate lassen sich sehr gut mit Schäumungsverfahren realisieren, bei denen prinzipiell auf Basis von Schäumungs- oder Treibmitteln in einem keramischen Schlicker definierte Porenstrukturen erzeugt werden.

Der Einsatz eines Schäumungsverfahrens ist auch insofern vorteilhaft, als dass es im

Vergleich zu bekannten Arten der keramischen Schlickeraufbereitung bei richtiger

Prozessführung ohne größeren Zusatzaufwand umgesetzt werden kann. Es sind

beispielsweise keine zusätzlichen formgebenden Strukturen nötig, wie beispielsweise organische Kugeln aus Cellulose, Faserstrukturen oder Polyurethanschaumstrukturen, die in speziell aufbereitete keramische Schlicker getränkt werden und anschließend im weiteren Fertigungsprozess wieder ausgebrannt werden müssen (Porosierungsverfahren,

Templatausbrand oder -Umwandlung, etc.). Das keramische Material für den erfindungsgemäße Gleitpartner A und/oder das Gleitlager kann aus bekannten und kommerziell erhältlichen (keramischen) Materialien hergestellt sein. Bei der Verwendung des keramischen Gleitlagers als Implantat erfolgt die Auswahl der Materialien beider Gleitpartner unter der Voraussetzung, dass das keramische Material biokompatibel ist und bevorzugt höhere Festigkeiten, ein geringeres Korrosionsverhalten sowie niedrigere lonenfreisetzungsraten im Körper aufweist als Calciumphosphate wie z. B. Hydroxylapatit (HA) und Tricalciumphosphat (TCP) oder Metalle und Legierungen.

Die ggf. vorliegenden mindestens zwei Bereiche des keramischen Teils, d. h. mindestens ein poröser Bereich aus dem keramischen Schaum und mindestens ein dichter Bereich, können aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen keramischen Material bestehen. Bevorzugte keramische Materialien, also auch die Ausgangspulver zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gleitpartners A und/oder B, sind oxidkeramische Werkstoffe, beispielsweise basierend auf Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, oder nichtoxidkeramische Werkstoffe, basierend beispielsweise auf Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid. Grundlegende Anforderung an das Material bei einer Verwendung als Implantat ist seine Biokompatibilität, d. h. dass es im Körper keine negativen Reaktionen hervorrufen darf. Im konkreten Fall ist für das Produkt die biologische Beurteilung z. B. entsprechend DIN EN ISO 10993 (Stand: 2010-04) zu treffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das keramische Material ein Material aus dem Mischoxidsystem AI203-Zr02, insbesondere ZTA-Keramiken (Zirconia Toughned Alumina), oder keramische Verbundwerkstoffe, in denen Zirkonoxid die volumendominierende Phase darstellt, wobei diesen Systemen je nach dominierender Phase noch chemische

Stabilisatoren oder Dispersoide in Form von weiteren Metalloxiden oder Mischoxiden zugegeben werden. Für technische Gleitlager können auch toxische Materialien Einsatz finden. Beispiele für ZTA-Keramiken, in denen Aluminiumoxid die volumendominierende Phase darstellt, sind:

- Ein keramischer Werkstoff, der aus 60 bis 98 Vol.% einem Aluminiumoxid- /Chromoxid-Mischkristall als Matrixwerkstoff, der 0,8 bis 32,9 Vol.% eines oder mehrerer weiterer Mischkristalle, ausgewählt aus Mischkristallen gemäß einer der allgemeinen Formeln LaO,9AI1 1 ,76-xCrx019, Me1AI1 1 -xCrx017, Me2AI12-xCrx019,

Me2'AI12-xCrx019 oder Me3AI1 1 -xCrx018 enthalten kann, wobei Me1 für ein Alkalimetall, Me2 für ein Erdalkalimetall, Me2' für Cadmium, Blei oder Quecksilber und Me3 für ein Seltenerdoxidmetall steht, und wobei x einem Wert von 0,0007 bis 0,045 entspricht, , und 2 bis 40 Vol.% in den Matrixwerkstoff eingelagertem

Zirkoniumdioxid besteht, das als stabilisierende Oxide mehr als 10 bis 15 Mol.% eines oder mehrerer der Oxide von Cer, Praseodym und Terbium und/oder 0,2 bis 3,5 Mol.% Yttriumoxid, bezogen auf die Mischung aus Zirkoniumdioxid und stabilisierenden Oxiden enthalten kann.

- Ein keramischer Werkstoff aus Aluminiumoxid als keramische Matrix mit darin

dispergiertem Zirkonoxid und gegebenenfalls weiteren Zuschlagstoffen oder Phasen, wobei der Aluminiumoxidanteil mindestens 65 Vol.-% und der Zirkonoxidanteil 10 bis 35 Vol.-% beträgt, wobei das Zirkonoxid, bezogen auf den Geamtzirkonoxidgehalt, zu 80 bis 99 %, bevorzugt zu 90 bis 99 %, in der tetragonalen Phase vorliegt und wobei die Stabilisierung der tetragonalen Phase des Zirkonoxids zum überwiegenden Teil nicht chemisch sondern mechanisch erfolgt, wobei der Gesamtgehalt an chemischen

Stabilisatoren < 0,2 Mol% beträgt, vorzugsweise keine chemischen Stabilisatoren verwendet werden. Dieser Werkstoff enthält vorzugsweise eine weitere dispersoide Phase, wobei der Volumenanteil der die dispersoide Phase bildenden Dispersoide bis zu 10 Vol.-%, vorzugsweise 2 bis 8 Vol.-%, besonders bevorzugt 3 bis 6 Vol.-% beträgt. Als Dispersoide sind erfindungsgemäß grundsätzlich alle Substanzen einsetzbar, die chemisch stabil sind und während der Herstellung des

Verbundwerkstoffs durch Sintern bei hohen Temperaturen nicht im Aluminiumoxid oder im Zirkonoxid in Lösung gehen und infolge ihrer Kristallstruktur inelastische Mikrodeformationen auf mikroskopischer Ebene ermöglichen. Erfindungsgemäß möglich ist sowohl die Zugabe von Dispersoiden als auch die in-situ-Bildung der Dispersoide bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs.

Beispiele für erfindungsgemäß geeignete Dispersoide sind Strontiumaluminat (SrAI12019) oder Lanthanaluminat (LaAI1 1018).

Beispiele für keramische Verbundwerkstoffe, in denen Zirkonoxid die volumendominierende Phase darstellt, ist ein keramischer Werkstoff, keramische Matrix aus Zirkonoxid und darin dispergiert zumindest eine Sekundärphase, wobei die Matrix aus Zirkonoxid einen Anteil von mindestens 51 Vol.-% am Verbundwerkstoff ausmacht, und dass die Sekundärphase einen Anteil von 1 bis 49 Vol.-% am Verbundwerkstoff ausmacht, wobei das Zirkonoxid, bezogen auf den Gesamtzirkonoxid-Anteil zu 90 bis 99%, bevorzugt zu 95 bis 99% in der tetragonalen Phase vorliegt, und wobei als chemische Stabilisatoren Y203, Ce02, Gd203, Sm203 und/oder Er203 enthalten sind, wobei der Gesamtgehalt an chemischen Stabilisatoren < 12 mol-% bezogen auf den Zirkonoxidgehalt ist und wobei die Sekundärphase aus einer oder mehreren der folgenden Verbindungen ausgewählt ist: Strontiumhexaaluminataluminat

(SrAI12019), Lanthanaluminat (LaAI1 1018), Hydroxylapatit (Ca10(PO4)6(OH)2), Fluorapatit (Ca10(PO4)6F2), Tricalciumphoshat (Ca3(P04)2), Spinell (MgAI204), Aluminiumoxid (AI203), Yttrium-Aluminium-Granat (Y3AI5012), Mullit (AI6Si2013), Zirkon (ZrSi04), Quarz (Si02), Talk (Mg3Si4O10(OH)2), Kaolinit (AI2Si205(OH)4), Pyrophyllit (AI2Si4O10(OH)2), Kaliumfeldspat (KAISi308), Leuzit (KAISi206) und Lithiummetasilikat (Li2Si03); bevorzugt werden Strontiumhexaaluminat, Lanthanaluminat, Hydroxylapatit, Fluorapatit, Spinell, Aluminiumoxid und Zirkon, besonders bevorzugt wird Strontiumhexaaluminat.

Die mittlere Partikelgröße (D50) des keramischen Ausgangspulvers kann durch

Laserbeugung bestimmt werden und liegt erfindungsgemäß vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 50 μηι, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 5 μηι.

Üblicherweise liegt die Korngröße im gesinterten Gefüge in einem ähnlichen Bereich von 0,01 bis 50 μηι bzw. besonders bevorzugt im Bereich 0,1 bis 5 μηι, im Gefüge bestimmt mittels Linienschnittverfahren nach DIN EN ISO 13383-1 (2016-1 1 ).

Das erfindungsgemäße keramische Teil besteht in einer Ausgestaltung mindestens aus einem porösen Bereich und optional einem dichten Bereich, wobei der poröse Bereich, der aus einem keramischen Schaum besteht, vorzugsweise eine Dichte im Bereich von 0,5 bis 2,5 g/cm³, besonders bevorzugt 0,8 bis 1 ,8 g/cm³ aufweist. Die Festigkeit des porösen Bereichs des Teils liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 300 MPa, besonders bevorzugt im Bereich 20 bis 150 MPa. Die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Teils beträgt vorzugsweise < 10 W/Km und liegt dadurch in einem ähnlichen Bereich wie die Wärmeleitfähigkeit des natürlichen Gewebes. Dadurch wird ein verändertes Kalt/Heiß-Empfinden durch den Einsatz eines Implantats für den Anwender bzw. Patienten reduziert, vorzugsweise komplett verhindert.

Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Struktur, die einen keramischen Schaum umfasst, wird das Verhalten dieser Struktur signifikant verändert. Bei lokalen, hohen

Belastungen vor allem unter Druck kommt es daher zu einem lokal begrenzten Defekt anstelle eines katastrophalen Versagens des gesamten keramischen Teils. Die lokale Beschädigung zeigt sich in Form von Brüchen der Porenstege und ist auf den Bereich, der den porösen Schaum umfasst, begrenzt. Die Risse werden dabei an einer größeren

Ausbreitung gehindert, da dieses Material eine niedrige Risszähigkeit (< 1 MPam^/2) aufweist. Es umfasst Poren, die der Rissausbreitung immer neue Grenzflächen entgegen stellen. Durch dieses lokal begrenzte Materialverhalten kommt es zu einer Kompaktierung des Materials des porösen Bereichs, wobei Verformungsenergie dissipiert werden kann und zudem anliegende Spannungen verteilt und dadurch abgebaut werden können.

Dieses Materialverhalten eines erfindungsgemäßen Teils erlaubt Bearbeitungsmethoden z. B. Bohren, Nageln, Schrauben, Raspeln, Trennschleifen. Dadurch ist es möglich, ein erfindungsgemäßes Teil mittels Befestigungsmittel wie Schrauben, Nägel, Stifte etc. zu fixieren. Diese Befestigungsmittel können in den Bereich, der durch den porösen

Keramikschaum gebildet ist, eingebracht werden, ohne dass das Teil Beschädigungen erfährt, welche die Verwendung beeinträchtigt. Das hat zur Folge, dass das erfindungsgemäße Teil bei der Verwendung als Implantat, insbesondere der poröse Bereich aus dem keramischen Schaum, nicht nur das Einwachsen des natürlichen Gewebes fördert, sondern auch vor und während der Operation zur

Fixierung beiträgt, d. h. eine Verbindung mit dem Körper oder anderem Implantatmaterial möglich wird. Das keramische Teil der vorliegenden Erfindung bzw. sein poröser Bereich ist vorzugsweise schraubbar, d. h. es können Schrauben eingebracht werden, nagelbar, d. h. das Einschlagen oder Einpressen von Nägeln wird ermöglicht, und bohrbar, d. h. es können Bohrungen eingebracht werden, wodurch auch weitere form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen (z. B. durch Stifte), sowie das Nähen ermöglicht werden. Die erwähnten Fixiermittel können einen Durchmesser bis zu 5 mm vorzugsweise bis zu 3 mm aufweisen. Das keramische Teil bzw. sein poröser Bereich, der nicht die Gleitfläche umfasst. sind darüber hinaus auch klebbar und kann verschweißt werden (Bone Welding®). Sowohl beim Kleben, als auch beim Bone Welding® ist die Porosität des erfindungsgemäßen Teils bzw. seines porösen Bereichs von Vorteil, da das Implantat mit dem Prozesswerkstoff infiltriert (> 0,5 mm tief) werden kann und danach über eine chemische Anbindung hinaus auch mechanisch mit diesem verbunden beispielsweise verzahnt ist. Dadurch sind auch

Verbindungen zu anderen Materialien beispielsweise nichtkeramischen Materialien wie Kunststoffen und Metallen möglich. Die verschiedenen Fügemethoden der unterschiedlichen Materialien können innerhalb von Anwendungen, beispielsweise beim Einsatz während einer Operation oder davon losgelöst, vorab bei Herstellen einer Komponente bzw. eines Teils eines Systems durchgeführt werden.

So beschaffene Gleitpartner zeigen folgende Vorteile - Poren dienen als Gleitmittelreservoir.

- Das Keramik-spezifische Benetzungsverhalten wird verbessert, da die Poren zu einer rauen Oberfläche führen.

- Poren, können den Abrieb und/oder eingetragenen Schmutz beseitigen und/oder in sich aufnehmen

- Der poröse Gleitpartner weist eine niedrigere Steifigkeit durch die Porosität auf. Damit kann eine mechanische Dämpfung erfolgen.

- hohe Abrasionsbeständigkeit, die an den Gleitpartner angepasst werden kann

- Dank der Porosität weist das Gleitlager eine niedrigere Dichte auf und eignet sich somit zum Einsatz in Leichtbauanwendungen

- Im Falle einer plötzlichen Belastung, die die Gleitpartner separiert, wird durch die permeable, (offene) Porenstruktur die Adhäsionskraft zwischen beiden Gleitpartnern, reduziert.

- gutes Dämpfungsverhalten bei Vibrationen (z. B. um ein Quietschen des Lagers zu vermeiden oder Unwuchten zu dämpfen)

- Aufgrund der Porosität weisen die Gleitlager die Fähigkeit auf, mit und ohne

Schmierstoff Lasten zu tragen. Sie zeigen sehr gute Trockenlaufeigenschaften, können aber auch unter Einsatz einer Vielzahl an o.g. Schmierstoffen betrieben werden.

- Breiter Temperatureinsatzbereich von -200 bis zu 2000 °C

- sehr gute Thermoschockbeständigkeit

- thermisches Isolierverhalten

- Korrosionsbeständigkeit z. B. zum Einsatz in chemisch aggressiven Umgebungen

- Bioinertes Verhalten i. A. v. keramischen Material

- geringe radiale Abweichung bei Achsbewegung

- hohe mechanische Belastbarkeit

- gleichmäßige Druckverteilung hydrostatisch eingebrachter Schmierstoffe

Claims

Ansprüche

1 . Keramischer Gleitpartner für ein Gleitlager, welcher zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus einem keramischen Schaum besteht, umfassend mindestens eine Gleitfläche auf der ein Gleitpartner bewegbar ist, wobei die Gleitfläche zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus einem keramischen Schaum besteht.

2. Keramischer Gleitpartner gemäß Anspruch 1 , wobei das keramische Material aus einem oxidkeramischer Werkstoff, beispielsweise basierend auf Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, oder ein nichtoxidkeramische Werkstoff, beispielsweise basierend auf Siliziumnitrid, oder Siliziumcarbid, gebildet ist.

3. Keramischer Gleitpartner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff aus dem Mischoxidsystem AI203-Zr02, insbesondere ZTA- Keramiken (Zirconia Toughned Alumina), oder keramischen Verbundwerkstoffe, in denen Zirkonoxid die volumendominierende Phase darstellt, ausgewählt wird.

4. Keramischer Gleitpartner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße des porösen Bereichs des Teils > 1 nm, vorzugsweise > 10 μηη bis < 1 mm, vorzugsweise zwischen 50 μηη und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 100 und 700 μηη, liegt.

5. Keramischer Gleitpartner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Bereich eine Porosität von 20 bis 95 %,

vorzugsweise 55 bis 85 % aufweist.

6. Keramisches Gleitlager umfassend mindestens einen Gleitpartner A gemäß den

Ansprüchen 1 bis 5 und mindestens einen Gleitpartner B, der eine Gleitfläche aufweist und wobei die Gleitflächen der mindestens einen Gleitpartner A und B gegeneinander bewegt werden.

7. Keramisches Gleitlager nach Anspruch 6, wobei der Gleitpartner B aus Keramik

besteht.

8. Keramisches Gleitlager nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Gleitpartner B aus einer massiven Keramik besteht.

9. Keramisches Gleitlager nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Gleitpartner B ebenfalls zumindest teilweise porös, bevorzugt ebenfalls zumindest teilweise aus einem keramischen Schaum hergestellt, ist.

10. Verwendung des keramischen Gleitlagers nach einem der Ansprüche 6 bis 9 als Implantate für humanmedizinische oder veterinärmedizinische Anwendungen.

1 1 . Verwendung des keramischen Gleitlagers nach Anspruch 10 als Implantat für kleine und große Gelenke, Implantate im Bereich Partial Resurfacing, sowie als Teile von Implantatsystemen.

12. Verwendung des keramischen Gleitlagers nach Anspruch 10 oder 1 1 als Implantat für Fingergelenk, Zehengelenk, Ellenbogengelenk, Sprunggelenk, Handgelenk,

Hüftgelenk, Kniegelenk und/oder Schultergelenk.

13. Verwendung des keramischen Gleitlagers nach einem der Ansprüche 10 bis 12 als Teilprothese, die nur lokale Gelenk/Knorpeldefekte kompensiert.

H. Verwendung des keramischen Gleitlagers nach einem der Ansprüche 6 bis 9 als technisches Gleitlager in einem, Linear-, Radial-, Axial- und/oder Radiaxlager eingesetzt.

15. Verwendung des technischen Gleitlagers nach Anspruch 14 in Turbinenrädern.