EP4313448A1 - Composite material comprising a silver infiltration as an antibacterial matrix material especially for biofilm reduction - Google Patents

Composite material comprising a silver infiltration as an antibacterial matrix material especially for biofilm reduction

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EP4313448A1
EP4313448A1 EP22717168.3A EP22717168A EP4313448A1 EP 4313448 A1 EP4313448 A1 EP 4313448A1 EP 22717168 A EP22717168 A EP 22717168A EP 4313448 A1 EP4313448 A1 EP 4313448A1
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EP
European Patent Office
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silver
composite material
matrix material
sintered
open
Prior art date
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Application number
EP22717168.3A
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Clemens Meyer-Kobbe
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Meko Manufacturing EK
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Meko Manufacturing EK
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    • C22C33/0278Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0285Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%

Definitions

  • the present invention relates to a composite material made from an open-pore, porous, sintered matrix material and elemental silver, the elemental silver being infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material, the silver content in the composite material being between 6% by weight and 30% by weight.
  • % is, and the open-pored, porous, sintered matrix material consists of at least one metal, at least one metal alloy or at least one ceramic, as well as methods for producing this composite material and medical implants containing this composite material.
  • the composite material is particularly suitable for reducing and avoiding biofilm formation.
  • the present invention also describes an antibacterial composite material for medical implants, preferably long-term medical implants, in particular for use as bracket material in orthodontics.
  • No surface coating is applied, but antibacterial silver is introduced by means of infiltration, e.g. into the pores of a metal or ceramic sinter.
  • the silver does not form a closed surface, but has a sufficient long-distance effect to prevent biofilm adhesion over a large area.
  • Biofilm formation in the oral environment is one of the central problems in dentistry. Microorganisms trigger caries, periodontal diseases and other dental diseases, which are the main diseases to be treated in dentistry.
  • tooth decay is “a multifactorial destructive disease of hard tooth tissue, enamel and dentine. It develops with the participation of microorganisms and starts from a tooth surface that has been “decalcified” by the action of acids.”
  • Biofilm formation also promotes the development of periodontitis, i.e. an inflammatory disease of the entire periodontium including the jawbone.
  • Periodontitis i.e. an inflammatory disease of the entire periodontium including the jawbone.
  • Adult patients in particular are affected by the attachment of Plaque on intraoral surfaces is at increased risk of periodontitis.
  • chronic periodontitis can develop or worsen, which, if left untreated, can lead to loosening of the teeth due to loss of attachment and, in extreme cases, ultimately to tooth loss.
  • Undesirable biofilm formation is also of immense importance in orthodontics and particularly affects the large patient group of young people in puberty, whose motivation in the field of dental care is often restrained. To make matters worse, young patients are more susceptible to gingivitis, an inflammation of the marginal gums caused by bacteria, due to pubertal hormonal changes.
  • Treatment devices such as brackets, have niches that are difficult to clean due to their geometry, which can lead to demineralization of the tooth enamel in the area around the brackets if there is insufficient oral hygiene.
  • the bacteria metabolize carbohydrates into organic acids and an acidic anaerobic environment is created. As a result, calcium and phosphate ions are released from the crystal lattice structure of the tooth enamel. In the long term, this decalcification of the enamel becomes visible as irreversible white spots, so-called "white spot lesions”.
  • the "white spot lesions" are the initial stage of a carious lesion of the tooth. If the acidic environment persists and demineralization processes progress, the initial enamel caries leads to dentine caries.
  • the aim is to counteract the favorable propagation environment for microorganisms in the mouth through improved oral hygiene or to select dental materials with reduced biofilm affinity (in each case depending on the material and its surface) or to provide the orthodontic appliances with bactericidal properties.
  • a preventive approach lies in patient motivation and guidance.
  • the focus here is on improving oral hygiene at home.
  • the reduction of the oral biofilm is of great importance as part of the professional tooth cleaning that is to be carried out every six months.
  • an increase in the acid resistance of the tooth enamel can be achieved by regular home and in-office fluoridation.
  • the use of antimicrobial or fluoride-containing mouthwash solutions, which can noticeably reduce the formation of biofilms, is recommended.
  • One of the aims is to effectively reduce the cariogenic bacterium Streptococcus mutans and to have an inhibitory effect on Aggregatibacter actinomycetemcomitans.
  • Fixing adhesives adhesives for fixing the brackets
  • fluoride nanoparticles are used. These fluoride-containing fastening materials lead to increased resistance of the Tooth hard substance against an acidic anaerobic environment and thus for less demineralization of the enamel. In the area of fluoride-containing luting composites, a tendency towards less demineralization of the enamel could be determined.
  • a mechanical-chemical barrier against acid attack can be created by sealing the enamel in the immediate vicinity of the bracket.
  • the seals are not very resistant to abrasion and therefore only have a temporary effect. d) Coatings of bracket appliances
  • Antibacterial coatings on brackets prevent biofilm formation from the start while at the same time ensuring good biocompatibility.
  • the coatings are applied over the entire surface, i.e. the antibacterial top layers have a completely closed surface, which encapsulates the base material, i.e. the actual bracket material.
  • One method is to seal orthodontic appliances with polytetrafluoroethylene (PTFE) to prevent polysaccharide adhesion.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • antibacterial coatings applied galvanically or by means of the physical vapor deposition (PVD) process are suitable.
  • Chinese patent application CN 111 197 130 A discloses powdered Co-based alloys containing 1-5% by weight of silver, which are used for tooth restorations or dental prostheses.
  • the dental prostheses can be produced from the powdered alloys using 3D printing (selective laser melting).
  • Chinese patent CN 102 648 876 B discloses an antibacterial orthopedic dental wire made of a titanium-nickel alloy, wherein 0.1 to 20% by weight of granular silver is dispersed in the orthopedic wire.
  • the mass ratio of titanium and nickel in the antibacterial orthopedic wire is 45:55-55:45.
  • the wire can be made from a powdered titanium-nickel-silver mixture by melting, sintering or high-temperature synthesis.
  • Feilong et al. (Materials & Design 2019, 184, 108190) report on a cobalt alloy with antibacterial properties containing 30 at.% chromium and 5 at.% silver.
  • the alloy is made by sintering a powder mixture of cobalt, chromium and silver.
  • silver nanoparticles are not only incorporated into luting adhesives or cements, but also used as a coating. It has been demonstrated that bacterial adhesion can be prevented on dentine coated with silver nanoparticles.
  • Silver nanoparticles have a size of up to 100 nm and are therefore able to occur outside of solid and liquid solid states. They can have a cytotoxic effect by affecting the cell cycle, DNA and cell apoptosis. Above a certain concentration, silver nanoparticles have a cell and genotoxic effect on human mesenchymal stem cells character and cause DNA damage, cell death and functional impairment.
  • pure silver coatings have the disadvantage of low abrasion resistance.
  • a problem for superficially applied coatings within the oral cavity is the high intraoral abrasion load due to strong shearing and muscle forces of the teeth, tongue and perioral muscles as well as the attack by various liquids in the oral cavity.
  • the antibacterial effect is quickly lost as a result of partial damage or extensive abrasion of the usually very thin coatings. The antibacterial protective effect is therefore not permanent.
  • the object of the present invention is therefore to provide a material for an implant and an implant that prevents the formation of a biofilm or at least counteracts the formation of it while at the same time being resistant to shearing forces and abrasion in order to achieve a permanent protective effect. According to the invention, this object is achieved by the technical teaching of the independent claims. Further advantageous configurations of the invention result from the dependent claims, the description, the figures and the examples.
  • the present invention thus relates to a composite material made from an open-pore, porous, sintered matrix material and elemental silver, the elemental silver being infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material, the silver content in the composite material being between 6% by weight and 30% by weight.
  • -% is, and the open-pore, porous, sintered matrix material consists of at least one metal, at least one metal alloy or at least one ceramic.
  • open-pore, porous, sintered matrix material refers to the base material made of a metal, a metal alloy or a ceramic, which is produced in a sintering process and in whose pores the elemental silver is infiltrated.
  • the matrix material itself has no antibacterial properties.
  • Solid here means that a powdery starting material is pressed together to form a sinter with a specific grain size and then shaped into a solid matrix material by heat treatment.
  • all metals, metal alloys and ceramics with the following properties are suitable as matrix material: a) Biocompatibility (corrosion-resistant, haemocompatible, non-cytotoxic and genotoxic, non-carcinogenic), b) abrasion resistance that is usual for dental implants, c) sinterability for the production of porous materials, d) low brittleness, ie sufficient ductility not to withstand sudden stress to break.
  • Examples of preferred matrix materials are metals and metal alloys approved for implants, such as stainless steel (e.g. 316LVM®, 316L medical), Co-based alloys or CoCr materials (e.g. L605®, Phynox®, MP35N®), nickel free iron-chromium-manganese alloys such as Vasculoy®, cobalt-nickel-chromium alloys such as Duratherm®, iron-chromium-nickel alloys such as Durinox®, iron-cobalt-nickel alloys such as Durnico® and Phytime ®, titanium alloys, tantalum and tungsten as well as ceramics made of aluminum oxide or zirconium dioxide.
  • stainless steel e.g. 316LVM®, 316L medical
  • Co-based alloys or CoCr materials e.g. L605®, Phynox®, MP35N®
  • nickel free iron-chromium-manganese alloys such as Vasculoy®
  • composition of Vasculoy® (weight %)
  • composition of Duratherm® 600 (in percent by weight)
  • composition of Durnico® (weight %)
  • Composition of Phytime® (weight %)
  • Metals and metal alloys are therefore suitable as matrix material.
  • examples are stainless steels, CoCr alloys, iron-chromium-manganese alloys, cobalt-nickel-chromium alloys, iron-chromium-nickel alloys, iron-cobalt-nickel alloys, titanium alloys, tantalum and tungsten, and aluminum oxide ceramics Zirconium dioxide ceramics.
  • the metals, metal alloys and ceramics are suitable as materials for dental implants.
  • abrasion resistance or "abrasion resistance” as used herein denotes a high resistance to abrasion, so that scraping and abrasion occur only to a small extent, which is normal in the dental field. A certain abrasion is tolerable and also unavoidable.
  • An advantage according to the invention is that the silver is homogeneously distributed in the matrix material, so that even in the event of abrasion, silver repeatedly comes to the surface, which prevents the formation of a biofilm.
  • Brittleness is a material property that describes the failure or fracture behavior. A brittle material can only be plastically deformed to a small extent and is therefore characterized by low ductility.
  • porosity represents the ratio of the void volume to the total volume of the matrix material and is made up of the sum of the voids that are connected to each other and to the environment (open porosity) and the voids that are not interconnected. It serves as a classifying measure of the actual present cavities.
  • the porosity can be represented by the following formula where V H denotes the void volume, V the total volume and V F the net volume of the solid.
  • the matrix materials used here have a high open porosity; they are therefore »open-pore porous «.
  • a porosity of the matrix material of less than 30%, preferably less than 20%, more preferably less than 15% has proven advantageous. With a porosity of 6% - 10%, corresponding to a silver content of 6% - 10%, the antibacterial effect is reduced and below 6% it is almost non-existent.
  • silver has an antibacterial and healing effect when it comes into contact with blood or tissue.
  • the antibacterial effect of silver is based on the permeabilization of the bacterial cell membrane and the formation of intracellular complexes with bacterial enzymes that are difficult to dissolve. This leads to the destruction of the bacterial respiratory chain and the inhibition of the DNA replication of the microorganisms.
  • the silver must be infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material, so that not only does the surface of the matrix material have an antibacterial effect, but a composite material is created which is antibacterial not only on its surface but throughout the entire material.
  • a distribution of the silver in the matrix material is achieved such that per arbitrarily selected unit volume of composite material, the same mass of matrix material and the equal masses of silver are included.
  • the deviations in the mass of matrix material and the mass of silver between two arbitrarily chosen volume units of the composite material are not more than 20%. Illustratively, this means the following.
  • FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a cross section of a porous tungsten matrix material.
  • the stored silver is shown in black. The distribution of the silver throughout the tungsten matrix material can be clearly seen.
  • the elemental silver content in the composite material is between 6% by weight and 30% by weight, more preferably between 7% by weight and 25% by weight, more preferably between 8% by weight and 20% by weight , more preferably between 9% and 17% and most preferably between 10% and 15% by weight silver based on the composite material.
  • the silver is also infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material in such a way that the pores are at least partially filled with elemental silver.
  • the pores of the matrix material are completely filled with elemental silver.
  • Composite material as used herein means the combination of matrix material and silver, with a certain amount of elemental silver being infiltrated into the pores of the open-pored, sintered matrix material. An antibacterial composite material is thus obtained which is not only antibacterial on its surface but also at any point within the composite material. The composite material in the medical implant therefore has no antibacterial coating.
  • the composite material is thus a new material made of matrix material and elemental silver distributed therein and not a matrix material with an antibacterial coating. This means that even with abrasion and even with heavy abrasion, the The antibacterial properties of the composite material are retained, since abrasion repeatedly causes silver to come to the surface of the composite material, thereby maintaining the antibacterial effect over the long term.
  • the composite material according to the invention combines both properties in an ideal way. It consists of a porous matrix material with infiltrated silver as an intramatrix filler.
  • the matrix material ensures stability and gives the composite material high abrasion resistance, and the infiltrated, homogeneously distributed silver ensures the antibacterial effect not only on the surface of the composite material and maintains the antibacterial effect even in the case of severe abrasion.
  • the composite material is neither an alloy nor a mixed crystal of silver and the components of the matrix material.
  • An alloy is a macroscopically homogeneous metallic material made up of at least two elements, at least one of which is a metal, and which together exhibit the metal-typical feature of metal bonding.
  • elemental silver is infiltrated into the pores of the matrix material and at least partially fills them. There is therefore no compound in which the silver atoms are integrated into the crystal structure of the matrix material.
  • the composite material according to the invention thus serves to reduce or prevent the formation and adhesion of a biofilm to the surface of the composite material.
  • the composite serves to permanently reduce or prevent the formation and adhesion of a biofilm to the surface of the composite while the composite is in the body.
  • the composite material according to the invention can be produced in a sintering process and subsequent silver infiltration.
  • a further aspect of the present invention lies in a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps:
  • step B) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pore, porous sintered compact with a porosity of 6% to 30%;
  • step D) infiltration of the open-pored porous sintered body according to step C) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
  • the sintering process can be carried out using a pressed sinter blank, a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material, using laser sintering of powder layers of the matrix material, or using a 3D-printed sinter blank.
  • a sintered blank is pressed from fine-grained metal or ceramic powder or from a mixture of different grain sizes of a metal or ceramic powder.
  • the sintered blank usually already has the desired shape
  • the sintered matrix material i.e. the sintered part, must have open porosity.
  • the porosity of the sintered part must be large enough that silver can infiltrate the matrix material and then there is enough silver in the matrix material or in the composite material to ensure an antibacterial effect.
  • the porosity should only be so large that as little expensive silver as possible is consumed and the abrasion resistance of the matrix material is retained or only slightly reduced.
  • a porosity of the matrix material of less than 30%, preferably less than 20%, more preferably less than 15% has proven advantageous. With a porosity of 6% - 10%, corresponding to a silver content of 6% - 10%, the antibacterial effect is reduced and below 6% it is almost non-existent.
  • a further aspect of the present invention lies in a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps: A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
  • step B pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
  • step B) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pore, porous sintered compact with a porosity of 6% to 30%;
  • step D) infiltration of the open-pored porous sintered body according to step C) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
  • the method for producing the composite material described herein comprises the following steps:
  • step B pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
  • step B) sintering of the sintered blank according to step B) with or without application of pressure by heat treatment below the melting temperature of the matrix material to form an open-pore, porous sintered compact with a porosity of 6% to 30%;
  • step D) infiltration of the open-pored porous sintered body according to step C) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
  • the porosity according to step C) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and
  • the sintered blank is preferably already produced in the shape of the desired workpiece or molded part.
  • step D) the pores of the open-pore porous sintered compact according to step C) are preferably completely filled with elemental silver.
  • the composite material according to the invention can also be produced by means of laser sintering and subsequent silver infiltration:
  • a more recent method is the production of the sintered parts using what is known as selective laser sintering (SLS), an additive manufacturing method to produce three-dimensional structures by sintering with a laser beam from a powdery starting material.
  • SLS selective laser sintering
  • a powder or a powder mixture of matrix material is applied to a construction platform in a thin layer over the entire surface.
  • the component contour is gradually sintered or melted into the powder bed layer by layer by rapid lateral deflection of the laser beam in the x and y directions, according to the respective layer contour of the component.
  • the beam energy of the focused laser beam is absorbed by the powder and leads to locally limited sintering of the powder particles.
  • the construction platform is lowered slightly after each laser sintering/melting process and a new layer of powder is applied.
  • the workpiece is thus built up layer by layer.
  • the remaining powder is simply removed and some of it can be reused for the next run.
  • an abrasion-resistant, open-pored porous sintered part can be produced. This method offers the advantage of being able to create almost any shape.
  • the present patent application relates to a method for producing a molded part from the composite material described herein, comprising the following steps:
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step B) sintering of the applied thin layer according to step B) by means of a laser
  • the porosity of the molding is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step E the pores of the molding are preferably completely filled with elemental silver.
  • the composite material according to the invention can also be produced using the 3D printing process (binder jetting) and subsequent silver infiltration:
  • the binder jetting process creates a molded part in layers from a powdered starting material.
  • the powdered starting material is bonded with a liquid binding agent (binder) at selected points of each powder layer.
  • a powder or a powder mixture of matrix material is applied to a construction platform in a thin layer over the entire surface.
  • the powder layer is then bonded with a binder at the points that belong to the workpiece.
  • the binder is applied with a print head.
  • the construction platform is lowered slightly after each binder printing process, and a new layer of powder and additional binder is applied.
  • the workpiece is thus built up layer by layer.
  • the binder is thermally cured and the remaining loose powder is easily removed and partially reused for the next run.
  • the workpiece can then be debound by thermally driving out the binder or the binder components, with the workpiece being sintered.
  • the present patent application relates to a method for producing a molded part from the composite material described herein, comprising the following steps:
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
  • the porosity of the molding according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step E) the pores of the molding according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
  • the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
  • step D4 sintering the molding according to step D2) to form an open-pored porous sintered part with a porosity of 6% to 30%, and removing the binder in the process,
  • step D4 infiltrating the open-pored porous sintered body according to step D4) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
  • the porosity of the sintered compact according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step E the pores of the sintered compact according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
  • Subsequent infiltration of the pores with elemental silver can be achieved by immersing the sintered part in a silver melt or by galvanic deposition.
  • the sintered part is immersed in molten silver under negative pressure conditions and silver is thus immersed in the open-pored sintered material infiltrated.
  • the negative pressure ensures that the silver penetrates and fills all pores of the sintered part.
  • the matrix material would also melt if it consisted of materials having a melting point below the melting point of silver. Accordingly, in this process, materials must be selected that have a higher melting point than the melting point of silver, i.e. greater than 962 °C.
  • one embodiment of the present invention relates to a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps:
  • step B producing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
  • step B) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered body with a porosity of 6% to 30%;
  • step D1) immersing the open-pore porous sintered body according to step C) under reduced pressure conditions in molten elemental silver until the pores are filled with elemental silver;
  • step D2) Removal of the sintered part according to step D1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
  • the method for producing the composite material described herein comprises the following steps:
  • step B pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
  • step B) sintering of the sintered blank according to step B) with or without application of pressure by heat treatment below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered compact with a porosity of 6% to 30%;
  • step D1) immersing the open-pore porous sintered body according to step C) under reduced pressure conditions in molten elemental silver until the pores are filled with elemental silver; D2) Removal of the sintered part according to step D1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
  • the porosity according to step C) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • the sintered blank is preferably already produced in the shape of the desired workpiece or molded part.
  • step D1) the pores of the open-pore porous sintered compact according to step C) are preferably completely filled with elemental silver.
  • a method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step B) sintering of the applied thin layer according to step B) by means of a laser
  • step E1 dipping the shaped part according to step D) into molten elemental silver under vacuum conditions until the pores are filled with elemental silver
  • step E2) Removal of the molding according to step E1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
  • the porosity of the molding according to step D) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step E1) the pores of the molding according to step D) are completely filled with elemental silver.
  • the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
  • step C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
  • step D4 immersing the open-pored porous sintered body according to step D4) under reduced pressure conditions in molten elemental silver until the pores are filled with elemental silver, and
  • step E2) Removal of the sintered part according to step E1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
  • the porosity of the molding according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step E1) the pores of the molding according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
  • the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
  • step E4) sintering of the molded part according to step E2) to form an open-pored sintered part with a porosity of 6% to 30% and expulsion of the binder, F1) dipping the sintered part according to step E4) into molten elemental silver under reduced pressure conditions until the pores are filled with elemental silver, and
  • step F2) Removal of the sintered part according to step F1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
  • the porosity of the sintered compact according to step E4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step F1 the pores of the sintered body are preferably completely filled with elemental silver in accordance with step E4).
  • the infiltration with elementary silver can also be carried out by separating silver from an aqueous solution containing silver ions (silver bath), through which electric current is passed by means of two electrodes (cathode and anode). Elemental silver then infiltrates into the pores of the sinter when it is in contact with the cathode.
  • a further embodiment of the present invention relates to a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps:
  • step B producing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
  • step B) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered body with a porosity of 6% to 30%;
  • step D′1 immersing the open-pore porous sintered body according to step C) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver;
  • step D'2) Removal of the sintered part according to step D'1) from the silver bath.
  • the method for preparing the composite material described herein comprises the following steps: A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
  • step B pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
  • step B) sintering of the sintered blank according to step B) with or without application of pressure by heat treatment below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered compact with a porosity of 6% to 30%;
  • step D′1 immersing the open-pore porous sintered body according to step C) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver;
  • step D'2) Removal of the sintered part according to step D'1) from the silver bath.
  • the porosity according to step C) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and
  • the sintered blank is already provided in the desired shape
  • step D′1 the pores of the open-pore porous sintered compact according to step C) are preferably completely filled with elemental silver.
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step B) sintering of the applied thin layer according to step B) by means of a laser
  • step E1) immersing the shaped part according to step D) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver;
  • step E2) removal of the molding according to step E1) from the silver bath.
  • the porosity of the molding according to step D) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • the pores of the molding according to step D) are completely filled with elemental silver.
  • the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
  • step E1 immersing the open-pored porous sintered body according to step D4) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver; and E2) removal of the molding according to step E1) from the silver bath.
  • the porosity of the molding according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step E1) the pores of the molding according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
  • the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
  • step B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
  • step B) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B); D1) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
  • step D4 sintering of the molded part according to step D3) to form an open-pored porous sintered part with a porosity of 6% to 30% and expulsion of the binder,
  • step E1) immersing the sintered part according to step D4) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver; and E2) removing the sintered part according to step E1) from the silver bath.
  • the porosity of the sintered compact according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
  • step E1 the pores of the sintered compact according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
  • the composite material according to the invention with silver infiltration should preferably be used in orthodontics for braces brackets. Due to the high-strength matrix material, the silver-infiltrated composite material withstands the high abrasive loads in the oral cavity. Surprisingly, the silver in the pores exhibits such a great antibacterial “remote action” that there is very little to no adhesion of a biofilm, even if the silver does not cover the entire surface like a coating. This was clearly demonstrated in a clinical study, as explained below.
  • the present invention thus preferably relates to dentistry and is intended to reduce or prevent the accumulation of bacteria on surfaces located intraorally (in the oral cavity).
  • a composite material with infiltrated silver was developed for this purpose.
  • the metal or ceramic matrix material ensures abrasion resistance and the infiltrated silver provides the antibacterial effect.
  • the formation of a biofilm and the associated negative consequences for the teeth, the periodontium and other collateral diseases are avoided.
  • the antibacterial effect of the composite material according to the invention was demonstrated in the field of orthodontics on bracket material for braces.
  • the otherwise resulting three-dimensional biofilm structure of bacteria, embedded in a matrix of extracellular polysaccharides, is prevented as soon as the fixed appliance is inserted.
  • the bacteria that normally metabolize the supplied carbohydrates into organic acids and thereby create an acidic anaerobic environment are not present.
  • no calcium and phosphate ions are released from the crystal lattice structure of the tooth enamel.
  • the present invention prevents the initial stage of a carious lesion of the tooth.
  • no whitish irreversible decalcification of the enamel is clinically visible.
  • the invention on which it is based satisfies the need to carry out gentle orthodontic treatment using preventive treatment concepts as part of increasing health awareness and as a result of clinical necessity.
  • the bracket material also withstands the highly abrasive loads to which orthodontic appliances are exposed as a result of shearing forces in the oral cavity.
  • the composite material developed for e.g. brackets of dental braces itself has antibacterial properties according to the invention.
  • the brackets made of the composite material according to the invention withstand the strong shearing forces in the oral cavity caused by the tongue and cheek.
  • the antibacterial protective effect is permanent. The regular orthodontic treatment time for a fixed therapy is approx. 18 - 24 months. For this entire period, an antibacterial effect to prevent "white spot lesions" has been demonstrated by the composite material.
  • the investigations of the abrasion behavior have shown that the biofilm formation is significantly reduced over the entire therapy period.
  • the composite material with infiltrated silver withstands the shear forces acting in the oral cavity. Even if the matrix material wears off during long-term use in the oral cavity, the silver infiltration in the base material means that there is always enough silver on the pore surface to ensure the antibacterial effect. This is also the clear advantage over the conventional antibacterial coatings, which do not withstand the abrasive load for long, so that an initially clear antibacterial effect is lost quite quickly.
  • the infiltration and homogeneous distribution of the silver in the matrix material and thus in the composite material guarantees a consistently good and, above all, long-lasting antibacterial effect even in the case of heavy abrasion.
  • the present invention relates to medical implants which contain the composite material according to the invention or consist of the composite material.
  • the medical implants described herein which consist of the composite material or the medical implants described herein which contain the composite material or components made of the composite material are particularly suitable for being subjected to shear forces and abrasion forces.
  • These medical implants can be short-term medical implants or long-term medical implants and preferably long-term dental implants.
  • anchoring devices such as transpalatal arches and lingual arches, which should also consist of antibacterial materials.
  • mini-screws which are fixed for anchoring with the threads in the jawbone while the screw head remains exposed in the oral cavity, are an important area of application of the present invention.
  • Ceramic tooth inlays and metallic or ceramic tooth crowns are another area of application for the composite material.
  • examples of medical implants are in particular dental implants of all kinds such as brackets, orthodontic arches, ligatures and bands, dental anchorage devices such as transpalatal arches and lingual arches, temporary anchorage devices (e.g. minipins, palatal implants, bollard pins), mini screws, dental inlays and metal or ceramic ones ready-made dental crowns.
  • dental implants of all kinds such as brackets, orthodontic arches, ligatures and bands, dental anchorage devices such as transpalatal arches and lingual arches, temporary anchorage devices (e.g. minipins, palatal implants, bollard pins), mini screws, dental inlays and metal or ceramic ones ready-made dental crowns.
  • Dental implants such as brackets, transpalatal arches, lingual arches, mini-screws, dental inlays and metal or ceramic dental crowns can be made entirely of the composite material or contain only certain areas that have been made of the composite material. In the case of braces as a dental implant, only the brackets are usually made of the composite material.
  • the composite material disclosed herein is preferably used for dental implants, other medical products and, above all, other implants that are also exposed to strong forces or pressures can also be manufactured from it.
  • the composite material with infiltrated silver can be used as an implant material in orthopedics to prevent inflammation in knee implants, for example.
  • other medical products are orthopedic implants such as joint implants, especially knee implants, intervertebral implants, bone wedges or bone screws.
  • the great advantage of the composite material according to the invention is that this composite material is antibacterial per se and thus an antibacterial coating is unnecessary and thus also a further work step of applying an antibacterial coating to the medical implant or parts thereof.
  • the present invention is the result of extensive biofilm research. None of the previous materials or material or surface modifications have shown satisfactory long-term antibacterial effects in numerous clinical studies. On the other hand, the composite material with silver infiltration has a strong long-term antibacterial effect and thus prevents or completely prevents the formation of a biofilm. Surprisingly, a closed silver surface is not required as with a coating to comprehensively reduce or prevent biofilm. Even composite materials with a silver content of less than 20%, whose interstices are filled with silver, show an excellent long-term antibacterial effect.
  • the present invention has pursued a novel approach to effectively reduce the formation of biofilms, e.g. on orthodontic fixed appliances, and to produce a long-term antibacterial effect.
  • the composite material with infiltrated silver developed according to the invention, it could be demonstrated that even with silver contents of less than 20%, preferably less than 15%, there are strong antibacterial properties, with silver contents of less than 10%, but a minimum silver content of 6%, there are still sufficient antibacterial properties and these antibacterial property persists even under abrasive conditions.
  • the composite material is biocompatible.
  • the composite material according to the invention differs significantly from the previous bracket materials on the market. Due to its inherent antibacterial effect, additional antibacterial coatings on the brackets are not necessary.
  • the present invention thus combines antibacterial properties with long-lasting antibacterial protection to prevent an intraoral biofilm for the first time.
  • FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a cross section of a porous matrix material (here tungsten) with infiltrated, homogeneously distributed silver (black).
  • FIG. 2 shows a tooth cleaning machine for determining the abrasion resistance of brackets made of conventional stainless steel and of tungsten with infiltrated, homogeneously distributed silver.
  • Example 1 Production of the Composite Material According to FIG. 1
  • various fine-grain fractions of tungsten powder (different grain sizes) were combined and mixed over a longer period of time in order to obtain a uniform distribution of the grain sizes in the powder.
  • the powder mixture was pressed in tools under high pressure to form so-called "green compacts".
  • the green compacts already have the shape of the end product.
  • thin discs with a diameter of 20 mm and a wall thickness of 2 mm were produced.
  • the blanks (green compacts) were then sintered, i.e. "baked" at high temperatures, which are below the melting temperatures of tungsten here.
  • the sintering process takes place in a protective gas atmosphere or in a vacuum.
  • the finished sinters were then immersed in liquid silver. This is done in a vacuum so that all pores are completely filled with silver.
  • the silver-containing discs were ground down on both sides to a wall thickness of 0.6 mm and cut to the outer dimensions of the brackets using a laser.
  • Example 2 Scanning electron microscope image according to FIG. 1
  • the brackets were attached to a sample holder and placed in the sample chamber of the scanning electron microscope from TESCAN, type Vega3—without further sample preparation.
  • the recording of the sintered structure was created using the so-called BSE method (backscattered electrons), which enables a good material contrast.
  • BSE method backscattered electrons
  • the light areas represent the tungsten grains surrounded by dark (black) silver.
  • Example 3 Abrasion Tests on a Silver-Infiltrated Composite Material
  • endurance tests were carried out with a tooth cleaning machine on samples made from conventional stainless steel brackets and, for comparison, from a silver-infiltrated composite metal made from silver-infiltrated tungsten (see FIG. 2).
  • the tooth brushing process was simulated for a period of 2 years with rotating toothbrushes, an oscillating linear relative movement between toothbrush and metal surface and the addition of abrasive toothpaste.
  • the material removal of less than 50 ⁇ m in the bracket wall thickness is acceptable for a wearing period of 2 years.
  • the brackets made of composite material are therefore sufficiently resistant to abrasion.
  • the decisive factor is that with each removal, the silver in the pores is exposed, i.e. it is present on the bracket surface and ensures a permanent antibacterial effect.
  • Example 4 Clinical study to prove the antibacterial effect of brackets
  • carrier splints were worn intraorally, which were fitted with brackets made of conventional stainless steel and, in comparison, made of composite metal (here tungsten) with silver infiltration.
  • the new composite material made of tungsten with a silver infiltration that was produced for the study was initially available in discs with a diameter of 19.3 mm and a thickness of 2.0 mm. Using a belt grinder, the blanks were reduced to an average wall thickness of 0.64 mm. The samples were then cut to an edge length of 5.0 x 5.0 mm using a laser.
  • Test specimens made from conventionally available stainless steel bracket material with material number 1.4456 were used as a control group and cut to the same specimen size.
  • Bonded metal specimens and the control specimen were determined using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
  • EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • a toothbrushing machine was designed and built to simulate the abrasive stress on the brackets caused by daily brushing. It was assumed that the brackets were cleaned twice a day for two minutes each time with an average wearing time of 24 months. This period could be reproduced using the designed toothbrushing machine by continuously treating the samples for two hours.
  • the study design created the same starting conditions as possible. Twelve healthy volunteers (six women and six men) aged between 21 and 30 years were included in the clinical study. All twelve subjects could be included in the study in compliance with the test protocol created. By means of a periodontal screening of the twelve subjects, it was verified that the study was being carried out under periodontally healthy oral conditions. Various periodontal indices, including the approximal plaque index as an indicator of the prevailing oral hygiene, were collected. Other risk criteria that change the composition of the microbial flora were excluded. These include pregnancy, smoking, general illnesses, removable dentures and the possible use of antibiotics in the last six weeks before the start of the study.
  • a plastic mini-splint was manufactured using a deep-drawing process.
  • plastic pads were attached to the miniplast splint in the posterior region. These pads were attached to a retaining wire at a small distance from the miniplast splint using the spray and scatter method, so that saliva circulation between the splint and the holding pad was perfectly possible.
  • the rails were then fitted with the test specimens to be examined.
  • the adhesive points on the splints were roughened using sandpaper.
  • a wearing time of 48 hours was determined in several preliminary tests on test persons. During this time, oral hygiene and alcohol consumption had to be suspended in order not to provoke falsification of the biofilm formed by cleaning the test specimens. For eating, the splints were removed for a maximum of 40 minutes and stored in a humid environment.
  • the splints were removed from the subjects and the biofilm formed was marked with a live/dead fluorescent stain and fixed with glutaraldehyde.
  • the three-dimensional quantitative analysis of the fluorescence-stained biofilm was performed using confocal laser scanning microscopy (CLSM).
  • CLSM confocal laser scanning microscopy
  • bracket samples made of the silver-infiltrated tungsten composite metal showed a significantly reduced biofilm volume compared to the conventional stainless steel bracket material: a) For untreated bracket samples, the biofilm volume for the standard brackets made of stainless steel is 1,000,000 pm 3 on average and for the brackets made of silver-infiltrated composite metal on average only 280,000 pm 3 for LowAg and 120,000 pm 3 for HighAg (see Fig. 3).
  • the average biofilm volume for the standard brackets made of stainless steel is 1,600,000 pm 3 and for the brackets made of silver-infiltrated composite metal on average only ⁇ 420,000 pm 3 for LowAg or 230,000 pm 3 for HighAg (see Figure 4).
  • Fig. 4 shows that even with bracket material samples that were previously exposed to abrasion in the toothbrush machine (see Fig. 2), there is a significant reduction in the biofilm volume, ie the effect of the silver infiltrated in the matrix material is permanently retained despite abrasion of the edge layer.
  • the antibacterial effect of the silver in the composite material is clearly shown when the biofilm, consisting of a large number of bacteria, is fluorescently stained after the intraoral wearing time and then evaluated under a confocal laser scanning microscope. 5 shows live bacteria in light and dead bacteria in dark.

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Abstract

The present invention relates to a composite material made of an open-pored porous, sintered matrix material and elemental silver, wherein the elemental silver is infiltrated into the pores of the open-pored porous, sintered matrix material, the content of silver in the composite material is between 6% by weight and 30% by weight and the open-pored porous, sintered matrix material consists of at least one metal, at least one metal alloy or at least one ceramic, to processes for producing this composite material and to medical implants containing this composite material. The composite material is especially suitable for reduction and avoidance of biofilm formation.

Description

Verbundmaterial mit Silberinfiltration als antibakterieller Matrixwerkstoff insbesondere zur Biofilmreduktion Composite material with silver infiltration as an antibacterial matrix material, in particular for biofilm reduction
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial aus einem offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoff und elementarem Silber, wobei das elementare Silber in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs infiltriert ist, der Gehalt an Silber im Verbundmaterial zwischen 6 Gew.-% und 30 Gew.-% liegt, und der offenporig poröse, gesinterte Matrixwerkstoff aus mindestens einem Metall, mindestens einer Metalllegierung oder mindestens einer Keramik besteht, sowie Verfahren zur Herstellung dieses Verbundmaterials und medizinische Implantate enthaltend dieses Verbundmaterial. Das Verbundmaterial ist insbesondere zur Reduktion und Vermeidung von Biofilmbildung geeignet. The present invention relates to a composite material made from an open-pore, porous, sintered matrix material and elemental silver, the elemental silver being infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material, the silver content in the composite material being between 6% by weight and 30% by weight. % is, and the open-pored, porous, sintered matrix material consists of at least one metal, at least one metal alloy or at least one ceramic, as well as methods for producing this composite material and medical implants containing this composite material. The composite material is particularly suitable for reducing and avoiding biofilm formation.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ferner ein antibakterielles Verbundmaterial für medizinische Implantate, vorzugsweise medizinische Langzeitimplantate insbesondere zur Anwendung als Bracketmaterial in der Kieferorthopädie. Es wird keine oberflächliche Beschichtung aufgebracht, sondern antibakterielles Silber mittels einer Infiltration z.B. in die Poren eines Sinterlings aus Metall oder Keramik eingebracht. Das Silber bildet dabei keine geschlossene Oberfläche, besitzt aber eine ausreichende Fernwirkung, um eine Biofilmanhaftung großflächig zu verhindern. The present invention also describes an antibacterial composite material for medical implants, preferably long-term medical implants, in particular for use as bracket material in orthodontics. No surface coating is applied, but antibacterial silver is introduced by means of infiltration, e.g. into the pores of a metal or ceramic sinter. The silver does not form a closed surface, but has a sufficient long-distance effect to prevent biofilm adhesion over a large area.
Stand der Technik State of the art
Die Biofilmbildung im oralen Milieu ist eines der zentralen Probleme in der Zahnmedizin. Mikroorganismen lösen Karies, Parodontopathien und andere Zahnerkrankungen aus, welche die hauptsächlich zu behandelnden Erkrankungen in der Zahnmedizin darstellen. Biofilm formation in the oral environment is one of the central problems in dentistry. Microorganisms trigger caries, periodontal diseases and other dental diseases, which are the main diseases to be treated in dentistry.
Unzureichende Mund- und Zahnhygiene und die damit einhergehende Biofilmbildung führt bei Patienten aller Altersgruppen zu Zahnkaries, auch kurz Karies genannt. Gemäß Wikipedia ist Karies „eine multifaktoriell bedingte destruierende Erkrankung der Zahnhartgewebe, Zahnschmelz und Dentin. Sie entsteht unter Beteiligung von Mikroorganismen und geht von einer durch Säureeinwirkung „entkalkten“ Zahnoberfläche aus.“ Inadequate oral and dental hygiene and the associated biofilm formation leads to tooth decay in patients of all ages, also known as caries for short. According to Wikipedia, tooth decay is “a multifactorial destructive disease of hard tooth tissue, enamel and dentine. It develops with the participation of microorganisms and starts from a tooth surface that has been “decalcified” by the action of acids.”
Die Biofilmbildung begünstigt außerdem die Entstehung von Parodontitis, also einer entzündlichen Erkrankung des gesamten Zahnhalteapparates inklusive dem Kieferknochen. Insbesondere erwachsene Patienten sind durch das Anhaften von Plaque an intraoralen Oberflächen einem erhöhten Parodontitis-Risiko ausgesetzt. In der Folge können chronische Parodontitiden entstehen oder sich verstärken, die bei Nichtbehandlung zu Zahnlockerungen durch Attachmentverlust und in Extremfällen letztlich zu Zahnverlust führen können. Biofilm formation also promotes the development of periodontitis, i.e. an inflammatory disease of the entire periodontium including the jawbone. Adult patients in particular are affected by the attachment of Plaque on intraoral surfaces is at increased risk of periodontitis. As a result, chronic periodontitis can develop or worsen, which, if left untreated, can lead to loosening of the teeth due to loss of attachment and, in extreme cases, ultimately to tooth loss.
Wissenschaftlich ist auch eine enge Assoziation dieser oralen Plaqueakkumulation mit systemischen Erkrankungen des Körpers nachgewiesen, wie beispielsweise arteriosklerotische Veränderungen der blutführenden Gefäße. A close association of this oral plaque accumulation with systemic diseases of the body, such as arteriosclerotic changes in the blood vessels, has also been scientifically proven.
Die unerwünschte Biofilmbildung ist auch in der Kieferorthopädie von immenser Bedeutung und betrifft insbesondere die große Patientengruppe von Jugendlichen im pubertären Alter, deren Motivation im Bereich der Zahnpflege häufig verhalten ausfällt. Erschwerend kommt hinzu, dass durch pubertäre Hormonumstellungen junge Patienten anfälliger gegenüber Gingivitis sind, einer bakteriell verursachten Entzündung des marginalen Zahnfleisches. Undesirable biofilm formation is also of immense importance in orthodontics and particularly affects the large patient group of young people in puberty, whose motivation in the field of dental care is often restrained. To make matters worse, young patients are more susceptible to gingivitis, an inflammation of the marginal gums caused by bacteria, due to pubertal hormonal changes.
Zunehmend wünschen auch erwachsene Patienten eine Korrektur ihrer Zahnfehlstellung, da der Stellenwert einer kieferorthopädischen Behandlung von Zahn- und Kieferfehlstellungen in der Gesellschaft deutlich zugenommen hat. Dieser Zuwachs ist zum einen mit dem steigenden Gesundheitsbewusstsein der Bevölkerung und zum anderen mit den erweiterten therapeutischen Möglichkeiten im Bereich der Kieferorthopädie zu erklären. Behandlungen mit vollständig individuellen lingualen Apparaturen ermöglichen mittlerweile eine präzise kieferorthopädische Zahnstellungskorrektur nahezu ohne ästhetische Beeinträchtigungen. Adult patients also increasingly want their misaligned teeth to be corrected, since the importance of orthodontic treatment of misaligned teeth and jaws has increased significantly in society. This growth can be explained on the one hand by the increasing health awareness of the population and on the other hand by the extended therapeutic possibilities in the field of orthodontics. Treatments with completely individual lingual appliances now enable precise orthodontic tooth position correction with almost no aesthetic impairments.
Festsitzende kieferorthopädische Apparaturen, unabhängig von einer bukkalen oder lingualen Insertion, erfordern aufgrund der komplexen Geometrie einen hohen Reinigungsaufwand. Damit einhergehend ist eine ausgesprochen gute Compliance des Patienten nötig, wenn das Auftreten unerwünschter Nebenwirkungen wie die Demineralisation des Zahnschmelzes, Entstehung von Karies oder parodontale Veränderungen reduziert werden soll. Insbesondere wird die Entstehung von Demineralisationen (Dekalzifikationen) des Zahnschmelzes als Folge der Biofilmbildung im oralen Milieu als zentrales Problem der Kieferorthopädie angesehen. Fixed orthodontic appliances, regardless of a buccal or lingual insertion, require a lot of cleaning due to their complex geometry. This goes hand in hand with extremely good patient compliance if the occurrence of undesirable side effects such as demineralization of tooth enamel, the development of caries or periodontal changes is to be reduced. In particular, the development of demineralization (decalcification) of the tooth enamel as a result of biofilm formation in the oral environment is regarded as a central problem in orthodontics.
Da die Fallzahlen von behandelten Patienten mit festsitzenden Apparaturen und das Patientenalter ansteigen, liegt ein wesentlicher Fokus der klinischen Forschungstätigkeit darin, das Auftreten solcher, durch ärztliche Behandlung entstandener (iatrogene) Effekte während der kieferorthopädischen Therapie zu vermeiden. As the case numbers of patients treated with fixed appliances and the patient age increase, a major focus of clinical research is the occurrence of such, through medical treatment to avoid the (iatrogenic) effects that have arisen during orthodontic therapy.
Bis dato ist selbst bei sehr guter Patientencompliance die Biofilmvermeidung auf kieferorthopädischen Behandlungsapparaturen nicht möglich. Die Zahnreinigung ist bei kieferorthopädischen Apparaturen, insbesondere bei festsitzenden Behandlungsapparaturen, erschwert. Festsitzende kieferorthopädischeTo date, biofilm avoidance on orthodontic treatment appliances has not been possible, even with very good patient compliance. Tooth cleaning is made more difficult with orthodontic appliances, especially with fixed treatment appliances. Fixed orthodontic
Behandlungsapparaturen, wie z.B. Brackets, weisen aufgrund ihrer Geometrie schwer zu reinigende Nischen auf, was bei insuffizienter Mundhygiene zu Demineralisationen des Zahnschmelzes im Bracketumfeld führen kann. Treatment devices, such as brackets, have niches that are difficult to clean due to their geometry, which can lead to demineralization of the tooth enamel in the area around the brackets if there is insufficient oral hygiene.
Mit der mehrmals täglichen, gründlichen Reinigung der Zähne kann man der Biofilmbildung entgegenwirken, ohne diese jedoch ganz beseitigen zu können. Ein dünnes Zahnschmelzoberhäutchen aus adsorbierten Proteinen ermöglicht bakteriellen Frühbesiedlern unmittelbar nach einer mechanischen Entfernung des Biofilms die Anhaftung auf dem Zahnschmelz. Im Folgenden wächst die Plaque durch Akkumulation von Spätbesiedlern weiter an. Die so entstehende dreidimensionale Biofilmstruktur aus Bakterien, eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären Polysacchariden, kann im Verhältnis zueinander sehr unterschiedlich sein. Je nach Bakterienart und den umgebenden Bedingungen differiert der Bakterienanteil in der Matrix entweder zwischen 2 - 15 Vol.% oder 60 - 70 Vol.%. In diesem Zustand ist der Biofilm durch die Selbstreinigungseffekte der Mundhöhle nicht mehr zu beseitigen. Die Bakterien verstoffwechseln zugeführte Kohlenhydrate zu organischen Säuren und ein saures anaerobes Milieu entsteht. In der Folge werden Calcium- und Phosphationen aus der Kristallgitterstruktur des Zahnschmelzes herausgelöst. Langfristig werden diese Dekalzifikationen des Zahnschmelzes als irreversible weiße Flecken, sogenannte „white spot lesions“ sichtbar. You can counteract the formation of biofilms by cleaning your teeth thoroughly several times a day, but without being able to completely eliminate them. A thin enamel membrane made of adsorbed proteins enables early bacterial colonizers to adhere to the enamel immediately after mechanical removal of the biofilm. The plaque then continues to grow due to the accumulation of late colonists. The resulting three-dimensional biofilm structure of bacteria, embedded in a matrix of extracellular polysaccharides, can be very different in relation to each other. Depending on the type of bacteria and the surrounding conditions, the proportion of bacteria in the matrix varies between 2 - 15% by volume or 60 - 70% by volume. In this state, the biofilm can no longer be eliminated by the self-cleaning effects of the oral cavity. The bacteria metabolize carbohydrates into organic acids and an acidic anaerobic environment is created. As a result, calcium and phosphate ions are released from the crystal lattice structure of the tooth enamel. In the long term, this decalcification of the enamel becomes visible as irreversible white spots, so-called "white spot lesions".
Die „White spot lesions“ sind das initiale Stadium einer kariösen Läsion des Zahnes. Bei anhaltendem sauren Milieu und fortschreitenden Demineralisationsvorgängen mündet die initiale Schmelzkaries in eine Dentinkaries. The "white spot lesions" are the initial stage of a carious lesion of the tooth. If the acidic environment persists and demineralization processes progress, the initial enamel caries leads to dentine caries.
Erschwerend kommt hinzu, dass eine reguläre festsitzende kieferorthopädische Therapie in der Regel ca. 18 - 24 Monate dauert. Über diesen gesamten Behandlungszeitraum sind die Brackets auf den Zähnen fixiert und mittels Bögen und Ligaturen miteinander verbunden. Das kieferorthopädische Material, welches zu Behandlungsbeginn inseriert wurde, ist also über einen sehr langen Zeitraum in der Mundhöhle exponiert und den intraoralen Bedingungen ausgesetzt. In der aktuellen medizinischen und zahnmedizinischen Forschung besteht das Bestreben, diese mikrobielle Besiedlung auf Werkstoffoberflächen in der Mundhöhle ab initio, d.h. ab Insertionszeitpunkt, zu vermeiden. To make matters worse, regular fixed orthodontic therapy usually lasts around 18-24 months. During the entire treatment period, the brackets are fixed to the teeth and connected to each other with archwires and ligatures. The orthodontic material, which was inserted at the beginning of the treatment, is therefore exposed in the oral cavity and exposed to the intraoral conditions for a very long time. In current medical and dental research, efforts are being made to avoid this microbial colonization on material surfaces in the oral cavity ab initio, ie from the time of insertion.
Um die unerwünschten klinischen Nebenwirkungen von festsitzenden Behandlungsapparaturen zu minimieren, gibt es verschiedene Strategien. Im Zuge des steigenden Gesundheitsbewusstseins gewinnen dabei präventive Behand lungskonzepte zur Biofilmreduzierung zunehmend an Bedeutung. There are various strategies to minimize the undesired clinical side effects of fixed treatment appliances. In the course of increasing health awareness, preventive treatment concepts for biofilm reduction are becoming increasingly important.
Generell wird angestrebt, dem günstigen Vermehrungsmilieu für Mikroorganismen im Mund durch verbesserte orale Hygiene zu begegnen oder dentale Werkstoffe mit verminderter Biofilmaffinität (jeweils abhängig vom Material und deren Oberfläche) auszuwählen oder die kieferorthopädischen Apparaturen mit bakteriziden Eigenschaften zu versehen. In general, the aim is to counteract the favorable propagation environment for microorganisms in the mouth through improved oral hygiene or to select dental materials with reduced biofilm affinity (in each case depending on the material and its surface) or to provide the orthodontic appliances with bactericidal properties.
Die verschiedenen existierenden Konzepte, um Demineralisationen des Zahnschmelzes während einer kieferorthopädischen Behandlung zu reduzieren, werden im Folgenden dargestellt. a) Verbesserung der individuellen Mundhygiene The various concepts that exist to reduce demineralization of tooth enamel during orthodontic treatment are presented below. a) Improvement of individual oral hygiene
Ein präventiver Ansatz liegt in der Patientenmotivation und -lenkung. Hier steht die Verbesserung der häuslichen Mundhygiene im Vordergrund. Darüber hinaus ist die Reduktion des oralen Biofilms im Rahmen der halbjährlich durchzuführenden professionellen Zahnreinigung von großer Bedeutung. Außerdem kann eine Erhöhung der Säureresistenz des Zahnschmelzes durch regelmäßige häusliche und in-office Fluoridierung erreicht werden. Es wird die Anwendung antimikrobieller bzw. fluoridhaltiger Mundspüllösungen empfohlen, mittels derer die Biofilmbildung merklich reduziert werden kann. Ziel ist unter anderem die effektive Reduzierung des kariogenen Bakteriums Streptococcus mutans sowie die hemmende Wirkung gegenüber Aggregatibacter actinomycetemcomitans. A preventive approach lies in patient motivation and guidance. The focus here is on improving oral hygiene at home. In addition, the reduction of the oral biofilm is of great importance as part of the professional tooth cleaning that is to be carried out every six months. In addition, an increase in the acid resistance of the tooth enamel can be achieved by regular home and in-office fluoridation. The use of antimicrobial or fluoride-containing mouthwash solutions, which can noticeably reduce the formation of biofilms, is recommended. One of the aims is to effectively reduce the cariogenic bacterium Streptococcus mutans and to have an inhibitory effect on Aggregatibacter actinomycetemcomitans.
Wie zuvor erläutert, lässt sich jedoch selbst bei guter Patientencompliance und einer guten Mundhygiene eine Biofilmbildung nur verringern, aber nicht vermeiden. b) Fluoridhaltige orthodontische Klebstoffe However, as explained above, even with good patient compliance and good oral hygiene, biofilm formation can only be reduced but not avoided. b) Fluoride-containing orthodontic adhesives
Zum Einsatz kommen Befestigungsadhäsive (Klebstoffe zur Befestigung der Brackets), die mit Fluorid-Nanopartikeln versetzt sind. Diese fluoridhaltigen Befestigungsmaterialien führen zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit der Zahnhartsubstanz gegen ein saures anaerobes Milieu und somit zur geringeren Demineralisation des Schmelzes. So konnte im Bereich der fluoridhaltigen Befestigungskomposite eine Tendenz zu einer geringeren Demineralisation des Schmelzes festgestellt werden. Fixing adhesives (adhesives for fixing the brackets) that are mixed with fluoride nanoparticles are used. These fluoride-containing fastening materials lead to increased resistance of the Tooth hard substance against an acidic anaerobic environment and thus for less demineralization of the enamel. In the area of fluoride-containing luting composites, a tendency towards less demineralization of the enamel could be determined.
Nanopartikel sind aufgrund ihrer Größe zellgängig und werden mangels der bereits bekannten Nebenwirkungen und der vielfach unzureichend erforschten Risiken jedoch kritisch betrachtet. c) Modifizierung des direkten Bracketumfelds Due to their size, nanoparticles can penetrate cells and are viewed critically due to the lack of known side effects and the often insufficiently researched risks. c) Modification of the immediate area around the bracket
Mittels einer Versiegelung des Zahnschmelzes im unmittelbaren Bracketumfeld kann eine mechanisch-chemische Barriere gegen den Säureangriff geschaffen werden. Die Versiegelungen sind aber wenig abrasionsbeständig und weisen daher nur eine vorübergehende Wirkung auf. d) Beschichtungen von Bracket-Apparaturen A mechanical-chemical barrier against acid attack can be created by sealing the enamel in the immediate vicinity of the bracket. However, the seals are not very resistant to abrasion and therefore only have a temporary effect. d) Coatings of bracket appliances
Antibakterielle Beschichtungen von Brackets verhindern eine Biofilmbildung von Anbeginn bei gleichzeitig guter Biokompatibilität. Die Beschichtungen werden vollflächig aufgebracht, d.h. die antibakteriellen Deckschichten haben eine lückenlos geschlossene Oberfläche, womit das Grundmaterial, also das eigentliche Bracketmaterial eingekapselt ist. Antibacterial coatings on brackets prevent biofilm formation from the start while at the same time ensuring good biocompatibility. The coatings are applied over the entire surface, i.e. the antibacterial top layers have a completely closed surface, which encapsulates the base material, i.e. the actual bracket material.
Ein Verfahren ist das Versiegeln kieferorthopädischer Apparaturen durch Polytetrafluorethylen (PTFE), um das Anhaften von Polysacchariden zu unterbinden. Die Bildung eines adhärenten Biofilms kann dabei stark minimiert werden. Durch die vorherrschenden oralen Bedingungen kommt es jedoch zur schnellen Abrasion oberflächlich aufgetragener Versiegelungen und somit zu einem raschen Verlust des antibakteriellen Effekts. One method is to seal orthodontic appliances with polytetrafluoroethylene (PTFE) to prevent polysaccharide adhesion. The formation of an adherent biofilm can be greatly minimized. However, due to the prevailing oral conditions, there is rapid abrasion of sealants applied to the surface and thus a rapid loss of the antibacterial effect.
Alternativ eignen sich galvanisch oder mittels des Verfahrens der physical vapor deposition (PVD) aufgetragene antibakteriell wirkende Beschichtungen. Häufig wurde dabei Silber als biokompatibler und antibakterieller Werkstoff genutzt. Alternatively, antibacterial coatings applied galvanically or by means of the physical vapor deposition (PVD) process are suitable. Silver was often used as a biocompatible and antibacterial material.
In einer Tierstudie an Zähnen von Ratten wurde nachgewiesen, dass silberbeschichtete Oberflächen von kieferorthopädischen Apparaturen ohne zusätzliche Mundhygiene durch gute Patientencompliance einen antibakteriellen Effekt haben. Die Studie zeigt, dass die Beschichtung zu einer verminderten Entstehung von Streptococcus mutans führt und somit das Kariesrisiko reduziert. Generell werden Beschichtungen im Mund aber abgerieben und haben nur eine vorübergehende Wirkung. An animal study on rat teeth demonstrated that silver-coated surfaces of orthodontic appliances without additional oral hygiene have an antibacterial effect due to good patient compliance. The study shows that the coating leads to a reduced development of Streptococcus mutans and thus reduces the risk of tooth decay. In general, however, coatings in the mouth are rubbed off and only have a temporary effect.
Außer reinem Silber wurden Untersuchungen zur Wirkung von Silbernanopartikeln in der Zahnmedizin und der Kieferorthopädie durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Hinzufügen von 5 % oder 10 % Silber/Hydroxyapatit-Nanopartikeln in kieferorthopädische Befestigungsadhäsive ein weiteres Bakterienwachstum hemmt und somit in unmittelbarer Umgebung des Adhäsivs antibakteriell wirkt. Das Hinzufügen von Silbernanopartikeln in Adhäsiven führt dabei zu einer Inhibierung des weiteren Wachstums von Streptococcus mutans. In addition to pure silver, investigations into the effect of silver nanoparticles in dentistry and orthodontics have been carried out. It has been shown that the addition of 5% or 10% silver/hydroxyapatite nanoparticles to orthodontic luting adhesives inhibits further bacterial growth and thus has an antibacterial effect in the immediate vicinity of the adhesive. The addition of silver nanoparticles in adhesives leads to an inhibition of further growth of Streptococcus mutans.
Die chinesische Patentanmeldung CN 111 197 130 A offenbart pulverförmige Legierungen auf Co-Basis mit 1-5 Gew.-% Silber, die für Zahnrestaurationen oder Dentalprothesen verwendet werden. Die Dentalprothesen können mittels 3D-Druck (selektives Laserschmelzen) aus den pulverförmigen Legierungen hergestellt werden Chinese patent application CN 111 197 130 A discloses powdered Co-based alloys containing 1-5% by weight of silver, which are used for tooth restorations or dental prostheses. The dental prostheses can be produced from the powdered alloys using 3D printing (selective laser melting).
Das chinesische Patent CN 102 648 876 B offenbart einen antibakteriellen orthopädischen Zahndraht aus einer Titan-Nickel-Legierung, wobei in dem orthopädischen Draht 0,1 bis 20 Gew.-% körniges Silber verteilt ist. Das Massenverhältnis von Titan und Nickel in dem antibakteriellen orthopädischen Draht beträgt 45:55-55:45. Der Draht kann durch Schmelzen, Sintern oder mittels Hochtemperatursynthese aus einem pulverförmigen Titan-Nickel-Silber-Gemisch hergestellt werden. Chinese patent CN 102 648 876 B discloses an antibacterial orthopedic dental wire made of a titanium-nickel alloy, wherein 0.1 to 20% by weight of granular silver is dispersed in the orthopedic wire. The mass ratio of titanium and nickel in the antibacterial orthopedic wire is 45:55-55:45. The wire can be made from a powdered titanium-nickel-silver mixture by melting, sintering or high-temperature synthesis.
Feilong et al. (Materials & Design 2019, 184, 108190) berichten über eine Kobalt- Legierung mit antibakteriellen Eigenschaften, die 30-At.-% Chrom und 5 At.-% Silber enthält. Die Legierung wird durch Sintern einer Pulvermischung aus Kobalt, Chrom und Silber hergestellt. Feilong et al. (Materials & Design 2019, 184, 108190) report on a cobalt alloy with antibacterial properties containing 30 at.% chromium and 5 at.% silver. The alloy is made by sintering a powder mixture of cobalt, chromium and silver.
Silbernanopartikel werden jedoch nicht nur in Befestigungsadhäsive oder -zemente eingebracht, sondern auch als Beschichtung benutzt. Es wurde nachgewiesen, dass auf Silbernanopartikel-beschichtetem Dentin die Bakterienadhäsion verhindert werden kann. However, silver nanoparticles are not only incorporated into luting adhesives or cements, but also used as a coating. It has been demonstrated that bacterial adhesion can be prevented on dentine coated with silver nanoparticles.
Silbernanopartikel weisen eine Größe von bis zu 100 nm auf und besitzen damit die Fähigkeit auch außerhalb von festen und flüssigen Festkörperzuständen aufzutreten. Sie können zelltoxisch wirken, indem sie den Zellzyklus, die DNA und die Zellapoptose beeinflussen. Silbernanopartikel haben auf humane mesenchymale Stammzellen ab einer bestimmten Konzentration einen zell- und gentoxischen Charakter und verursachen eine DNA-Beschädigung, Zellsterben sowie funktionelle Beeinträchtigungen. Silver nanoparticles have a size of up to 100 nm and are therefore able to occur outside of solid and liquid solid states. They can have a cytotoxic effect by affecting the cell cycle, DNA and cell apoptosis. Above a certain concentration, silver nanoparticles have a cell and genotoxic effect on human mesenchymal stem cells character and cause DNA damage, cell death and functional impairment.
Trotz der zahlreichen positiven Studien, die eine antibakterielle Wirkung von Silbernanopartikeln belegen, ist daher der kommerzielle Einsatz im medizinischen Bereich aufgrund zahlreicher Untersuchungen, die eine Gesundheitsgefährdung durch Nanopartikel aufzeigen, kritisch zu sehen. Despite the numerous positive studies that prove an antibacterial effect of silver nanoparticles, commercial use in the medical field should therefore be viewed critically due to numerous studies that show that nanoparticles pose a health risk.
Wie zuvor beschrieben, weisen reine Silberbeschichtungen aber den Nachteil einer geringen Abrasionsbeständigkeit auf. Problematisch für oberflächlich aufgetragene Beschichtungen innerhalb der Mundhöhle ist die hohe intraorale Abrasionsbelastung durch starke Scher- und Muskelkräfte der Zähne, Zunge und perioralen Muskulatur sowie der Angriff durch verschiedene Flüssigkeiten in der Mundhöhle. Durch partielle Schädigungen oder flächigen Abtrag der in der Regel sehr dünnen Beschichtungen geht die antibakterielle Wirkung schnell verloren. Die antibakterielle Schutzwirkung ist somit nicht von Dauer. However, as described above, pure silver coatings have the disadvantage of low abrasion resistance. A problem for superficially applied coatings within the oral cavity is the high intraoral abrasion load due to strong shearing and muscle forces of the teeth, tongue and perioral muscles as well as the attack by various liquids in the oral cavity. The antibacterial effect is quickly lost as a result of partial damage or extensive abrasion of the usually very thin coatings. The antibacterial protective effect is therefore not permanent.
Der gravierende Nachteil aller Oberflächenbeschichtungen in der Zahnheilkunde ist folglich die hohe Abrasion in der Mundhöhle, die bereits nach kurzer Zeit zum Abrieb der Beschichtungen führt. The serious disadvantage of all surface coatings in dentistry is consequently the high level of abrasion in the oral cavity, which leads to abrasion of the coatings after just a short time.
Für die Behandlungsapparaturen in der Kieferorthopädie existieren derzeit keine Werkstoffe oder Beschichtungstechniken mit einer zufriedenstellenden, langanhaltenden antibakteriellen Wirkung, um die Entstehung des initialen intraoralen Biofilms zu verhindern. Alle aufgezeigten Präventionskonzepte können eine erhöhte Plaqueakkumulation über einen längeren Zeitraum nicht soweit hemmen, dass bei Multibracketapparaturen das zentrale Problem der Entstehung von „white spot lesions“ unterbleibt. There are currently no materials or coating techniques with a satisfactory, long-lasting antibacterial effect for treatment appliances in orthodontics to prevent the formation of the initial intraoral biofilm. None of the prevention concepts shown can inhibit increased plaque accumulation over a longer period of time to such an extent that the central problem of the development of “white spot lesions” does not occur with multi-bracket appliances.
Aus den genannten Gründen bedarf es der Entwicklung eines medizinischen Implantats, welches sowohl die Entstehung des Biofilms, z.B. auf kieferorthopädischen Apparaturen intraoral direkt verhindert, als auch über eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Scherkräften und Abrasionen verfügt. For the reasons mentioned, there is a need to develop a medical implant that not only prevents the formation of biofilm, e.g. on orthodontic appliances intraorally, but also has good resistance to shearing forces and abrasion.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Material für ein Implantat und ein Implantat bereitzustellen, welches die Entstehung eines Biofilms verhindert oder zumindest der Entstehung deutlich entgegenwirkt bei gleichzeitiger Widerstandsfähigkeit gegen Scherkräfte und Abrasionen, um eine dauerhafte Schutzwirkung zu erzielen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die technische Lehre der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Figuren sowie den Beispielen. The object of the present invention is therefore to provide a material for an implant and an implant that prevents the formation of a biofilm or at least counteracts the formation of it while at the same time being resistant to shearing forces and abrasion in order to achieve a permanent protective effect. According to the invention, this object is achieved by the technical teaching of the independent claims. Further advantageous configurations of the invention result from the dependent claims, the description, the figures and the examples.
Es wurde gefunden, dass Beschichtungen und selbst unüblich dicke Beschichtungen eines Implantats mit einem antibakteriellen Material oder Wirkstoff nur kurzzeitig vor der Entstehung eines Biofilms schützen, da derartige Beschichtungen unzureichend stabil gegenüber einwirkenden Kräften sind und abgerieben werden. It has been found that coatings and even unusually thick coatings of an implant with an antibacterial material or active ingredient only provide short-term protection against the formation of a biofilm, since such coatings are insufficiently stable with respect to the forces acting on them and are abraded.
Überraschend wurde jedoch gefunden, dass eine vollständige Beschichtung eines Implantats mit einem antibakteriellen Material oder Wirkstoff gar nicht erforderlich ist, sondern eine Infiltration von elementarem Silber in einen offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoff zu einem Verbundmaterial führt, das dauerhaft vor einer Biofilmbildung auf dem Verbundmaterial schützt und dieser Schutz auch nicht durch auf das Verbundmaterial einwirkende Kräfte geschmälert wird. Surprisingly, however, it was found that a complete coating of an implant with an antibacterial material or active substance is not necessary at all, but rather an infiltration of elemental silver into an open-pored, porous, sintered matrix material leads to a composite material that permanently protects and protects against biofilm formation on the composite material this protection is also not reduced by forces acting on the composite material.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verbundmaterial aus einem offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoff und elementarem Silber, wobei das elementare Silber in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs infiltriert ist, der Gehalt an Silber im Verbundmaterial zwischen 6 Gew.-% und 30 Gew.-% liegt, und der offenporig poröse, gesinterte Matrixwerkstoff aus mindestens einem Metall, mindestens einer Metalllegierung oder mindestens einer Keramik besteht. The present invention thus relates to a composite material made from an open-pore, porous, sintered matrix material and elemental silver, the elemental silver being infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material, the silver content in the composite material being between 6% by weight and 30% by weight. -% is, and the open-pore, porous, sintered matrix material consists of at least one metal, at least one metal alloy or at least one ceramic.
Matrixwerkstoff matrix material
Der Begriff >> offenporig poröser, gesinterter Matrixwerkstoff« wie hierin verwendet bezeichnet das Grundmaterial aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einer Keramik, das in einem Sinterverfahren hergestellt und in dessen Poren das elementare Silber infiltriert wird. Der Matrixwerkstoff selbst hat keine antibakteriellen Eigenschaften. The term “open-pore, porous, sintered matrix material” as used herein refers to the base material made of a metal, a metal alloy or a ceramic, which is produced in a sintering process and in whose pores the elemental silver is infiltrated. The matrix material itself has no antibacterial properties.
»Gesintert« bedeutet hierbei, dass ein pulverförmiges Ausgangsmaterial zu einem Sinterling bestimmter Körnung zusammengepresst und anschließend durch Temperaturbehandlung zu einem festen Matrixwerkstoff in Form gebracht wird. "Sintered" here means that a powdery starting material is pressed together to form a sinter with a specific grain size and then shaped into a solid matrix material by heat treatment.
Als Matrixwerkstoff sind grundsätzlich alle Metalle, Metalllegierungen und Keramiken, mit folgenden Eigenschaften geeignet: a) Biokompatibilität (korrosionsbeständig, hämokompatibel, nicht zyto- und genotoxisch, nicht karzinogen), b) eine für Dentalimplantate übliche Abrasionsbeständigkeit, c) Sinterfähigkeit zur Herstellung von porösen Werkstoffen, d) geringe Sprödigkeit, d.h. eine ausreichende Duktilität, um bei schlagartiger Beanspruchung nicht zu brechen. In principle, all metals, metal alloys and ceramics with the following properties are suitable as matrix material: a) Biocompatibility (corrosion-resistant, haemocompatible, non-cytotoxic and genotoxic, non-carcinogenic), b) abrasion resistance that is usual for dental implants, c) sinterability for the production of porous materials, d) low brittleness, ie sufficient ductility not to withstand sudden stress to break.
Bevorzugt sind solche Metalle, Metalllegierungen und Keramiken, die zusätzlich zu den genannten Eigenschaften a) bis d) eine Schmelztemperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Silber (961 ,8°C) aufweisen. Preference is given to those metals, metal alloys and ceramics which, in addition to the properties a) to d) mentioned, have a melting point above the melting point of silver (961.8° C.).
Als Beispiele für bevorzugte Matrixwerkstoffe kommen vorzugsweise für Implantate zugelassene Metalle und Metalllegierungen in Frage wie Edelstähle (z.B. 316LVM®, 316L medical), Co-Basis-Legierungen bzw. CoCr-Werkstoffe (z.B. L605®, Phynox®, MP35N®), Nickel-freie Eisen-Chrom-Mangan-Legierungen wie z.B. Vasculoy®, Cobalt-Nickel-Chrom-Legierungen wie z.B. Duratherm®, Eisen-Chrom-Nickel- Legierungen wie z.B. Durinox®, Eisen-Cobalt-Nickel-Legierungen wie z.B. Durnico® und Phytime®, Titanlegierungen, Tantal und Wolfram sowie Keramiken aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid. Examples of preferred matrix materials are metals and metal alloys approved for implants, such as stainless steel (e.g. 316LVM®, 316L medical), Co-based alloys or CoCr materials (e.g. L605®, Phynox®, MP35N®), nickel free iron-chromium-manganese alloys such as Vasculoy®, cobalt-nickel-chromium alloys such as Duratherm®, iron-chromium-nickel alloys such as Durinox®, iron-cobalt-nickel alloys such as Durnico® and Phytime ®, titanium alloys, tantalum and tungsten as well as ceramics made of aluminum oxide or zirconium dioxide.
Zusammensetzung von Vasculoy® (Angaben in Gew.%) Composition of Vasculoy® (weight %)
Zusammensetzung von Duratherm® 600 (Angaben in Gew.%) Composition of Duratherm® 600 (in percent by weight)
Zusammensetzung von Durinox® (Angaben in Gew.%) Composition of Durinox® (weight %)
Zusammensetzung von Durnico® (Angaben in Gew.%) Zusammensetzung von Phytime® (Angaben in Gew.%) Composition of Durnico® (weight %) Composition of Phytime® (weight %)
Als Matrixwerkstoff sind somit Metalle und Metalllegierungen, vorzugsweise austenitische Metalle und austenitische Metalllegierungen geeignet. Beispiele sind Edelstähle, CoCr-Legierungen, Eisen-Chrom-Mangan-Legierungen, Cobalt-Nickel- Chrom-Legierungen, Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen, Eisen-Cobalt-Nickel- Legierungen, Titanlegierungen, Tantal und Wolfram sowie Keramiken aus Aluminiumoxid und Keramiken aus Zirkoniumdioxid. Die Metalle, Metalllegierungen und Keramiken sind als Werkstoff für Dentalimplantate geeignet. Metals and metal alloys, preferably austenitic metals and austenitic metal alloys, are therefore suitable as matrix material. Examples are stainless steels, CoCr alloys, iron-chromium-manganese alloys, cobalt-nickel-chromium alloys, iron-chromium-nickel alloys, iron-cobalt-nickel alloys, titanium alloys, tantalum and tungsten, and aluminum oxide ceramics Zirconium dioxide ceramics. The metals, metal alloys and ceramics are suitable as materials for dental implants.
Der Begriff »Abrasionsbeständigkeit« oder »Abrasionswiderstand« wie hierin verwendet bezeichnet eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrasion, so dass Abschabungen und Abtragungen nur in geringem und im Dentalbereich üblichen Maße erfolgen. Ein gewisser Abrieb ist tolerabel und auch unvermeidbar. Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist aber, dass das Silber im Matrixwerkstoff homogen verteilt ist, so dass auch bei Abrieb immer wieder Silber an die Oberfläche kommt, welches die Biofilmbildung verhindert. The term "abrasion resistance" or "abrasion resistance" as used herein denotes a high resistance to abrasion, so that scraping and abrasion occur only to a small extent, which is normal in the dental field. A certain abrasion is tolerable and also unavoidable. An advantage according to the invention, however, is that the silver is homogeneously distributed in the matrix material, so that even in the event of abrasion, silver repeatedly comes to the surface, which prevents the formation of a biofilm.
Der Begriff »Sinterfähigkeit« wie hierin verwendet ist wie folgt definiert: The term "sinterability" as used herein is defined as follows:
Die Fähigkeit aus feinkörnigen keramischen oder metallischen Stoffen unter hohen Temperaturen (jedoch unterhalb der Schmelztemperaturen der Hauptkomponenten) und oft unter Druck ein Werkstück zu formen, so dass die Gestalt des Werkstückes erhalten bleibt. The ability to form a workpiece from fine-grained ceramic or metallic materials under high temperatures (but below the melting temperatures of the main components) and often under pressure, so that the shape of the workpiece is retained.
Der Begriff »Sprödigkeit« wie hierin verwendet ist wie folgt definiert: The term "brittleness" as used herein is defined as follows:
Sprödigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft, die das Versagens- bzw. Bruchverhalten beschreibt. Ein spröder Werkstoff lässt sich nur im geringen Maße plastisch verformen und zeichnet sich folglich durch geringe Duktilität aus. Brittleness is a material property that describes the failure or fracture behavior. A brittle material can only be plastically deformed to a small extent and is therefore characterized by low ductility.
Der Begriff »Porosität« wie hierin verwendet stellt das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen des Matrixwerkstoffs dar und setzt sich zusammen aus der Summe der Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung in Verbindung stehen (offene Porosität) und den nicht miteinander verbundenen Hohlräumen. Sie dient als klassifizierendes Maß für die tatsächlich vorliegenden Hohlräume. Die Porosität kann durch folgende Formel dargestellt werden worin VH das Hohlraumvolumen, V das Gesamtvolumen und VF das Reinvolumen des Feststoffes bezeichnet. The term "porosity" as used herein represents the ratio of the void volume to the total volume of the matrix material and is made up of the sum of the voids that are connected to each other and to the environment (open porosity) and the voids that are not interconnected. It serves as a classifying measure of the actual present cavities. The porosity can be represented by the following formula where V H denotes the void volume, V the total volume and V F the net volume of the solid.
Die hierin verwendeten Matrixwerkstoffe weisen eine hohe offene Porosität auf; sie sind somit »offenporig porös«. Eine Porosität des Matrixwerkstoffes von weniger als 30%, vorzugsweise von unter 20%, weiter bevorzugt von unter 15% hat sich als vorteilhaft erwiesen. Bei einer Porosität von 6% - 10%, entsprechend bei Silbergehalten von 6% - 10% ist die antibakterielle Wirkung verringert und unterhalb von 6% nahezu nicht vorhanden. The matrix materials used here have a high open porosity; they are therefore »open-pore porous«. A porosity of the matrix material of less than 30%, preferably less than 20%, more preferably less than 15% has proven advantageous. With a porosity of 6% - 10%, corresponding to a silver content of 6% - 10%, the antibacterial effect is reduced and below 6% it is almost non-existent.
Silber als antibakterieller Füllstoff Silver as an antibacterial filler
Es ist nachgewiesen, dass Silber in Kontakt mit Blut oder Gewebe eine antibakterielle und heilungsfördernde Wirkung aufweist. Der antibakterielle Effekt des Silbers beruht auf der Permeabilisierung der bakteriellen Zellmembran und der Bildung von intrazellulär schwer löslichen Komplexen mit bakteriellen Enzymen. Dies führt zur Zerstörung der bakteriellen Atmungskette und zur Hemmung der DNA-Replikation der Mikroorganismen. It has been proven that silver has an antibacterial and healing effect when it comes into contact with blood or tissue. The antibacterial effect of silver is based on the permeabilization of the bacterial cell membrane and the formation of intracellular complexes with bacterial enzymes that are difficult to dissolve. This leads to the destruction of the bacterial respiratory chain and the inhibition of the DNA replication of the microorganisms.
Durch die Infiltration von Silber in den Matrixwerkstoff kann das Silber nicht vollständig durch Abrasion abgetragen werden wie es bei einer Beschichtung aus Silber oder enthaltend Silber der Fall wäre. Vielmehr befindet sich konstant eine ausreichende Silberkonzentration an der Oberfläche des Verbundmaterials, sodass langfristig eine Biofilmbildung verhindert oder zumindest aber stark reduziert wird. Due to the infiltration of silver into the matrix material, the silver cannot be removed completely by abrasion, as would be the case with a coating made of silver or containing silver. Rather, there is always a sufficient concentration of silver on the surface of the composite material so that biofilm formation is prevented or at least greatly reduced in the long term.
Erfindungsgemäß muss das Silber dafür in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs infiltriert sein, so dass nicht nur die Oberfläche des Matrixwerkstoffs antibakteriell wirkt, sondern ein Verbundmaterial entsteht, welches insgesamt also nicht nur an seiner Oberfläche sondern durch das gesamte Material hindurch antibakteriell ist. Durch Infiltration des elementaren Silbers in die offenen Hohlräume oder offenen Poren des Matrixwerkstoffs wird eine Verteilung des Silbers in dem Matrixwerkstoff derart erreicht, dass pro willkürlich ausgewählter Volumeneinheit von Verbundmaterial die gleiche Masse an Matrixwerkstoff und die gleiche Masse an Silber enthalten sind. Die Abweichungen bezüglich der Masse an Matrixwerkstoff und der Masse an Silber zwischen zwei willkürlich gewählten Volumeneinheiten des Verbundmaterials betragen nicht mehr als 20%. Veranschaulicht bedeutet dies folgendes. Wenn in einer willkürlich gewählten Volumeneinheit des Verbundmaterials von 0,1 mm3 90 Gew.-% Matrixwerkstoff und 10 Gew.-% Silber enthalten sind, in jeder anderen Volumeneinheit des Verbundmaterials von 0,1 mm3 zwischen 8 Gew.-% und 12 Gew.-% Silber enthalten sein müssen. According to the invention, the silver must be infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material, so that not only does the surface of the matrix material have an antibacterial effect, but a composite material is created which is antibacterial not only on its surface but throughout the entire material. By infiltration of the elemental silver in the open cavities or open pores of the matrix material, a distribution of the silver in the matrix material is achieved such that per arbitrarily selected unit volume of composite material, the same mass of matrix material and the equal masses of silver are included. The deviations in the mass of matrix material and the mass of silver between two arbitrarily chosen volume units of the composite material are not more than 20%. Illustratively, this means the following. If in an arbitrarily chosen unit volume of the composite material of 0.1 mm 3 there is 90% by weight of matrix material and 10% by weight of silver, in any other unit volume of the composite material of 0.1 mm 3 between 8% by weight and 12 Wt .-% silver must be included.
Dies veranschaulicht Figur 1, welche eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Querschliffes eines porösen Wolfram-Matrixwerkstoffs zeigt. Schwarz dargestellt wird das eingelagerte Silber. Die Verteilung des Silbers im gesamten Wolfram-Matrixwerkstoff ist klar zu erkennen. This is illustrated in FIG. 1, which shows a scanning electron micrograph of a cross section of a porous tungsten matrix material. The stored silver is shown in black. The distribution of the silver throughout the tungsten matrix material can be clearly seen.
Der Gehalt an elementarem Silber im Verbundmaterial liegt zwischen 6 Gew.-% und 30 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 7 Gew.-% und 25 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 8 Gew.-% und 20 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 9 Gew.-% und 17 Gew.-% und am meisten bevorzugt zwischen 10 Gew.-% und 15 Gew.-% Silber bezogen auf das Verbundmaterial. The elemental silver content in the composite material is between 6% by weight and 30% by weight, more preferably between 7% by weight and 25% by weight, more preferably between 8% by weight and 20% by weight , more preferably between 9% and 17% and most preferably between 10% and 15% by weight silver based on the composite material.
Erfindungsgemäß ist das Silber zudem derart in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs infiltriert, dass die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Poren des Matrixwerkstoffs vollständig mit elementarem Silber gefüllt. So kann eine langanhaltende antibakterielle Wirkung und gleichzeitig hoher Abrasions beständigkeit erzielt werden. According to the invention, the silver is also infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material in such a way that the pores are at least partially filled with elemental silver. In a preferred embodiment, the pores of the matrix material are completely filled with elemental silver. In this way, a long-lasting antibacterial effect and, at the same time, high abrasion resistance can be achieved.
Verbundmaterial composite material
Als »Verbundmaterial« wie hierin verwendet, wird die Kombination aus Matrixwerkstoff und Silber bezeichnet, wobei eine bestimmte Menge an elementarem Silber in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs infiltriert ist. Damit erhält man ein antibakterielles Verbundmaterial, welches nicht nur an seiner Oberfläche antibakteriell ist, sondern auch an jeder beliebigen Stelle innerhalb des Verbundmaterials. Das Verbundmaterial im medizinischen Implantat weist somit keine antibakterielle Beschichtung auf. "Composite material" as used herein means the combination of matrix material and silver, with a certain amount of elemental silver being infiltrated into the pores of the open-pored, sintered matrix material. An antibacterial composite material is thus obtained which is not only antibacterial on its surface but also at any point within the composite material. The composite material in the medical implant therefore has no antibacterial coating.
Das Verbundmaterial ist somit ein neuer Werkstoff aus Matrixwerkstoff und darin verteiltem elementarem Silber und kein Matrixwerkstoff mit einer antibakteriellen Beschichtung. Damit bleibt auch bei Abrieb und selbst bei starkem Abrieb die antibakterielle Eigenschaft des Verbundmaterials erhalten, da bei Abrieb immer wieder Silber an die Oberfläche des Verbundmaterials kommt und dadurch die antibakterielle Wirkung dauerhaft aufrecht erhält. The composite material is thus a new material made of matrix material and elemental silver distributed therein and not a matrix material with an antibacterial coating. This means that even with abrasion and even with heavy abrasion, the The antibacterial properties of the composite material are retained, since abrasion repeatedly causes silver to come to the surface of the composite material, thereby maintaining the antibacterial effect over the long term.
Daher sind Beschichtungen als antibakterielle Oberflächen aus den vorgenannten Gründen ungeeignet, eine antibakterielle Langzeitwirkung zu garantieren. Das erfindungsgemäße Verbundmaterial vereint beide Eigenschaften in idealer Weise. Es besteht aus einem porösen Matrixwerkstoff mit infiltriertem Silber als Intramatrix- Füllstoff. Der Matrixwerkstoff sorgt für die Stabilität und verleiht dem Verbundmaterial einen hohen Abrasionswiderstand und das infiltrierte, homogen verteilte Silber sorgt für die antibakterielle Wirkung nicht nur an der Oberfläche des Verbundmaterials und hält auch bei starker Abrasion die antibakterielle Wirkung aufrecht. Coatings as antibacterial surfaces are therefore unsuitable for guaranteeing a long-term antibacterial effect for the aforementioned reasons. The composite material according to the invention combines both properties in an ideal way. It consists of a porous matrix material with infiltrated silver as an intramatrix filler. The matrix material ensures stability and gives the composite material high abrasion resistance, and the infiltrated, homogeneously distributed silver ensures the antibacterial effect not only on the surface of the composite material and maintains the antibacterial effect even in the case of severe abrasion.
Das Verbundmaterial ist zudem weder eine Legierung noch ein Mischkristall aus Silber und den Bestandteilen des Matrixwerkstoffs. Eine Legierung ist ein makroskopisch homogener metallischer Werkstoff aus mindestens zwei Elementen, von denen mindestens eins ein Metall ist und die gemeinsam das metalltypische Merkmal der Metallbindung aufweisen. In dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial ist elementares Silber in die Poren des Matrixwerkstoffs infiltriert und füllt diese zumindest teilweise aus. Es liegt daher keine Verbindung vor, bei der die Silberatome in die Kristallstruktur des Matrixwerkstoffs eingebunden sind. In addition, the composite material is neither an alloy nor a mixed crystal of silver and the components of the matrix material. An alloy is a macroscopically homogeneous metallic material made up of at least two elements, at least one of which is a metal, and which together exhibit the metal-typical feature of metal bonding. In the composite material according to the invention, elemental silver is infiltrated into the pores of the matrix material and at least partially fills them. There is therefore no compound in which the silver atoms are integrated into the crystal structure of the matrix material.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial dient somit zur Reduzierung oder Verhinderung der Ausbildung und Anhaftung eines Biofilms an der Oberfläche des Verbundmaterials. Vor allem dient das Verbundmaterial zur dauerhaften Reduzierung oder Verhinderung der Ausbildung und Anhaftung eines Biofilms an der Oberfläche des Verbundmaterials so lange das Verbundmaterial sich im Körper befindet. The composite material according to the invention thus serves to reduce or prevent the formation and adhesion of a biofilm to the surface of the composite material. Most importantly, the composite serves to permanently reduce or prevent the formation and adhesion of a biofilm to the surface of the composite while the composite is in the body.
Herstellung des Verbundmaterials mit Silberinfiltration Production of the composite material with silver infiltration
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann in einem Sinterprozess und anschließender Silberinfiltration hergestellt werden. The composite material according to the invention can be produced in a sintering process and subsequent silver infiltration.
Somit liegt ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung des hierin beschriebenen Verbundmaterials umfassend die folgenden Schritte: Thus, a further aspect of the present invention lies in a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; B) Herstellen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material; B) producing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs zu einem offenporigen porösen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; und C) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pore, porous sintered compact with a porosity of 6% to 30%; and
D) Infiltrieren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) mit elementarem Silber, bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind. D) infiltration of the open-pored porous sintered body according to step C) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
Der Sinterprozess kann dabei mittels eines gepressten Sinterrohlings einem körnigen Pulver oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs, mittels Lasersintern von Pulverschichten des Matrixwerkstoffs, oder mittels eines 3D-gedruckten Sinterrohlings erfolgen. The sintering process can be carried out using a pressed sinter blank, a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material, using laser sintering of powder layers of the matrix material, or using a 3D-printed sinter blank.
Aus feinkörnigem Metall- oder Keramikpulver oder auch aus einer Mischung verschiedener Körnungen eines Metall- oder Keramikpulvers wird ein Sinterrohling gepresst. Der Sinterrohling hat zumeist bereits die Form des gewünschtenA sintered blank is pressed from fine-grained metal or ceramic powder or from a mixture of different grain sizes of a metal or ceramic powder. The sintered blank usually already has the desired shape
Werkstücks oder Formteils. Durch Wärmebehandlung mit oder ohne Druckaufbringung unterhalb der Schmelztemperatur, dem eigentlichen Sinterprozess, werden die Pulverpartikel miteinander verbunden und der Sinterrohling zum „Sinterling“ verdichtet und ausgehärtet. Die Ausgangsstoffe werden, umgangssprachlich formuliert, „zusammengebacken“. Der gesinterte Matrixwerkstoff, d.h. der Sinterling muss eine offene Porosität aufweisen. workpiece or molded part. Through heat treatment with or without applying pressure below the melting temperature, the actual sintering process, the powder particles are connected to one another and the sintered blank is compacted and hardened into a "sintered compact". The starting materials are, to put it colloquially, “baked together”. The sintered matrix material, i.e. the sintered part, must have open porosity.
Die Porosität des Sinterlings muss so groß sein, dass Silber den Matrixwerkstoff infiltrieren kann und anschließend genügend Silber im Matrixwerkstoff bzw. im Verbundmaterial vorhanden ist, um eine antibakterielle Wirkung sicherzustellen. Andererseits soll die Porosität auch nur so groß sein, dass möglichst wenig teures Silber verbraucht wird und die Abrasionsbeständigkeit des Matrixwerkstoffes erhalten bleibt oder nur unwesentlich reduziert wird. The porosity of the sintered part must be large enough that silver can infiltrate the matrix material and then there is enough silver in the matrix material or in the composite material to ensure an antibacterial effect. On the other hand, the porosity should only be so large that as little expensive silver as possible is consumed and the abrasion resistance of the matrix material is retained or only slightly reduced.
Eine Porosität des Matrixwerkstoffes von weniger als 30%, vorzugsweise von unter 20%, weiter bevorzugt von unter 15% hat sich als vorteilhaft erwiesen. Bei einer Porosität von 6% - 10%, entsprechend bei Silbergehalten von 6% - 10% ist die antibakterielle Wirkung verringert und unterhalb von 6% nahezu nicht vorhanden. A porosity of the matrix material of less than 30%, preferably less than 20%, more preferably less than 15% has proven advantageous. With a porosity of 6% - 10%, corresponding to a silver content of 6% - 10%, the antibacterial effect is reduced and below 6% it is almost non-existent.
Somit liegt ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung des hierin beschriebenen Verbundmaterials umfassend die folgenden Schritte: A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; Thus, a further aspect of the present invention lies in a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps: A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Pressen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); B) pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs zu einem offenporigen porösen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; und C) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pore, porous sintered compact with a porosity of 6% to 30%; and
D) Infiltrieren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) mit elementarem Silber, bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind.D) infiltration of the open-pored porous sintered body according to step C) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung des hierin beschriebenen Verbundmaterials umfassend die folgenden Schritte: In a preferred embodiment, the method for producing the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Pressen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); B) pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) mit oder ohne Druckaufbringung durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerk stoffs zu einem offenporigen porösen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; und C) sintering of the sintered blank according to step B) with or without application of pressure by heat treatment below the melting temperature of the matrix material to form an open-pore, porous sintered compact with a porosity of 6% to 30%; and
D) Infiltrieren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) mit elementarem Silber, bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind.D) infiltration of the open-pored porous sintered body according to step C) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
Vorzugsweise beträgt die Porosität gemäß Schritt C) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% undThe porosity according to step C) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and
12%. 12%
Vorzugsweise stelle man den Sinterrohling bereits in der Form des gewünschten Werkstücks oder Formteils her. The sintered blank is preferably already produced in the shape of the desired workpiece or molded part.
Vorzugsweise werden in Schritt D) die Poren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step D), the pores of the open-pore porous sintered compact according to step C) are preferably completely filled with elemental silver.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann zudem mittels Lasersintern und anschließender Silberinfiltration hergestellt werden: The composite material according to the invention can also be produced by means of laser sintering and subsequent silver infiltration:
Ein neueres Verfahren ist die Herstellung der Sinterlinge durch das sogenannte Selektive Lasersintern (SLS), ein additives Fertigungsverfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern mit einem Laserstrahl aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Mithilfe eines Rakels wird ein Pulver oder eine Pulvermischung aus Matrixwerkstoff vollflächig in einer dünnen Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Die Bauteilkontur wird schichtweise durch eine schnelle laterale Ablenkung des Laserstrahles in x- und y-Richtung, entsprechend der jeweiligen Schichtkontur des Bauteils, schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Die Strahlenergie des fokussierten Laserstrahls wird vom Pulver absorbiert und führt zu einem lokal begrenzten Sintern der Pulverpartikel. Die Bauplattform wird nach jedem Lasersinter/-schmelzvorgang geringfügig abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Das Werkstück wird somit Schicht für Schicht aufgebaut. Am Ende des Prozesses wird das verbleibende Pulver einfach entfernt und kann teilweise für den nächsten Lauf wiederverwendet werden. A more recent method is the production of the sintered parts using what is known as selective laser sintering (SLS), an additive manufacturing method to produce three-dimensional structures by sintering with a laser beam from a powdery starting material. Using a squeegee, a powder or a powder mixture of matrix material is applied to a construction platform in a thin layer over the entire surface. The component contour is gradually sintered or melted into the powder bed layer by layer by rapid lateral deflection of the laser beam in the x and y directions, according to the respective layer contour of the component. The beam energy of the focused laser beam is absorbed by the powder and leads to locally limited sintering of the powder particles. The construction platform is lowered slightly after each laser sintering/melting process and a new layer of powder is applied. The workpiece is thus built up layer by layer. At the end of the process, the remaining powder is simply removed and some of it can be reused for the next run.
Durch Verwendung eines Pulvers oder einer Pulvermischung als Matrixwerkstoff wie z.B. Edelstahl kann ein abrasionsbeständiger offenporiger poröser Sinterling hergestellt werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, fast beliebige Formen zu erzeugen. By using a powder or a powder mixture as a matrix material, such as stainless steel, an abrasion-resistant, open-pored porous sintered part can be produced. This method offers the advantage of being able to create almost any shape.
Somit betrifft die vorliegende Patentanmeldung ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial umfassend die folgenden Schritte: Thus, the present patent application relates to a method for producing a molded part from the composite material described herein, comprising the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Sintern der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B) mittels Laser; C) sintering of the applied thin layer according to step B) by means of a laser;
D) Wiederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, und D) repeating steps B) and C) until the composite material molding is obtained, and
E) Infiltrieren des Formteils mit elementarem Silber, bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind. E) infiltrating the molded part with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Formteils zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity of the molding is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt E) die Poren des Formteils vollständig mit elementarem Silber gefüllt. Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann auch im 3D-Druck-Verfahren (Binder Jetting) und anschließender Silberinfiltration hergestellt werden: In step E), the pores of the molding are preferably completely filled with elemental silver. The composite material according to the invention can also be produced using the 3D printing process (binder jetting) and subsequent silver infiltration:
Ähnlich wie beim Lasersintern, wird beim Binder Jetting-Verfahren ein Formteil schichtweise aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt. Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird an ausgewählten Stellen jeder Pulverschicht mit einem flüssigen Bindemittel (Binder) verklebt. Similar to laser sintering, the binder jetting process creates a molded part in layers from a powdered starting material. The powdered starting material is bonded with a liquid binding agent (binder) at selected points of each powder layer.
Ein Pulver oder eine Pulvermischung aus Matrixwerkstoff wird beim 3D-Druck vollflächig in einer dünnen Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Die Pulverschicht wird anschließend mit einem Binder an den Stellen verklebt, die zum Werkstück gehören. Der Binder wird dabei mit einem Druckkopf aufgetragen. Die Bauplattform wird nach jedem Binderdruck-Vorgang geringfügig abgesenkt, eine neue Pulverschicht und weiterer Binder aufgetragen. Das Werkstück wird somit Schicht für Schicht aufgebaut. Am Ende des Prozesses wird der Binder thermisch ausgehärtet und das verbleibende lose Pulver einfach entfernt und kann teilweise für den nächsten Lauf wiederverwendet werden. Das Werkstück kann anschließend entbindert werden, indem der Binder oder die Binderbestandteile thermisch ausgetrieben werden, wobei das Werkstück gesintert wird. In 3D printing, a powder or a powder mixture of matrix material is applied to a construction platform in a thin layer over the entire surface. The powder layer is then bonded with a binder at the points that belong to the workpiece. The binder is applied with a print head. The construction platform is lowered slightly after each binder printing process, and a new layer of powder and additional binder is applied. The workpiece is thus built up layer by layer. At the end of the process, the binder is thermally cured and the remaining loose powder is easily removed and partially reused for the next run. The workpiece can then be debound by thermally driving out the binder or the binder components, with the workpiece being sintered.
Somit betrifft die vorliegende Patentanmeldung ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial umfassend die folgenden Schritte: Thus, the present patent application relates to a method for producing a molded part from the composite material described herein, comprising the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Selektives Aufträgen eines Binders auf der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B); C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
D1) Wederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, D1) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
D2) Aushärten des aufgetragenen Binders, D2) curing of the applied binder,
D3) Beseitigung des verbliebenen losen Pulvers, D3) removing the remaining loose powder,
D4) Sintern des Formteils zu einem offenporig porösen Sinterling und Austreiben des Binders, D4) sintering of the molded part to form an open-pore, porous sintered part and expulsion of the binder,
E) Infiltrieren des offenporig porösen Sinterlings mit elementarem Silber, bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind. Vorzugsweise beträgt die Porosität des Formteils gemäß Schritt D4) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. E) Infiltration of the open-pored porous sintered body with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver. The porosity of the molding according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt E) die Poren des Formteils gemäß Schritt D4) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step E), the pores of the molding according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Fierstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial die folgenden Schritte:In a preferred embodiment, the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Selektives Aufträgen eines Binders auf der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B); C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
D1) Wiederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, D1) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
D2) Aushärten des aufgetragenen Binders, D2) curing of the applied binder,
D3) Beseitigung des verbliebenen losen Pulvers, D3) removing the remaining loose powder,
D4) Sintern des Formteils gemäß Schritt D2) zu einem offenporig porösen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%, und dabei Entfernen des Binders, D4) sintering the molding according to step D2) to form an open-pored porous sintered part with a porosity of 6% to 30%, and removing the binder in the process,
E) Infiltrieren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt D4) mit elementarem Silber, bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind. E) infiltrating the open-pored porous sintered body according to step D4) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Sinterlings gemäß Schritt D4) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity of the sintered compact according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt E) die Poren des Sinterlings gemäß Schritt D4) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step E), the pores of the sintered compact according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
Die anschließende Infiltration der Poren mit elementarem Silber kann durch Tauchen des Sinterlings in eine Silberschmelze oder durch galvanisches Abscheiden erreicht werden. Subsequent infiltration of the pores with elemental silver can be achieved by immersing the sintered part in a silver melt or by galvanic deposition.
Einschmelzen von Silber: Melting down silver:
Beim Einschmelzen wird der Sinterling unter Unterdruckbedingungen in geschmolzenes Silber getaucht und so Silber in das offenporige Sintermaterial infiltriert. Durch den Unterdrück wird sichergestellt, dass das Silber in sämtliche Poren des Sinterlings eindringt und diese füllt. During melting, the sintered part is immersed in molten silver under negative pressure conditions and silver is thus immersed in the open-pored sintered material infiltrated. The negative pressure ensures that the silver penetrates and fills all pores of the sintered part.
Bei diesem Verfahren ist es für den Fachmann offenkundig, dass der Matrixwerkstoff ebenfalls schmelzen würde, wenn er aus Materialien bestünde, die einen Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunkts von Silber aufweisen. Dement sprechend sind bei diesem Verfahren Materialien zu wählen, die einen höheren Schmelzpunkt als den Schmelzpunkt von Silber d.h. größer 962 °C aufweisen. With this method, it is obvious to a person skilled in the art that the matrix material would also melt if it consisted of materials having a melting point below the melting point of silver. Accordingly, in this process, materials must be selected that have a higher melting point than the melting point of silver, i.e. greater than 962 °C.
Somit betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des hierin beschriebenen Verbundmaterials umfassend die folgenden Schritte: Thus, one embodiment of the present invention relates to a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Herstellen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); B) producing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs zu einem offenporigen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; und C) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered body with a porosity of 6% to 30%; and
D1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) unter Unterdruckbedingungen in geschmolzenes elementares Silber bis die Poren mit elementarem Silber gefüllt sind; D1) immersing the open-pore porous sintered body according to step C) under reduced pressure conditions in molten elemental silver until the pores are filled with elemental silver;
D2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt D1) aus dem flüssigen Silber und Abkühlen auf Raumtemperatur. D2) Removal of the sintered part according to step D1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung des hierin beschriebenen Verbundmaterials die folgenden Schritte: In a preferred embodiment of the present invention, the method for producing the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Pressen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); B) pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) mit oder ohne Druckaufbringung durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerk stoffs zu einem offenporigen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; undC) sintering of the sintered blank according to step B) with or without application of pressure by heat treatment below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered compact with a porosity of 6% to 30%; and
D1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) unter Unterdruckbedingungen in geschmolzenes elementares Silber bis die Poren mit elementarem Silber gefüllt sind; D2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt D1) aus dem flüssigen Silber und Abkühlen auf Raumtemperatur. D1) immersing the open-pore porous sintered body according to step C) under reduced pressure conditions in molten elemental silver until the pores are filled with elemental silver; D2) Removal of the sintered part according to step D1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
Vorzugsweise beträgt die Porosität gemäß Schritt C) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity according to step C) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise stelle man den Sinterrohling bereits in der Form des gewünschten Werkstücks oder Formteils her. The sintered blank is preferably already produced in the shape of the desired workpiece or molded part.
Vorzugsweise werden in Schritt D1) die Poren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step D1), the pores of the open-pore porous sintered compact according to step C) are preferably completely filled with elemental silver.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial die folgenden Schritte:In a further embodiment, a method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Sintern der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B) mittels Laser; C) sintering of the applied thin layer according to step B) by means of a laser;
D) Wiederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, D) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
E1) Tauchen des Formteils gemäß Schritt D) unter Unterdruckbedingungen in geschmolzenes elementares Silber bis die Poren mit elementarem Silber gefüllt sind, und E1) dipping the shaped part according to step D) into molten elemental silver under vacuum conditions until the pores are filled with elemental silver, and
E2) Entnahme des Formteils gemäß Schritt E1) aus dem flüssigen Silber und Abkühlen auf Raumtemperatur. E2) Removal of the molding according to step E1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Formteils gemäß Schritt D) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity of the molding according to step D) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt E1) die Poren des Formteils gemäß Schritt D) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. Preferably, in step E1), the pores of the molding according to step D) are completely filled with elemental silver.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial die folgenden Schritte:In a further embodiment, the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Selektives Aufträgen eines Binders auf der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B); C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
D1) Wiederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, und D2) Aushärten des aufgetragenen Binders, D1) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material, and D2) curing the applied binder,
D3) Beseitigung des verbliebenen losen Pulvers aus dem Formteil gemäß SchrittD3) Removal of the remaining loose powder from the molded part according to step
D2), D2),
D4) Sintern des Formteils zu einem offenporig porösen Sinterling und Austreiben des Binders, D4) sintering of the molded part to form an open-pore, porous sintered part and expulsion of the binder,
E1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt D4) unter Unterdruckbedingungen in geschmolzenes elementares Silber bis die Poren mit elementarem Silber gefüllt sind, und E1) immersing the open-pored porous sintered body according to step D4) under reduced pressure conditions in molten elemental silver until the pores are filled with elemental silver, and
E2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt E1) aus dem flüssigen Silber und Abkühlen auf Raumtemperatur. E2) Removal of the sintered part according to step E1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Formteils gemäß Schritt D4) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity of the molding according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt E1) die Poren des Formteils gemäß Schritt D4) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step E1), the pores of the molding according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial die folgenden Schritte:In a preferred embodiment, the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Selektives Aufträgen eines Binders auf der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B); C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
E1) Wiederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, E1) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
E2) Aushärten des aufgetragenen Binders, E2) curing of the applied binder,
E3) Entfernen des losen Binders aus dem Formteil gemäß Schritt E1), E3) removing the loose binder from the molded part according to step E1),
E4) Sintern des Formteils gemäß Schritt E2) zu einem offenporigen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30% und Austreiben des Binders, F1) Tauchen des Sinterlings gemäß Schritt E4) unter Unterdruckbedingungen in geschmolzenes elementares Silber bis die Poren mit elementarem Silber gefüllt sind, und E4) sintering of the molded part according to step E2) to form an open-pored sintered part with a porosity of 6% to 30% and expulsion of the binder, F1) dipping the sintered part according to step E4) into molten elemental silver under reduced pressure conditions until the pores are filled with elemental silver, and
F2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt F1) aus dem flüssigen Silber und Abkühlen auf Raumtemperatur. F2) Removal of the sintered part according to step F1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Sinterlings gemäß Schritt E4) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity of the sintered compact according to step E4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt F1) die Poren des Sinterlings gemäß Schritt E4) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step F1), the pores of the sintered body are preferably completely filled with elemental silver in accordance with step E4).
Galvanisches Abscheiden von Silber: Electroplating of silver:
In einer alternativen Ausführungsform kann die Infiltration mit elementarem Silber auch durch Abscheiden von Silber aus einer Silber-lonen-haltigen wässrigen Lösung (Silberbad), durch die elektrischer Strom mittels zweier Elektroden (Kathode und Anode) geleitet wird. Elementares Silber infiltriert dann in die Poren des Sinterlings, wenn dieser in Kontakt mit der Kathode steht. In an alternative embodiment, the infiltration with elementary silver can also be carried out by separating silver from an aqueous solution containing silver ions (silver bath), through which electric current is passed by means of two electrodes (cathode and anode). Elemental silver then infiltrates into the pores of the sinter when it is in contact with the cathode.
Somit betrifft eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des hierin beschriebenen Verbundmaterials umfassend die folgenden Schritte: Thus, a further embodiment of the present invention relates to a method for producing the composite material described herein, comprising the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Herstellen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); B) producing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs zu einem offenporigen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; und C) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered body with a porosity of 6% to 30%; and
D'1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) in ein Silberbad und galvanisches Abscheiden von elementarem Silber bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind; D′1) immersing the open-pore porous sintered body according to step C) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver;
D'2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt D'1) aus dem Silberbad. D'2) Removal of the sintered part according to step D'1) from the silver bath.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Fierstellung des hierin beschriebenen Verbundmaterials die folgenden Schritte: A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; In a further embodiment of the present invention, the method for preparing the composite material described herein comprises the following steps: A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Pressen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); B) pressing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) mit oder ohne Druckaufbringung durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerk stoffs zu einem offenporigen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; undC) sintering of the sintered blank according to step B) with or without application of pressure by heat treatment below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered compact with a porosity of 6% to 30%; and
D'1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) in ein Silberbad und galvanisches Abscheiden von elementarem Silber bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind; D′1) immersing the open-pore porous sintered body according to step C) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver;
D'2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt D'1) aus dem Silberbad. D'2) Removal of the sintered part according to step D'1) from the silver bath.
Vorzugsweise beträgt die Porosität gemäß Schritt C) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% undThe porosity according to step C) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and
12%. 12%
Vorzugsweise stelle man den Sinterrohling bereits in der Form des gewünschtenPreferably, the sintered blank is already provided in the desired shape
Werkstücks oder Formteils her. workpiece or molded part.
Vorzugsweise werden in Schritt D'1) die Poren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step D′1), the pores of the open-pore porous sintered compact according to step C) are preferably completely filled with elemental silver.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einesIn another embodiment, a method of making a
Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial die folgenden Schritte:molding from the composite material described herein, the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Sintern der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B) mittels Laser; C) sintering of the applied thin layer according to step B) by means of a laser;
D) Wederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, D) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
E1) Tauchen des Formteils gemäß Schritt D) in ein Silberbad und galvanisches Abscheiden von elementarem Silber bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind; und E1) immersing the shaped part according to step D) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver; and
E2) Entnahme des Formteils gemäß Schritt E1 ) aus dem Silberbad. E2) removal of the molding according to step E1) from the silver bath.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Formteils gemäß Schritt D) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. Vorzugsweise werden in Schritt E1) die Poren des Formteils gemäß Schritt D) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. The porosity of the molding according to step D) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%. Preferably, in step E1), the pores of the molding according to step D) are completely filled with elemental silver.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial die folgenden Schritte:In a further embodiment, the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Selektives Aufträgen eines Binders auf der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B); C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B);
D1) Wiederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, D1) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
D2) Aushärten des aufgetragenen Binders, D2) curing of the applied binder,
D3) Beseitigung des verbliebenen losen Pulvers aus dem Formteil gemäß SchrittD3) Removal of the remaining loose powder from the molded part according to step
D4), D4),
D4) Sintern des Formteils zu einem offenporig porösen Sinterling und Austreiben des Binders, D4) sintering of the molded part to form an open-pore, porous sintered part and expulsion of the binder,
E1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt D4) in ein Silberbad und galvanisches Abscheiden von elementarem Silber bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind; und E2) Entnahme des Formteils gemäß Schritt E1 ) aus dem Silberbad. E1) immersing the open-pored porous sintered body according to step D4) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver; and E2) removal of the molding according to step E1) from the silver bath.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Formteils gemäß Schritt D4) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity of the molding according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt E1) die Poren des Formteils gemäß Schritt D4) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step E1), the pores of the molding according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus dem hierin beschriebenen Verbundmaterial die folgenden Schritte:In a preferred embodiment, the method for producing a molded part from the composite material described herein comprises the following steps:
A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Aufbringung einer dünnen Schicht des Pulvers oder der Pulvermischung aus Schritt A) auf eine Bauplattform; B) Application of a thin layer of the powder or the powder mixture from step A) to a construction platform;
C) Selektives Aufträgen eines Binders auf der aufgebrachten dünnen Schicht gemäß Schritt B); D1) Wiederholen der Schritte B) und C) so lange bis das Formteil aus dem Verbundmaterial erhalten wurde, C) selectively applying a binder to the applied thin layer of step B); D1) repeating steps B) and C) until the molded part has been obtained from the composite material,
D2) Aushärten des aufgetragenen Binders, D2) curing of the applied binder,
D3) Beseitigung des verbliebenen losen Pulvers aus dem Formteil gemäß SchrittD3) Removal of the remaining loose powder from the molded part according to step
D2), D2),
D4) Sintern des Formteils gemäß Schritt D3) zu einem offenporig porösen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30% und Austreiben des Binders, D4) sintering of the molded part according to step D3) to form an open-pored porous sintered part with a porosity of 6% to 30% and expulsion of the binder,
E1) Tauchen des Sinterlings gemäß Schritt D4) in ein Silberbad und galvanisches Abscheiden von elementarem Silber bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind; und E2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt E1 ) aus dem Silberbad. E1) immersing the sintered part according to step D4) in a silver bath and galvanically depositing elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver; and E2) removing the sintered part according to step E1) from the silver bath.
Vorzugsweise beträgt die Porosität des Sinterlings gemäß Schritt D4) zwischen 6% und 20%, weiter bevorzugt zwischen 8% und 15% und noch weiter bevorzugt zwischen 10% und 12%. The porosity of the sintered compact according to step D4) is preferably between 6% and 20%, more preferably between 8% and 15% and even more preferably between 10% and 12%.
Vorzugsweise werden in Schritt E1) die Poren des Sinterlings gemäß Schritt D4) vollständig mit elementarem Silber gefüllt. In step E1), the pores of the sintered compact according to step D4) are preferably completely filled with elemental silver.
Medizinisches Implantat Medical implant
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial mit Silberinfiltration soll vorzugsweise in der Kieferorthopädie für Zahnspangen-Brackets Anwendung finden. Aufgrund des hochfesten Matrixwerkstoffs widersteht das silberinfiltrierte Verbundmaterial der hohen abrasiven Belastung in der Mundhöhle. Überraschenderweise zeigt das Silber in den Poren eine so große antibakterielle „Fernwirkung“, dass es nur zu einer sehr geringen bis gar keiner Anhaftung eines Biofilms kommt, auch wenn das Silber nicht die gesamte Oberfläche bedeckt wie bei einer Beschichtung. In einer klinischen Studie konnte dies anschaulich nachgewiesen werden wie unten weiter ausgeführt. The composite material according to the invention with silver infiltration should preferably be used in orthodontics for braces brackets. Due to the high-strength matrix material, the silver-infiltrated composite material withstands the high abrasive loads in the oral cavity. Surprisingly, the silver in the pores exhibits such a great antibacterial “remote action” that there is very little to no adhesion of a biofilm, even if the silver does not cover the entire surface like a coating. This was clearly demonstrated in a clinical study, as explained below.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit vorzugsweise die Zahnmedizin und soll eine Anlagerung von Bakterien an intraoral (in der Mundhöhle) befindliche Oberflächen verringern bzw. verhindern. Flierzu wurde ein Verbundmaterial mit infiltriertem Silber entwickelt. Der Matrixwerkstoff aus Metall oder Keramik sorgt für den Abrasionswiderstand und das infiltrierte Silber für die antibakterielle Wirkung. Die Ausbildung eines Biofilms sowie die einhergehenden negativen Folgen für die Zähne, den Zahnhalteapparat und weitere kollaterale Erkrankungen werden vermieden. The present invention thus preferably relates to dentistry and is intended to reduce or prevent the accumulation of bacteria on surfaces located intraorally (in the oral cavity). A composite material with infiltrated silver was developed for this purpose. The metal or ceramic matrix material ensures abrasion resistance and the infiltrated silver provides the antibacterial effect. The formation of a biofilm and the associated negative consequences for the teeth, the periodontium and other collateral diseases are avoided.
Nachgewiesen wurde der antibakterielle Effekt des erfindungsgemäßen Verbundmaterials im Bereich der Kieferorthopädie an Bracketmaterial für Zahnspangen. Die sonst entstehende dreidimensionale Biofilmstruktur aus Bakterien, eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären Polysacchariden, wird direkt ab Einsetzen der festsitzenden Apparatur verhindert. Die Bakterien, die normalerweise die zugeführten Kohlenhydrate zu organischen Säuren verstoffwechseln und dadurch ein saures anaerobes Milieu bilden, sind nicht vorhanden. In der Folge werden keine Calcium- und Phosphationen aus der Kristallgitterstruktur des Zahnschmelzes herausgelöst. Durch die vorliegende Erfindung wird das initiale Stadium einer kariösen Läsion des Zahnes verhindert. Zudem sind klinisch keine weißlichen irreversiblen Entkalkungen des Zahnschmelzes mehr sichtbar. The antibacterial effect of the composite material according to the invention was demonstrated in the field of orthodontics on bracket material for braces. The otherwise resulting three-dimensional biofilm structure of bacteria, embedded in a matrix of extracellular polysaccharides, is prevented as soon as the fixed appliance is inserted. The bacteria that normally metabolize the supplied carbohydrates into organic acids and thereby create an acidic anaerobic environment are not present. As a result, no calcium and phosphate ions are released from the crystal lattice structure of the tooth enamel. The present invention prevents the initial stage of a carious lesion of the tooth. In addition, no whitish irreversible decalcification of the enamel is clinically visible.
Dass im Zuge des steigenden Gesundheitsbewusstseins und aus klinischer Notwendigkeit bestehende Bedürfnis, durch präventive Behandlungskonzepte eine schonende kieferorthopädische Behandlung durchzuführen, wird durch die zugrundeliegende Erfindung erfüllt. The invention on which it is based satisfies the need to carry out gentle orthodontic treatment using preventive treatment concepts as part of increasing health awareness and as a result of clinical necessity.
Erfindungsgemäß widersteht das Bracketmaterial zudem den stark abrasiven Belastungen, denen kieferorthopädische Apparaturen durch Scherkräfte in der Mundhöhle ausgesetzt sind. Anders als bisherige oberflächlich aufgetragene Beschichtungen, die weich und stark abrasionsgefährdet sind, weist das entwickelte Verbundmaterial für z.B. Brackets von Zahnspangen erfindungsgemäß selbst antibakterielle Eigenschaften auf. Vor allem den starken Scherkräften in der Mundhöhle, bedingt durch die Zunge und Wange, halten die Brackets aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial stand. Die antibakterielle Schutzwirkung ist, anders als bei oberflächlichen Beschichtungen, von Dauer. Die reguläre kieferorthopädische Behandlungszeit einer festsitzenden Therapie beträgt ca. 18 - 24 Monate. Für diesen gesamten Zeitraum ist eine antibakterielle Wirkung zur Verhinderung von „white spot lesions“ durch das Verbundmaterial nachgewiesen. According to the invention, the bracket material also withstands the highly abrasive loads to which orthodontic appliances are exposed as a result of shearing forces in the oral cavity. In contrast to previous coatings applied to the surface, which are soft and at high risk of abrasion, the composite material developed for e.g. brackets of dental braces itself has antibacterial properties according to the invention. In particular, the brackets made of the composite material according to the invention withstand the strong shearing forces in the oral cavity caused by the tongue and cheek. Unlike superficial coatings, the antibacterial protective effect is permanent. The regular orthodontic treatment time for a fixed therapy is approx. 18 - 24 months. For this entire period, an antibacterial effect to prevent "white spot lesions" has been demonstrated by the composite material.
Bisherige klinische Untersuchungen haben eindeutig gezeigt, dass die Bildung von Biofilmen auf dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial mit infiltriertem Silber stark reduziert ist bzw. ganz verhindert wird. Das antibakteriell wirkende Silber wirkt, ohne dass eine geschlossene antibakterielle Oberflächenbeschichtung erforderlich ist. Previous clinical investigations have clearly shown that the formation of biofilms on the composite material according to the invention with infiltrated silver is greatly reduced or completely prevented. The antibacterial silver works without the need for a closed antibacterial surface coating.
Zudem haben die Untersuchungen des Abrasionsverhaltens gezeigt, dass die Biofilmbildung über den gesamten Therapiezeitraum signifikant reduziert ist. Das Verbundmaterial mit infiltriertem Silber hält den einwirkenden Scherkräften im Mundraum stand. Auch wenn es bei Langzeitanwendungen in der Mundhöhle zu Abrieb des Matrixwerkstoffs kommt, ist durch die Silberinfiltration im Basismaterial stets genügend Silber an der Porenoberfläche vorhanden, um die antibakterielle Wirkung sicherzustellen. Hierin besteht auch der deutliche Vorteil gegenüber den herkömmlichen antibakteriellen Beschichtungen, welche der abrasiven Belastung nicht lange standhalten, so dass eine anfänglich deutliche antibakterielle Wirkung recht zügig verlorengeht. Die Infiltration und homogene Verteilung des Silbers in dem Matrixwerkstoff und damit in dem Verbundmaterial garantiert auch bei stärkerem Abrieb eine gleichbleibend gute und vor allem dauerhafte antibakterielle Wirkung. In addition, the investigations of the abrasion behavior have shown that the biofilm formation is significantly reduced over the entire therapy period. The composite material with infiltrated silver withstands the shear forces acting in the oral cavity. Even if the matrix material wears off during long-term use in the oral cavity, the silver infiltration in the base material means that there is always enough silver on the pore surface to ensure the antibacterial effect. This is also the clear advantage over the conventional antibacterial coatings, which do not withstand the abrasive load for long, so that an initially clear antibacterial effect is lost quite quickly. The infiltration and homogeneous distribution of the silver in the matrix material and thus in the composite material guarantees a consistently good and, above all, long-lasting antibacterial effect even in the case of heavy abrasion.
Damit existiert erstmalig ein Material, vorzugsweise für die Zahnmedizin, mit antibakterieller Langzeitwirkung und hoher Abrasionsbeständigkeit. Insbesondere in der Kieferorthopädie und dort vorzugsweise für Multibracketapparaturen werden Dekalzifikationen des Zahnschmelzes und in der Folge Karies auch bei Langzeitanwendung vermieden. This is the first material available, preferably for dentistry, with a long-term antibacterial effect and high abrasion resistance. Especially in orthodontics and there preferably for multi-bracket appliances, decalcification of the tooth enamel and the resulting caries are avoided, even with long-term use.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung medizinische Implantate, welche das erfindungsgemäße Verbundmaterial enthalten oder aus dem Verbundmaterial bestehen. Accordingly, the present invention relates to medical implants which contain the composite material according to the invention or consist of the composite material.
Die hierin beschriebenen medizinischen Implantate, welche aus dem Verbundmaterial bestehen oder die hierin beschriebenen medizinischen Implantate, welche das Verbundmaterial oder Komponenten aus dem Verbundmaterial enthalten, sind insbesondere geeignet, Scherkräften und Abrasionskräften ausgesetzt zu werden. The medical implants described herein which consist of the composite material or the medical implants described herein which contain the composite material or components made of the composite material are particularly suitable for being subjected to shear forces and abrasion forces.
Bei diesen medizinischen Implantaten kann es sich um medizinische Kurzzeitimplantate oder medizinische Langzeitimplantate und vorzugsweise um dentale Langzeitimplantate handeln. These medical implants can be short-term medical implants or long-term medical implants and preferably long-term dental implants.
In der Zahnmedizin sind auch andere Anwendungen für dieses neue Verbundmaterial vorgesehen z.B. Verankerungsapparaturen, wie Transpalatinal bögen und Lingualbögen, die ebenfalls aus antibakteriellen Werkstoffen bestehen sollten. Auch eingesetzte Mini-Schrauben, die zur Verankerung mit dem Gewinde in dem Kieferknochen fixiert werden, während der Schraubenkopf in der Mundhöhle exponiert bleibt, sind ein wichtiges Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung. Zahninlays aus Keramik und metallische oder keramische Zahnkronen sind ein weiteres Einsatzgebiet des Verbundmaterials. In dentistry, other applications are also planned for this new composite material, for example anchoring devices such as transpalatal arches and lingual arches, which should also consist of antibacterial materials. Also inserted mini-screws, which are fixed for anchoring with the threads in the jawbone while the screw head remains exposed in the oral cavity, are an important area of application of the present invention. Ceramic tooth inlays and metallic or ceramic tooth crowns are another area of application for the composite material.
Somit sind Beispiele für medizinische Implantate insbesondere Dentalimplantate aller Art wie Brackets, kieferorthopädische Bögen, Ligaturen und Bänder, dentale Verankerungsapparaturen wie T ranspalatinalbögen und Lingualbögen, Temporary anchorage devices (z.B. Minipins, Gaumenimplantate, Bollard Pins), Mini-Schrauben, Zahninlays sowie metallische oder keramische konfektionierte Zahnkronen. Thus, examples of medical implants are in particular dental implants of all kinds such as brackets, orthodontic arches, ligatures and bands, dental anchorage devices such as transpalatal arches and lingual arches, temporary anchorage devices (e.g. minipins, palatal implants, bollard pins), mini screws, dental inlays and metal or ceramic ones ready-made dental crowns.
Den genannten Apparaturen, Mechaniken und Implantaten der Zahnmedizin ist gemein, dass sie für eine lange Zeitspanne (Monate bis Jahre) im intraoralen Bereich fixiert werden und somit den oralen Bedingungen ausgesetzt sind. What the dental appliances, mechanisms and implants mentioned have in common is that they are fixed in the intraoral area for a long period of time (months to years) and are therefore exposed to the oral conditions.
Dentalimplantate wie beispielsweise Brackets, Transpalatinalbögen, Lingualbögen, Mini-Schrauben, Zahninlays sowie metallische oder keramische Zahnkronen können vollständig aus dem Verbundmaterial gefertigt werden oder nur bestimmte Bereiche enthalten, die aus dem Verbundmaterial gefertigt worden sind. Bei Zahnspangen als Dentalimplantat sind in der Regel nur die Brackets aus dem Verbundmaterial hergestellt. Dental implants such as brackets, transpalatal arches, lingual arches, mini-screws, dental inlays and metal or ceramic dental crowns can be made entirely of the composite material or contain only certain areas that have been made of the composite material. In the case of braces as a dental implant, only the brackets are usually made of the composite material.
Auch wenn das hierin offenbarte Verbundmaterial vorzugsweise für Dentalimplantate Verwendung findet, können auch andere Medizinprodukte und vor allem andere Implantate, welche auch starken Kräften oder Drücken ausgesetzt sind, daraus gefertigt werden. So kann das Verbundmaterial mit infiltriertem Silber als Implantatwerkstoff in der Orthopädie angewandt werden, um Entzündungen bei z.B. Knieimplantaten zu verhindern. Beispiele für weitere Medizinprodukte sind orthopädisches Implantate wie beispielsweise Gelenkimplantate vor allem Knieimplantate, Zwischenwirbelimplantate, Knochenkeile oder Knochenschrauben. Even if the composite material disclosed herein is preferably used for dental implants, other medical products and, above all, other implants that are also exposed to strong forces or pressures can also be manufactured from it. The composite material with infiltrated silver can be used as an implant material in orthopedics to prevent inflammation in knee implants, for example. Examples of other medical products are orthopedic implants such as joint implants, especially knee implants, intervertebral implants, bone wedges or bone screws.
Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundmaterials ist, dass dieses Verbundmaterial an sich antibakteriell ist und sich somit eine antibakterielle Beschichtung erübrigt und damit auch ein weiterer Arbeitsschritt der Aufbringung einer antibakteriellen Beschichtung auf das medizinische Implantat oder Teilen davon. The great advantage of the composite material according to the invention is that this composite material is antibacterial per se and thus an antibacterial coating is unnecessary and thus also a further work step of applying an antibacterial coating to the medical implant or parts thereof.
Die vorliegende Erfindung ist das Ergebnis intensiver Biofilmforschung. Alle bisherigen Werkstoffe bzw. Werkstoff- oder Oberflächenmodifikationen zeigten in zahlreichen klinischen Studien keine zufriedenstellende antibakterielle Langzeit wirkung. Dagegen weist das Verbundmaterial mit Silberinfiltration eine starke antibakterielle Langzeitwirkung auf und beugt somit der Entstehung eines Biofilms vor oder verhindert ihn vollständig. Überraschenderweise ist keine geschlossene Silberoberfläche erforderlich wie bei einer Beschichtung, um einen Biofilm umfassend zu verringern oder zu verhindern. Selbst Verbundmaterialien mit einem Silbergehalt von weniger als 20%, deren Zwischenräume mit Silber gefüllt sind, zeigen eine hervorragende antibakterielle Langzeitwirkung. The present invention is the result of extensive biofilm research. None of the previous materials or material or surface modifications have shown satisfactory long-term antibacterial effects in numerous clinical studies. On the other hand, the composite material with silver infiltration has a strong long-term antibacterial effect and thus prevents or completely prevents the formation of a biofilm. Surprisingly, a closed silver surface is not required as with a coating to comprehensively reduce or prevent biofilm. Even composite materials with a silver content of less than 20%, whose interstices are filled with silver, show an excellent long-term antibacterial effect.
Die vorliegende Erfindung hat einen neuartigen Ansatz verfolgt, um die Biofilmbildung z.B. auf kieferorthopädischen festsitzenden Apparaturen effektiv zu verringern und langfristig einen antibakteriellen Effekt zu erzeugen. The present invention has pursued a novel approach to effectively reduce the formation of biofilms, e.g. on orthodontic fixed appliances, and to produce a long-term antibacterial effect.
Für das erfindungsgemäß entwickelte Verbundmaterial mit infiltriertem Silber konnte nachgewiesen werden, dass selbst bei Silbergehalten von unter 20 %, vorzugsweise unter 15% stark antibakterielle Eigenschaften vorliegen, bei Silbergehalten von unter 10%, aber einem Mindestsilbergehalt von 6% noch hinreichende antibakterielle Eigenschaften vorliegen und diese antibakterielle Eigenschaft auch unter abrasiven Bedingungen weiterbesteht. Zudem ist das Verbundmaterial biokompatibel. For the composite material with infiltrated silver developed according to the invention, it could be demonstrated that even with silver contents of less than 20%, preferably less than 15%, there are strong antibacterial properties, with silver contents of less than 10%, but a minimum silver content of 6%, there are still sufficient antibacterial properties and these antibacterial property persists even under abrasive conditions. In addition, the composite material is biocompatible.
Bei Anwendung für kieferorthopädisches Bracketmaterial unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verbundmaterial maßgeblich von den bisherigen, auf dem Markt befindlichen Bracketmaterialien. Durch seine inhärente antibakterielle Wirkung sind zusätzliche antibakterielle Beschichtungen der Brackets nicht notwendig. Damit verbindet die vorliegende Erfindung erstmals antibakterielle Eigenschaften mit einem langanhaltenden antibakteriellen Schutz zur Verhinderung eines intraoralen Biofilms. When used for orthodontic bracket material, the composite material according to the invention differs significantly from the previous bracket materials on the market. Due to its inherent antibacterial effect, additional antibacterial coatings on the brackets are not necessary. The present invention thus combines antibacterial properties with long-lasting antibacterial protection to prevent an intraoral biofilm for the first time.
Somit weist die Erfindung folgende Vorteile auf: The invention thus has the following advantages:
• antibakterielle Wirkung, • antibacterial effect,
• hohe Abrasionsbeständigkeit, • high abrasion resistance,
• langanhaltende antibakterielle Wirkung über die gesamte Anwendungsdauer,• long-lasting antibacterial effect over the entire period of use,
• gleichmäßige Silberinfiltration im Verbundmaterial, auch im Kantenbereich,• uniform silver infiltration in the composite material, also in the edge area,
• Gesamtmodifikation des Verbundmaterials anstelle einer oberflächlich aufgetragenen Beschichtung, • total modification of the composite material instead of a superficially applied coating,
• keine Erhöhung der Bracketdicke, • no increase in bracket thickness,
• Biokompatibilität, • biocompatibility,
• geringer Verbrauch an antibakteriellem Silber, • low consumption of antibacterial silver,
• unkomplizierter Herstellungsprozess, daher für Produktion von großen Stückzahlen geeignet. Figurenbeschreibung • uncomplicated manufacturing process, therefore suitable for production of large quantities. character description
Figur 1 : zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Querschliffes eines porösen Matrixwerkstoffs (hier Wolfram) mit infiltriertem homogen verteiltem Silber (schwarz). FIG. 1: shows a scanning electron micrograph of a cross section of a porous matrix material (here tungsten) with infiltrated, homogeneously distributed silver (black).
Figur 2: zeigt eine Zahnputzmaschine zur Bestimmung der Abrasionsbeständigkeit von Brackets aus herkömmlichem Edelstahl und aus Wolfram mit infiltriertem homogen verteiltem Silber. FIG. 2 shows a tooth cleaning machine for determining the abrasion resistance of brackets made of conventional stainless steel and of tungsten with infiltrated, homogeneously distributed silver.
Figur 3: zeigt die Wandstärke vor und nach Abrasion bei einem Bracketmaterial aus herkömmlichem Edelstahl („Kontrolle“) und einem Verbundmetall aus Wolfram als Matrixwerkstoff mit niedriger (Low Ag = 7-9 Gew.-% Ag im Matrixwerkstoff) bzw. hoher (High Ag = 9-14 Gew.-% Ag im Matrixwerkstoff) Silberinfiltration. Bei dem Verbundmaterial aus Wolfram mit Silberinfiltration wurde ein geringer Materialabtrag festgestellt, ebenso wie zu Vergleichszwecken bei den Proben aus konventionellen Edelstahlbrackets („Kontroll“ Gruppe). Figure 3 shows the wall thickness before and after abrasion for a bracket material made of conventional stainless steel ("control") and a composite metal made of tungsten as the matrix material with low (Low Ag = 7-9% by weight Ag in the matrix material) and high (High Ag = 9-14% by weight Ag in the matrix material) silver infiltration. A small amount of material removal was observed in the composite material made of tungsten with silver infiltration, as well as for comparison purposes in the samples made of conventional stainless steel brackets ("control" group).
Figur 4: zeigt ein signifikant reduziertes Biofilmvolumen auf intraoral getragenem Bracketmaterial aus silberinfiltriertem Wolfram-Verbundmetall (Kontrolle = Edelstahl, Low Ag = 7-9% Ag, High Ag = 9-14% Ag im Verbundmetall. Figure 4: shows a significantly reduced biofilm volume on intraorally worn bracket material made of silver-infiltrated tungsten composite metal (control = stainless steel, low Ag = 7-9% Ag, high Ag = 9-14% Ag in the composite metal.
Figur 5: Biofilm auf im Mund getragenen Bracketproben gemäß Beispiel 4 (Low Ag = 7-9% Ag, High Ag = 9-14% Ag im Verbundmetall) FIG. 5: Biofilm on bracket samples worn in the mouth according to Example 4 (Low Ag=7-9% Ag, High Ag=9-14% Ag in the composite metal)
Beispiele examples
Beispiel 1 : Herstellung des Verbundmaterials gemäß Figur 1 Bei der Herstellung des Wolframverbundmaterials wurden verschieden feinkörnige Fraktionen von Wolframpulver (verschiedene Körnungen) zusammengegeben und über einen längeren Zeitraum gemischt, um eine gleichmäßige Verteilungen der Körnungen im Pulver zu erhalten. Example 1 Production of the Composite Material According to FIG. 1 In the production of the tungsten composite material, various fine-grain fractions of tungsten powder (different grain sizes) were combined and mixed over a longer period of time in order to obtain a uniform distribution of the grain sizes in the powder.
Zur Formgebung wurde die Pulvermischung in Werkzeugen unter hohem Druck zu sogenannten „Grünlingen“ verpresst. Die Grünlinge haben dabei schon die Form des Endproduktes. Im Fall der herstellten Brackets wurden dünne Ronden mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Wandstärke von 2 mm hergestellt. For shaping, the powder mixture was pressed in tools under high pressure to form so-called "green compacts". The green compacts already have the shape of the end product. In the case of the brackets produced, thin discs with a diameter of 20 mm and a wall thickness of 2 mm were produced.
Anschließend wurden die Ronden (Grünlinge) gesintert, d.h. unter hohen Temperaturen, die unterhalb der Schmelztemperaturen hier von Wolfram liegen, „verbacken“. Der Sintervorgang verläuft unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum ab. The blanks (green compacts) were then sintered, i.e. "baked" at high temperatures, which are below the melting temperatures of tungsten here. The sintering process takes place in a protective gas atmosphere or in a vacuum.
Die fertigen Sinterlinge wurden anschließend in flüssiges Silber getaucht. Dies geschieht im Vakuum, damit sich alle Poren vollständig mit Silber füllen. The finished sinters were then immersed in liquid silver. This is done in a vacuum so that all pores are completely filled with silver.
Die silberhaltigen Ronden wurden auf eine Wandstärke von 0,6 mm beidseitig abgeschliffen und mittels Laser auf die Außenabmessungen der Brackets zugeschnitten. The silver-containing discs were ground down on both sides to a wall thickness of 0.6 mm and cut to the outer dimensions of the brackets using a laser.
Beispiel 2: Rasterelektronenmikroskopaufnahme gemäß Figur 1 Die Brackets wurden auf einem Probenhalter befestigt und in die Probenkammer des Rasterelektronenmikroskops der Firma TESCAN Typ Vega3 - ohne weitere Probenvorbereitung - gegeben. Die Aufnahme des Sintergefüges ist im sogenannten BSE-Verfahren (backscattered electrons) entstanden, welches einen guten Materialkontrast ermöglicht. So stellen in Figur 1 die hellen Bereiche die Wolframkörner dar, die von dunklem (schwarzem) Silber umgeben sind. Beispiel 3: Abrasionsuntersuchungen an einem silberinfiltriertem Verbundmaterial Um die Abrasionsbeständigkeit zu testen, wurden an Proben aus konventionellen Edelstahlbrackets und zum Vergleich aus einem silberinfiltrierten Verbundmetall aus silberinfiltriertem Wolfram Dauerversuche mit einer Zahnputzmaschine durchgeführt (siehe Fig. 2). Mit rotierenden Zahnbürsten, einer oszillierenden linearen Relativbewegung zwischen Zahnbürste und Metalloberfläche sowie unter Zugabe von abrasiver Zahnpasta wurde der Zahnputzvorgang für einen Zeitraum von 2 Jahren simuliert. Example 2 Scanning electron microscope image according to FIG. 1 The brackets were attached to a sample holder and placed in the sample chamber of the scanning electron microscope from TESCAN, type Vega3—without further sample preparation. The recording of the sintered structure was created using the so-called BSE method (backscattered electrons), which enables a good material contrast. Thus, in Figure 1, the light areas represent the tungsten grains surrounded by dark (black) silver. Example 3 Abrasion Tests on a Silver-Infiltrated Composite Material In order to test the abrasion resistance, endurance tests were carried out with a tooth cleaning machine on samples made from conventional stainless steel brackets and, for comparison, from a silver-infiltrated composite metal made from silver-infiltrated tungsten (see FIG. 2). The tooth brushing process was simulated for a period of 2 years with rotating toothbrushes, an oscillating linear relative movement between toothbrush and metal surface and the addition of abrasive toothpaste.
Bei dem Verbundmaterial aus Wolfram mit Silberinfiltration wurde ein geringer Materialabtrag festgestellt, ebenso wie zu Vergleichszwecken bei den Proben aus konventionellen Edelstahlbrackets („Kontroll“ Gruppe), siehe Fig. 3. A small amount of material removal was observed in the composite material made of tungsten with silver infiltration, as well as for comparison purposes in the samples made of conventional stainless steel brackets ("control" group), see Fig. 3.
Der Materialabtrag von weniger als 50 pm in der Bracketwandstärke ist für eine Tragedauer von 2 Jahren akzeptabel. Die Brackets aus Verbundmaterial sind damit ausreichend abrasionsbeständig. Entscheidend ist, dass bei jedem Abtrag in den Poren befindliches Silber freigelegt wird, d.h. an der Bracketoberfläche vorhanden ist und für einen dauerhaften antibakteriellen Effekt sorgt. The material removal of less than 50 μm in the bracket wall thickness is acceptable for a wearing period of 2 years. The brackets made of composite material are therefore sufficiently resistant to abrasion. The decisive factor is that with each removal, the silver in the pores is exposed, i.e. it is present on the bracket surface and ensures a permanent antibacterial effect.
Beispiel 4: Klinische Studie zum Nachweis der antibakteriellen Wirkung bei Brackets In einer klinischen Studie wurden intraoral Trägerschienen getragen, die mit Brackets aus konventionellem Edelstahl und im Vergleich aus Verbundmetall (hier Wolfram) mit Silberinfiltration bestückt waren. Example 4: Clinical study to prove the antibacterial effect of brackets In a clinical study, carrier splints were worn intraorally, which were fitted with brackets made of conventional stainless steel and, in comparison, made of composite metal (here tungsten) with silver infiltration.
Das für die Studie hergestellte neuartige Verbundmaterial aus Wolfram mit einer Silberinfiltration lag anfangs in Ronden mit einem Durchmesser von 19.3 mm und einer Dicke von 2.0 mm vor. Mittels einer Bandschleifanlage wurden die Ronden auf eine durchschnittliche Wandstärke von 0.64 mm reduziert. Anschließend wurden die Proben mittels Laser auf eine Kantenlänge von 5.0 x 5.0 mm zugeschnitten. The new composite material made of tungsten with a silver infiltration that was produced for the study was initially available in discs with a diameter of 19.3 mm and a thickness of 2.0 mm. Using a belt grinder, the blanks were reduced to an average wall thickness of 0.64 mm. The samples were then cut to an edge length of 5.0 x 5.0 mm using a laser.
Als Kontrollgruppe wurden Probekörper aus konventionell erhältlichem Edelstahl- Bracketmaterial der Werkstoffnummer 1.4456 herangezogen und auf die gleiche Probengröße zugeschnitten. Die exakte Materialzusammensetzung derTest specimens made from conventionally available stainless steel bracket material with material number 1.4456 were used as a control group and cut to the same specimen size. The exact material composition of the
Verbundmetall-Probekörper und der Kontroll-Probekörper wurde mittels der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) ermittelt. Die Oberflächenrauheit der unterschiedlichen Probekörper wurde mittels konfokaler Laser-Scanning- Mikroskopie (CLSM) gemessen. Somit wurde sichergestellt, dass alle Proben eine mittlere Rauheit (Ra) unter dem Grenzwert von Ra = 0,2 pm aufwiesen, ab dem ein Einfluss der Bakterienanhaftung durch zu raue Oberflächenstruktur eines Materials nachzuweisen ist. Die Unterschiede in der Biofilmbildung konnten somit ausschließlich auf das Probenmaterial selbst zurückgeführt werden. Bonded metal specimens and the control specimen were determined using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The surface roughness of the different specimens was measured using confocal laser scanning microscopy (CLSM). This ensured that all samples average roughness (Ra) below the limit value of Ra = 0.2 pm, above which an influence of bacterial adhesion due to a material's surface structure that is too rough can be proven. The differences in biofilm formation could therefore only be attributed to the sample material itself.
Für die vorliegende Studie wurde eine Zahnputzmaschine designt und gebaut, um die abrasive Belastung der Brackets durch das tägliche Zähneputzen nachzubilden. Dabei wurde das zweimal tägliche Putzen für jeweils zwei Minuten bei einer durchschnittlichen Tragezeit der Brackets von 24 Monaten angenommen. Dieser Zeitraum konnte mittels der konstruierten Zahnputzmaschine durch eine kontinuierliche zweistündige Behandlung der Proben reproduziert werden. For the present study, a toothbrushing machine was designed and built to simulate the abrasive stress on the brackets caused by daily brushing. It was assumed that the brackets were cleaned twice a day for two minutes each time with an average wearing time of 24 months. This period could be reproduced using the designed toothbrushing machine by continuously treating the samples for two hours.
Um die gewonnenen Daten aus der vorliegenden Studie ausschließlich auf den neu entwickelten Bracketwerkstoff zurückführen zu können, wurden durch das Studiendesign möglichst gleiche Ausgangsbedingungen geschaffen. In die klinische Studie wurden zwölf parodontal gesunde Probanden (sechs Frauen und sechs Männer) im Alter zwischen 21 und 30 Jahren eingeschlossen. Alle zwölf Probanden konnten unter Einhaltung des erstellten Versuchsprotokolls in die Studie einbezogen werden. Mittels eines parodontalen Screenings der zwölf Probanden wurde überprüft, dass die Studie unter parodontal gesunden oralen Bedingungen durchgeführt wird. Flierzu wurden verschiedene parodontale Indizes, u.a. der approximale Plaqueindex als Indikator für die vorherrschende Mundhygiene, erhoben. Weitere Risikokriterien, die eine Zusammensetzung der mikrobiellen Flora verändern, wurden ausgeschlossen. Hierzu zählen Schwangerschaft, Rauchen, Allgemeinerkrankungen, herausnehmbarer Zahnersatz und eine mögliche Antibiotikaeinnahme in den letzten sechs Wochen vor Studienbeginn. In order to be able to trace the data obtained from the present study exclusively to the newly developed bracket material, the study design created the same starting conditions as possible. Twelve healthy volunteers (six women and six men) aged between 21 and 30 years were included in the clinical study. All twelve subjects could be included in the study in compliance with the test protocol created. By means of a periodontal screening of the twelve subjects, it was verified that the study was being carried out under periodontally healthy oral conditions. Various periodontal indices, including the approximal plaque index as an indicator of the prevailing oral hygiene, were collected. Other risk criteria that change the composition of the microbial flora were excluded. These include pregnancy, smoking, general illnesses, removable dentures and the possible use of antibiotics in the last six weeks before the start of the study.
Für die zwölf Probanden wurde eine Miniplastschiene aus Kunststoff im Tiefziehverfahren hergestellt. Um eine fälschliche Reduktion des Biofilms durch bestehende Scherkräfte in der Mundhöhle sowie durch Reiben von Wange und Zunge zu verhindern, wurden an der Miniplastschiene Pelotten aus Kunststoff im Seitenzahnbereich angebracht. Diese Pelotten wurden mit einem kleinen Abstand zur Miniplastschiene im Sprüh- und Streuverfahren an einem Haltedraht befestigt, sodass die Speichelzirkulation zwischen der Schiene und der abhaltenden Pelotten einwandfrei möglich war. Die Schienen wurden anschließend mit den zu untersuchenden Probekörpern bestückt. Um die Haftung des fließfähigen Komposits als Verbundwerkstoff zwischen den Probekörpern und der Miniplastschiene zu erhöhen, wurden die Klebestellen auf den Schienen mittels Sandpapier angeraut. Auf beiden Schienenseiten wurde in randomisierter Reihenfolge eine Kontrolle aus konventionellem Edelstahl, eine Probe aus dem Verbundmetall (hier Wolfram) mit einer Silberinfiltration von 20% und eine Probe aus dem Verbundmetall (hier Wolfram) mit einer Silberinfiltration von 15% fixiert. Die Reihenfolge der drei Probekörper pro Schienenseite erfolgte randomisiert, da die Biofilmbelegung innerhalb der Mundhöhle je nach Position variieren kann. Somit wurde ein möglicher Effekt der Probenposition ausgeschlossen. For the twelve subjects, a plastic mini-splint was manufactured using a deep-drawing process. In order to prevent an incorrect reduction of the biofilm due to existing shearing forces in the oral cavity and rubbing of the cheek and tongue, plastic pads were attached to the miniplast splint in the posterior region. These pads were attached to a retaining wire at a small distance from the miniplast splint using the spray and scatter method, so that saliva circulation between the splint and the holding pad was perfectly possible. The rails were then fitted with the test specimens to be examined. In order to increase the adhesion of the flowable composite as a composite material between the test specimens and the Miniplast splint, the adhesive points on the splints were roughened using sandpaper. On both sides of the rail was randomized A control of conventional stainless steel, a sample of the composite metal (here tungsten) with a silver infiltration of 20% and a sample of the composite metal (here tungsten) with a silver infiltration of 15% are fixed in sequence. The order of the three specimens per side of the splint was randomized, since the biofilm coverage within the oral cavity can vary depending on the position. Thus, a possible effect of the sample position was ruled out.
Zur Bestimmung der Tragezeit, die eine reproduzierbare Auswertung des intraoral gebildeten Biofilms ermöglicht, wurde in mehreren Vorversuchen an Probanden eine Tragedauer von 48 Stunden festgelegt. Während dieser Zeit musste die Mundhygiene und der Alkoholkonsum ausgesetzt werden, um keine Verfälschung des gebildeten Biofilms durch Reinigung der Probekörper zu provozieren. Zum Essen wurden die Schienen für maximal 40 Minuten ausgegliedert und in einem feuchten Milieu gelagert. To determine the wearing time, which enables a reproducible evaluation of the biofilm formed intraorally, a wearing time of 48 hours was determined in several preliminary tests on test persons. During this time, oral hygiene and alcohol consumption had to be suspended in order not to provoke falsification of the biofilm formed by cleaning the test specimens. For eating, the splints were removed for a maximum of 40 minutes and stored in a humid environment.
Nach Beendigung der Tragezeit wurden die Schienen den Probanden entnommen und der gebildete Biofilm mit einer Lebend/Tot-Fluoreszenzfärbung markiert sowie mit Glutardialdehyd fixiert. Die dreidimensionale quantitative Analyse des fluoreszenzgefärbten Biofilms erfolgte mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM). Die statistische Auswertung der erhobenen Daten erfolgte mit Hilfe der Software GraphPad Prism bei einem Signifikanzlevel von p<0.05. After the end of the wearing time, the splints were removed from the subjects and the biofilm formed was marked with a live/dead fluorescent stain and fixed with glutaraldehyde. The three-dimensional quantitative analysis of the fluorescence-stained biofilm was performed using confocal laser scanning microscopy (CLSM). The statistical evaluation of the collected data was carried out with the help of the GraphPad Prism software at a significance level of p<0.05.
Es konnte nachgewiesen werden, dass die Bracketproben aus dem silberinfiltriertem Wolfram-Verbundmetall im Vergleich zu dem konventionellen Edelstahlbracketmaterial ein signifikant reduziertes Biofilmvolumen aufwiesen: a) Für unbehandelte Bracketproben beträgt das Biofilmvolumen für die Standardbrackets aus Edelstahl im Mittel 1.000.000 pm3 und bei den Brackets aus silberinfiltrierten Verbundmetall im Mittel nur 280.000 pm3 für LowAg bzw. 120.000 pm3 für HighAg (siehe Fig. 3). b) Für Brackets, die zuvor in der Zahnputzmaschine eine Abrasion erfahren haben, beträgt das Biofilmvolumen für die Standardbrackets aus Edelstahl im Mittel 1.600.000 pm3 und bei den Brackets aus silberinfiltrierten Verbundmetall im Mittel nur ± 420.000 pm3 für LowAg bzw. 230.000 pm3 für HighAg (siehe Fig. 4). It could be proven that the bracket samples made of the silver-infiltrated tungsten composite metal showed a significantly reduced biofilm volume compared to the conventional stainless steel bracket material: a) For untreated bracket samples, the biofilm volume for the standard brackets made of stainless steel is 1,000,000 pm 3 on average and for the brackets made of silver-infiltrated composite metal on average only 280,000 pm 3 for LowAg and 120,000 pm 3 for HighAg (see Fig. 3). b) For brackets that have previously been subjected to abrasion in the toothbrushing machine, the average biofilm volume for the standard brackets made of stainless steel is 1,600,000 pm 3 and for the brackets made of silver-infiltrated composite metal on average only ± 420,000 pm 3 for LowAg or 230,000 pm 3 for HighAg (see Figure 4).
Fig. 4 zeigt, dass auch bei Bracketmaterialproben, die zuvor einer Abrasion in der Zahnputzmaschine (s. Fig. 2) ausgesetzt waren, eine deutliche Reduktion des Biofilmvolumens vorliegt, d.h. die Wirkung des im Matrixwerkstoff infiltrierten Silbers bleibt trotz Abrasion der Randschicht dauerhaft erhalten. Die antibakterielle Wirkung des Silbers im Verbundmaterial zeigt sich deutlich, wenn der Biofilm, bestehend aus einer Vielzahl von Bakterien, nach der intraoralen Tragezeit fluoreszenzgefärbt und anschließend unter einem konfokalen Laser- Scanning-Mikroskop ausgewertet wird. Fig. 5 zeigt in hell lebende und in dunkel tote Bakterien. Fig. 4 shows that even with bracket material samples that were previously exposed to abrasion in the toothbrush machine (see Fig. 2), there is a significant reduction in the biofilm volume, ie the effect of the silver infiltrated in the matrix material is permanently retained despite abrasion of the edge layer. The antibacterial effect of the silver in the composite material is clearly shown when the biofilm, consisting of a large number of bacteria, is fluorescently stained after the intraoral wearing time and then evaluated under a confocal laser scanning microscope. 5 shows live bacteria in light and dead bacteria in dark.
Bei den Standardbrackets aus Edelstahl bilden sich beim Tragen in der Mundhöhle geschlossene Biofilme aus, sowohl für unbehandelte Brackets als auch für Brackets, die zuvor einer Abrasion in der Zahnputzmaschine unterzogen wurden (siehe Fig. 5 „Kontroll“ Gruppe). Closed biofilms form when the standard brackets made of stainless steel are worn in the oral cavity, both for untreated brackets and for brackets that have previously been subjected to abrasion in the toothbrush machine (see Fig. 5 "Control" group).
Flingegen ist beim Verbundmaterial mit wenig Silber (7-9 Gew.-% Ag) und mit viel Silber (9-14 Gew.-% Ag) nur eine geringe Biofilmausbildung zu sehen (siehe Fig. 5). Auch nach Abrasion in der Zahnputzmaschine liegt nur eine geringe Biofilmausbildung vor, d.h. dass im Material infiltrierte Silber ist wirksam. Flingegen, only slight biofilm formation can be seen in the composite material with little silver (7-9% by weight Ag) and with a lot of silver (9-14% by weight Ag) (see FIG. 5). Even after abrasion in the toothbrush machine, there is only a small amount of biofilm formation, i.e. the silver infiltrated in the material is effective.
Diese geringe Biofilmausbildung ist umso bedeutender, da bei der klinischen Studie die Zähne bzw. Bracketproben für 48 Stunden nicht geputzt wurden und trotzdem kaum Biofilm vorhanden ist. This low level of biofilm formation is all the more important because in the clinical study the teeth or bracket samples were not cleaned for 48 hours and yet there is hardly any biofilm.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verbundmaterial aus einem offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoff und elementarem Silber, wobei das elementare Silber in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs infiltriert ist, der Gehalt an Silber im Verbundmaterial zwischen 6 Gew.-% und 30 Gew.-% liegt, und der offenporig poröse, gesinterte Matrixwerkstoff aus mindestens einem Metall, mindestens einer Metalllegierung oder mindestens einer Keramik besteht. 1. Composite material made of an open-pore, porous, sintered matrix material and elemental silver, the elemental silver being infiltrated into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material, the silver content in the composite material being between 6% by weight and 30% by weight, and the open-pored, porous, sintered matrix material consists of at least one metal, at least one metal alloy or at least one ceramic.
2. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, wobei das Metall, die Metalllegierung oder die Keramik einen Schmelzpunkt von über 962°C aufweist und das elementare Silber in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs eingeschmolzen ist. 2. Composite material according to claim 1, wherein the metal, the metal alloy or the ceramic has a melting point of over 962° C. and the elemental silver is melted into the pores of the open-pore, porous, sintered matrix material.
3. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, wobei das elementare Silber in die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs galvanisch abgeschieden ist. 3. Composite material according to claim 1, wherein the elemental silver is electrodeposited in the pores of the open-pored, porous, sintered matrix material.
4. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 - 3, wobei das elementare Silber die Poren des offenporig porösen, gesinterten Matrixwerkstoffs ausfüllt. 4. Composite material according to any one of claims 1-3, wherein the elemental silver fills the pores of the open-pored, porous, sintered matrix material.
5. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 - 4, wobei der Matrixwerkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus oder umfassend medizinischem Edelstahl, CoCr-Legierungen, Eisen-Chrom-Mangan-Legierungen, Cobalt- Nickel-Chrom-Legierungen, Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen, Eisen-Cobalt- Nickel-Legierungen, Titanlegierungen, Tantal, Wolfram, Keramiken, Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid. 5. Composite material according to one of claims 1-4, wherein the matrix material is selected from the group consisting of or comprising medical stainless steel, CoCr alloys, iron-chromium-manganese alloys, cobalt-nickel-chromium alloys, iron-chromium Nickel alloys, iron-cobalt-nickel alloys, titanium alloys, tantalum, tungsten, ceramics, aluminum oxide and zirconium dioxide.
6. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 - 5 zur Reduzierung oder Verhinderung der Ausbildung und Anhaftung eines Biofilms an der Oberfläche des Verbundmaterials. 6. Composite material according to any one of claims 1-5 for reducing or preventing the formation and adhesion of a biofilm on the surface of the composite material.
7. Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 - 6, wobei der Gehalt an Silber im Verbundmaterial zwischen 9 Gew.-% und 17 Gew.-% liegt. 7. The composite material according to any one of claims 1-6, wherein the silver content in the composite material is between 9% by weight and 17% by weight.
8. Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 - 7 umfassend die folgenden Schritte: A) Bereitstellung eines körnigen Pulvers oder einer körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs; 8. A method for producing the composite material according to any one of claims 1 - 7 comprising the following steps: A) Provision of a granular powder or a granular powder mixture of the matrix material;
B) Herstellen eines Sinterrohlings aus dem körnigen Pulver oder aus der körnigen Pulvermischung des Matrixwerkstoffs aus Schritt A); B) producing a sintered blank from the granular powder or from the granular powder mixture of the matrix material from step A);
C) Sintern des Sinterrohlings gemäß Schritt B) unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs zu einem offenporigen Sinterling mit einer Porosität von 6% bis 30%; C) sintering of the sintered blank according to step B) below the melting temperature of the matrix material to form an open-pored sintered body with a porosity of 6% to 30%;
D) Infiltrieren des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) mit elementarem Silber bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind. D) infiltration of the open-pored porous sintered body according to step C) with elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei Schritt D) die folgenden Schritte umfasst: D1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) unter9. The method according to claim 8, wherein step D) comprises the following steps: D1) submerging the open-pore porous sintered body according to step C).
Unterdruckbedingungen in geschmolzenes elementares Silber bis die Poren mit elementarem Silber gefüllt sind; vacuum conditions into molten elemental silver until the pores are filled with elemental silver;
D2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt D1) aus dem flüssigen Silber und Abkühlen auf Raumtemperatur. D2) Removal of the sintered part according to step D1) from the liquid silver and cooling to room temperature.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei Schritt D) die folgenden Schritte umfasst D'1) Tauchen des offenporig porösen Sinterlings gemäß Schritt C) in ein10. The method according to claim 8, wherein step D) comprises the following steps:
Silberbad und galvanisches Abscheiden von elementarem Silber bis die Poren zumindest teilweise mit elementarem Silber gefüllt sind; silver bath and electrodeposition of elemental silver until the pores are at least partially filled with elemental silver;
D'2) Entnahme des Sinterlings gemäß Schritt D'1) aus dem Silberbad. D'2) Removal of the sintered part according to step D'1) from the silver bath.
11. Medizinisches Implantat enthaltend oder bestehend aus dem Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 - 7. 11. Medical implant containing or consisting of the composite material according to any one of claims 1-7.
12. Medizinisches Implantat gemäß Anspruch 11, wobei es sich bei dem medizinischen Implantat um ein medizinisches Kurzzeitimplantat oder ein medizinisches Langzeitimplantat handelt. 12. Medical implant according to claim 11, wherein the medical implant is a short-term medical implant or a long-term medical implant.
13. Medizinisches Implantat gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei es sich bei dem medizinischen Implantat um ein Dentalimplantat, Bracket, kieferorthopädischen Bogen, Ligatur, Band, dentale Verankerungsapparatur, Transpalatinalbogen, Lingualbogen, Temporary anchorage device, Minipin, Gaumenimplantat, Bollard Pin, Mini-Schraube, Zahninlay, metallische oder keramische konfektionierte Zahnkrone handelt. 13. Medical implant according to claim 11 or 12, wherein the medical implant is a dental implant, bracket, orthodontic arch, ligature, band, dental anchorage apparatus, transpalatal arch, lingual arch, temporary anchorage device, mini pin, palatal implant, bollard pin, mini screw, tooth inlay, metal or ceramic ready-made tooth crown.
14. Medizinisches Implantat gemäß einem der Ansprüche 11 - 13, wobei es sich bei dem medizinischen Implantat um ein orthopädisches Implantat, Gelenkimplantat, Zwischenwirbelimplantat, Knochenkeil oder Knochenschraube handelt. 14. Medical implant according to one of claims 11 - 13, wherein the medical implant is an orthopedic implant, joint implant, intervertebral implant, bone wedge or bone screw.
15. Medizinisches Implantat gemäß einem der Ansprüche 11 - 14, wobei das Verbundmaterial im medizinischen Implantat keine antibakterielle Beschichtung aufweist. 15. Medical implant according to one of claims 11-14, wherein the composite material in the medical implant has no antibacterial coating.
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