JP2011529850A

JP2011529850A - セラミック部材の製造方法

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Publication number: JP2011529850A
Application number: JP2011521487A
Authority: JP
Inventors: ヘルムート・デー・リンク
Original assignee: Deru GmbH
Current assignee: Deru GmbH
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: WO2010015414A1; JP5535212B2

Abstract

本発明は、セラミック部材の製造方法に関する。その方法によって、粉末状のセラミック基礎材料およびセラミック部材の形状を有するモールドを利用可能にする。セラミック基礎材料をモールドに導入する。セラミック部材を８８０℃〜９８０℃の間の温度で予備焼結させ、次にモールドから取り出す。セラミック部材の表面をブラスト材料で処理し、そのセラミック部材を予備焼結温度よりも高い温度で焼結させる。本発明に基づく方法では、より高い表面粗さを有するセラミック部材を製造することができる。より高い表面粗さのおかげで、セラミック部材にしっかり付着するコーティングを適用することは、より容易である。

Description

本発明は、セラミック部材の製造方法に関する。その方法では、粉末状のセラミック出発材料を利用可能にし、セラミック部材の形状を予め規定するモールドに導入する。セラミック部材を、予備焼結させ、モールドから取り出し、次に、予備焼結の温度よりも高い温度で焼結させる。

セラミック部材のそのような製造方法は、例えば欧州特許第０４２１０８５号により知られている。このようにして製造されたセラミック部材は、低い表面粗さを有し、それゆえ、セラミック部材にコーティングをしっかりと適用することは難しいことが分かっている。

本発明の目的は、セラミック部材の製造方法を提供することであり、その方法において、本発明に基づいて製造されたセラミック部材は、コーティングの適用にとってより良い出発基盤を提供する。先に記載の先行技術から進めて、その目的は、独立請求項の特徴によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項に明記されている。本発明に基づいて、予備焼結工程のために、８８０℃〜９８０℃の間の温度を選択する。予備焼結後かつ焼結前に、セラミック部材の表面をブラスト材料で処理する。

セラミック部材を製造するために、まず、粉末状のセラミック出発材料を、セラミック部材の形状を予め規定するモールドに導入する。セラミック部材の体積は、その後に続く加工工程の結果として減少するため、モールドは完成したセラミック部材よりも大きい。セラミック部材の安定な内部構造は、その後に続く焼結によって達成される。焼結は、粉末の粒子同士の確固とした接続をもたらす。

焼結を複数の工程で行なう。第１工程において、セラミック部材をより低温で予備焼結させ、粉末の粒子間に狭いブリッジのみを形成する。本発明に基づく方法にとっての狭いブリッジの安定性は、ちょうど、ブラスト材料による表面の処理が表面粗さの増加をもたらすようなものである必要がある。ブリッジの安定性が低すぎる場合、セラミック部材は、破砕して幾つかの部分に分かれてしまい、ブリッジの安定性が高すぎる場合、ブラスト材料による処理は、セラミック部材の表面構造を変化させるのに十分でない。予備焼結のために、８８０℃〜９８０℃の間の温度を選択する場合、ブラスト材料により表面構造の所望の変化が起きることを、試験は示した。そして、セラミック部材の内部構造は、ちょうど、ブラスト材料によってその部材から所望のサイズの断片が割れて取り出されることができるようなものである。

予備焼結の温度が上がると、粉末材料の粒子同士の接続の強さは一般的に増加する。予備焼結の温度は、９００℃よりも高い、あるいは９５０℃よりも低い場合、本発明に基づく方法によって、良好な結果が得られた。

セラミック部材をチタン合金で被覆することができるようにするために、表面粗さＲ_ａは２．５μｍよりも大きい必要がある（国際公開第２００９／０３６８４５号）。本発明の文脈における粗さの値は、ＤＩＮＥＮＩＳＯ４２８８および３２７４に基づく平均粗さＲ_ａに関わっており、ならびに焼結後の完成したセラミック部材に関わる。本発明に基づく方法によって達成される表面粗さは、ブラスト材料による処理にて選択されたパラメータによって決まり、例えば、ブラスト材料の粒子サイズおよび粒子がセラミック部材に衝突するスピードである。本発明に基づく方法において、完成したセラミック部材の表面粗さＲ_ａが２．５μｍよりも大きくなるように、これらのパラメータを適応させることが好ましい。１つの作業工程で、表面を覆うようにコーティングを適用することができることを、確実にするために、完成したセラミック部材の表面粗さＲ_ａは、７μｍ以下であるべきである。

本発明の文脈において、セラミック部材の表面全体を、ブラスト材料で処理することができる。このことは、セラミック部材の表面全体にコーティングを提供すべき場合には、都合が良い。しかしながら、表面の一部のみが被覆されるべきで、一方、表面の別の部分はコーティングがないままにすべきであることが多い。これは、例えば内部人工器官部材に当て嵌まり、その表面は一部で、骨質との接続を形成するように意図され、一方、別の部分は、別の人工器官部材との相互作用のためにスライド表面として機能するように意図される。スライド表面にとって、大きな表面粗さは望ましくない。従って、本発明に基づく方法において、セラミック部材の表面の一部のみがブラスト材料で処理され、一方、表面の別の部分はブラスト材料による処理から除外されたままであるという条件を付けることができる。本発明の文脈において、セラミック部材の表面の処理について言及する場合、これは、表面全体または表面の一部を意味することができる。

ブラスト材料の粒子サイズは、セラミック出発材料の粒子サイズと同じオーダーであることが好ましい。その場合、ブラスト材料は、セラミック部材に特に効果的に作用することができる。しかしながら、そのようなブラスト材料を用いる場合、取り出される断片の結果としてセラミック材料に生じる隙間に、ブラスト材料の粒子が付着するという危険がある。その場合、粒子は、セラミック材料において不純物を意味する。この種の不純物は、セラミック出発材料の粉末と対応する（corresponds）粉末を、ブラスト材料として用いることによって防ぐことができる。この材料の粒子がセラミック部材内に付着しても、それらは、セラミック材料の同質な組成を変えない。

セラミック部材の表面に適用されるコーティングは、チタン合金または純チタンでできていてよい。コーティングを適用するための可能な方法は、プラズマ溶射である。プラズマ溶射は、ガスが電気アークを通って導かれ、それによって電離される方法である。コーティング材料は、粉末状で電離ガスに導入され、そのガスのストリームによって被覆すべき加工物に運ばれる。

ジルコニウム酸化物、アルミニウム酸化物およびこの２つの混合物は、本発明に基づく方法にとって、セラミック材料として適当であることが分かった。

本発明を、添付図面を参照し、有利な例示的な実施形態に基づいて、以下でより詳細に説明する。図面は以下のとおりである。

図１は、断面における椎間板人工器官を示す。図２は、図１に基づく椎間板人工器官の拡大詳細図を示す。図３は、出発状態のセラミック材料の内部構造の概略図を示す。図４は、予備焼結後の図３に由来する図面を示す。図５は、焼結後の図３に由来する図面を示す。

図１において、椎間板人工器官として構成された内部人工器官が、２つの脊椎体６、７の間の椎間腔に挿入されている。椎間板人工器官は、第１コンタクトプレート１および第２コンタクトプレート２を有して成る。第１コンタクトプレート１は、第１脊椎体６に接続するために構成された内部人工器官部材であり、第２コンタクトプレート２は、第２脊椎体７に接続するために構成された内部人工器官である。

第１コンタクトプレート１および第２コンタクトプレート２は、スライド表面３を合わせることによって、互いに圧迫し合う。スライド表面３は、上側コンタクトプレート１と下側コンタクトプレート２との間の動きのためのヒンジを形成する。

突出部１２は、コンタクトプレート１、２の表面の領域１３に形成され、その領域において、コンタクトプレート１、２は脊椎体６、７の骨質上に位置する。突出部１２は、より緩やかなフランクをコンタクトプレート１、２が椎間腔に押し込まれる方向に有し、より急なフランクを反対方向に有する。緩やかな方のフランクは、コンタクトプレート１、２を椎間腔に押し込むのをより容易にさせる。突出部１２が脊椎体６、７の骨質に侵入した場合、急な方のフランクは、コンタクトプレート１、２を維持させる。急な方のフランクは、コンタクトプレート１、２が椎間腔から反対方向に再び引き戻されるのを防止する。

コンタクトプレート１、２のフランジ４、５は、脊椎体６、７の腹側の面上に位置することが意図される。フランジ４、５は、コンタクトプレート１、２が所望の位置よりも遠くへ背側の方向に椎間腔の中へ押し込まれることができないという効果をもたらす。

コンタクトプレート１およびコンタクトプレート２は、セラミック材料９から形成される。コンタクトプレート１、２上のスライド表面３は、セラミック材料９の表面に形成される。骨質との接続が確立される領域１３は、チタン合金コーティング１０で被覆される。

図２は、コンタクトプレート１、２の拡大詳細図を示し、そこにおいて、セラミック材料９とコーティング１０との間に界面８が図示される。セラミック材料９は、コーティング１０との界面８にて、少なくとも２．５μｍの粗さＲ_ａを有する。界面８におけるこの粗さは、コーティング１０との安定な接続を確立するには十分であるが、骨質との安定な接続には十分ではない。コーティング１０は、セラミック材料９よりも、より大きな粗さおよびより大きな多孔性を有し、それによって、骨質との安定な接続を形成する。

表面の一部が所望の粗さを有する内部人工器官部材として、セラミック部材を製造するために、まず、粉末状で存在する出発材料を、製造することになっているセラミック部材と形状が対応するモールドに導入する。セラミック部材は、その後の方法工程の結果として体積が減少するため、モールドは、完成したセラミック部材よりも大きな大きさを有する。その粉末を、例えば振動および圧力によって、モールド内で機械的に圧縮し、そうすると、図３にて概略的に図示されるように、粉末の粒子１４は互いに隣接する。９２０℃の温度での予備焼結の結果、（図４に図示される）ブリッジが、粒子１４間に生じる。今やセラミック部材をモールドから取り出すことができるほど、材料の内部構造は安定である。

ブリッジ１５によって、セラミック材料は、穿孔またはフライス削りによる機械加工のために選択されるであろうものよりも、その構造に関してより大きな安定性を有する。構造の安定性は、具体的に言うと、出発材料と対応する粉末でブラストすることによって、予備焼成したセラミック材料から断片を切り離すことができるほどである。その断片は、焼成後、完成したセラミック部材が所望の表面粗さを有するほどの大きさである。

所望の表面構造を得て、機械加工が終了したら、セラミック部材を、予備焼結の温度よりも高い温度で焼結させる。以前ブリッジ１５によってしか接続されていなかった粒子の界面に、平面的な接続１６が生じる。内部から空隙が無くなるため、セラミック部材の体積は更に減少する。ブラスト材料により処理された表面の部分にて、今やその表面は、約４μｍの粗さＲ_ａを有する。表面のこの部分に適用されるチタン合金でできたコーティングは、表面にしっかりと付着する。

Claims

セラミック部材の製造方法であって、以下の工程：
ａ．粉末状のセラミック出発材料を利用可能にする工程；
ｂ．セラミック部材の形状を予め規定するモールドを利用可能にする工程；
ｃ．セラミック出発材料をモールドに導入する工程；
ｄ．セラミック部材を８８０℃〜９８０℃の間の温度で予備焼結させる工程；
ｅ．セラミック部材をモールドから取り出す工程；
ｆ．セラミック部材の表面をブラスト材料で処理する工程；
ｇ．セラミック部材を予備焼結の温度よりも高い温度で焼結させる工程
を含む方法。
予備焼結の温度は、９００℃よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
予備焼結の温度は、９５０℃よりも低いことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
表面の一部におけるセラミック部材の粗さＲ_ａは、２．５μｍよりも大きいことを特徴とする、請求項１〜請求項３の１つに記載の方法。
粒子サイズがセラミック出発材料の粒子サイズに対応するブラスト材料が、用いられることを特徴とする請求項１〜請求項４の１つに記載の方法。
セラミック出発材料と対応する材料が、ブラスト材料として用いられることを特徴とする、請求項１〜請求項５の１つに記載の方法。
チタン合金でできたコーティングが、セラミック部材の表面に適用されることを特徴とする、請求項１〜請求項６の１つに記載の方法。
セラミック部材の表面全体が、ブラスト材料で処理されることを特徴とする、請求項１〜請求項７の１つに記載の方法。
セラミック部材の表面の一部は、ブラスト材料による処理から除外されたままであることを特徴とする、請求項１〜請求項７の１つに記載の方法。