WO2007073867A1

WO2007073867A1 - Keramisches schneidwerkzeug

Info

Publication number: WO2007073867A1
Application number: PCT/EP2006/012003
Authority: WO
Inventors: Peter A. Schulz; Thomas Bödecker; Walter Martin
Original assignee: Grönemeyer Medical GmbH & Co. KG
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2007-07-05
Also published as: DE102005059864A1; DE102005059864B4

Abstract

Keramisches Schneidwerkzeug, insbesondere für chirurgische Zwecke, aus einer Dispersionskeramik mit ZrO2, wobei das ZrO2 mit 0,05 bis 0,5 Mol-% Al2O3 und 3,0 bis 7,0 Mol-% Y2O3 stabilisiert ist, wobei das Schneidwerkzeug durch Sintern eines Formkörpers und anschließende HIP-Behandlung in Gegenwart von Sauerstoff bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur erhältlich ist.

Description

Keramisches Schneidwerkzeug

Die Erfindung betrifft ein keramisches Schneidwerkzeug aus einer Dispersionskeramik mit ZrO₂, das mit 0,05 bis 0,5 Mol-% AI₂O₃ und 4,0 bis 7,0 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert ist.

Schneidwerkzeuge auf keramischer Basis haben aufgrund ihrer Eigenschaften Eingang in viele Bereiche der Technik gefunden. Keramische Messer erlauben ein präzises Arbeiten bei hoher Standfestigkeit des Schneidgerätes und vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten unter Vermeidung von metallischen Werkstoffen.

Aufgrund ihrer Eigenschaften wurden keramische Werkstoffe auch für medizinische Schneidwerkzeuge vorgeschlagen. Diese Werkstoffe bietet ausgezeichneten Schneideigenschaften und sind antiallergen. Sie laden sich statisch nicht auf und können mit beliebigen anderen Werkstoffen kombiniert werden. Keramik ist leichter als Stahl, elektrisch nicht leitend und weist eine hohe Festigkeit und Härte auf.

Ein Nachteil keramischer Schneidwerkzeuge ist allerdings ihre für hohe Beanspruchung häufig nicht ausreichende Bruchfestigkeit. Insbesondere bei chirurgischen Werkzeugen besteht somit das Risiko, dass bei Bruch des Werkzeuges Keramikpartikel in der Wunde zurückbleiben, abgesehen von den Komplikationen, die von einem Werkzeugbruch bei der Durchführung einer Operation und beim Heilungsprozess ausgehen können. Aus diesem Grunde haben sich keramische Werkstoffe in der Chirurgie nicht weit durchsetzen können.

Aus der DE 197 37 104 A1 sind Schneidvorrichtungen für medizinische Zwecke zum Herstellen von kleinen Schnitten in Weichgeweben bekannt, die aus einer Keramik auf Zirkonoxid-Basis bestehen, die durch Yttriumoxid, Ceroxid oder Aluminiumoxid stabilisiert ist. Alternativ kann eine Mischkeramik auf Aluminiumoxidbasis verwandt werden. DE 102 43 104 A1 beschreibt ferner Schneidwerkzeuge aus keramischen Werkstoffen, wobei für diese keramische Werkstoffe Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid verwendet werden. Mischungen dieser Oxide werden als vorteilhaft beschrieben. Eine durch AI₂O₃-Dotierung stabilisierte Keramik aus tetragonalen Zirkon-Polykristallen wird als in der Bruchfestigkeit verbessert beschrieben und soll eine hervorragende Biokompatibilität aufweisen.

Eine Ceroxid-haltige Zirkonoxidkeramik mit stabilisierenden Mengen an Yttriumoxid und Zirkonoxid ist weiterhin aus EP 1 508 554 A2 bekannt. Diese Keramik zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus, wird als bioverträglich beschrieben und ist zur Herstellung von Implantaten vorgesehen.

Diese Zirkonoxidkeramiken sind inzwischen für viele medizinische Zwecke einsetzbar, bleiben aber für manche Anwendungen immer noch hinsichtlich ihrer Festigkeit und vor allem Bruchsicherheit verbesserungsfähig. Hinzu kommt die Neigung dieser Zirkonkeramiken, unter Feuchtigkeitseinflus an Festigkeit zu verlieren, insbesondere bei erhöhter Temperatur, was die Wiederverwendbarkeit insbesondere von chirurgischen Schneidwerkzeugen stark einschränkt.

Shaver sind motorgetriebene Instrumente, die für verschiedene Anwendungsbereiche geeignet sind, beispielsweise für die Resektion von

Meniskusgewebe, die Synoviaresektion, die Resektion von Narbengewebe, bei der Knorpelglättung, beim Anfräsen und Bearbeiten von frei liegenden Knochen und zur Glättung von Borkanaleingängen. Eine Vielzahl von weiteren

Anwendungen ist bekannt geworden. Neben elektrochirurgischen Shavern werden solche mit schnell drehenden Messerköpfen eingesetzt. Die Rotationsgeschwindigkeiten, die beispielsweise zur Bearbeitung von Knochen benötigt werden, gehen hinauf bis zu 10.000 UPM.

Die Schneidköpfe eines Shavers sind in der Regel an einem angetriebenen Schaft befestigt, der wiederum in einer Hülse rotiert, aus der der Schneidkopf seitlich herausragt. Die Hülse kann gleichzeitig zur Absaugung von abgeschnittenem Gewebe- und Knochenmaterial verwandt werden.

Bedingt durch das weite Einsatzfeld, die teilweise sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten und die Härte des zu schneidenden Materials wirken auf den Schneidkopf eines Shavers erhebliche Kräfte ein, die zum einen zu einem schnellen Verlust der Schneidwirkung führen und zum anderen zur Beschädigung der Klingen bzw. Schneidkanten. Insbesondere wegen der auf rotierende Messer seitlich einwirkenden Kräfte besteht bei der Verwendung von keramischen Materialien gerade hier die Gefahr, dass es zu Ausbrüchen im Bereich der Schneidkanten kommt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Material bereitzustellen, aus dem medizinische Schneidwerkzeuge, etwa Schneidköpfe für Shaver hergestellt werden können. Solche Schneidwerkzeuge wären aufgrund ihrer Eigenschaften entsprechend auch für andere chirurgische und technische Zwecke brauchbar.

Diese Aufgabe wird mit einem keramischen Schneidwerkzeug der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Zirkonoxid-Dispersionskeramik durch ein Sintern eines Formkörpers und anschließende HIP-Behandlung in Gegenwart von Sauerstoff bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur erhältlich ist.

Das erfindungsgemäße keramische Schneidwerkzeug besteht aus einer Sinterkeramik, die im Wesentlichen aus ZrO₂, das mit 4,0 bis 7,0 Mol-% Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiert ist und darüber hinaus 0,05 bis 0,5 Mol-% AI₂O₃ enthält. Das Zirkonoxid kann geringe Menge weiterer oxidischer Materialien enthalten, beispielsweise Ceroxid, jedoch ist reines Zirkonoxid aufgrund seiner guten physiologischen Verträglichkeit bevorzugt, d. h. die erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuge bestehen aus Zirkonoxid, Aluminiumoxid und Yttriumoxid.

Besonders geeignet sind tetragonale Zirkonoxidpolykristalle, die mit Yttriumoxid stabilisiert sind, wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften. Tetragonales Zirkonoxid, selbst wenn es mit Yttriumoxid stabilisiert ist, neigt aber dazu, aus dem metastabilen tetragonalen in den stabilen monoklinen Zustand überzugehen. Dieser Übergang in den monoklinen Zustand setzt bei erhöhten

Temperaturen ein, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 200°C, wird aber auch durch Feuchtigkeit ausgelöst. Da mit dem Übergang eine Volumenvergrößerung verbunden ist, führt dies automatisch zu einer Lockerung des Gefüges und zur Unbrauchbarkeit des Werkzeuges.

Diese Neigung zum Übergang aus der metastabilen tetragonalen Kristallform in die stabile monokline Kristallform kann durch den Zusatz von geringen Mengen Aluminiumoxid vermieden bzw. verlangsamt werden, ohne dass die sonstigen Eigenschaften darunter leiden. Die mit Aluminiumoxid zusätzlich stabilisierte Keramik aus Zirkonoxid und Yttriumoxid ist somit weithin feuchtigkeitsbeständig und kann auch bei erhöhten Temperaturen behandelt werden, beispielsweise zur Sterilisierung nach einem erfolgten Einsatz.

Das mit Yttriumoxid und Aluminiumoxid stabilisierte Zirkonoxid weist aber immer noch eine nicht immer ausreichende Festigkeit für Anwendungen auf, bei denen es zum Kontakt mit harten Materialien kommt, etwa Knochen oder Implantaten.

Überraschend wurde gefunden, dass durch eine geeignete Behandlung des Sinterteils nach dem Brennvorgang die Festigkeit des Materials deutlich erhöht und insbesondere die Bruchfestigkeit um 50 bis 80 % verbessert werden kann. Hierzu wird der Rohling nach dem Sintern einer HIP-Behandlung (Hot Isostatic Pressing) in Gegenwart von Sauerstoff bei einer Temperatur knapp unterhalb der Sintertemperatur unterworfen. In Gegenwart von Sauerstoff bedeutet, dass die Behandlung in Luft, in reinem Sauerstoff oder in einer Atmosphäre, die Sauerstoff und andere Gase enthält, durchgeführt wird. Die HIP-Behandlung erfolgt bei Temperaturen, die zu einem erneuten Erweichen des Rohlings führt und damit zu einer Nachverdichtung. Die Temperatur der HIP-Behandlung sollte deshalb wenig unter der Sintertemperatur liegen und bei einem Druck, der zu einer Erhöhung der Dichte bis in die Nähe der theoretischen Dichte führt. Die Gegenwart von Sauerstoff bedingt eine oxidierende Atmosphäre die geeignet ist, Sauerstoff-Fehlstellen im Kristallgitter aufzufüllen und damit die chemische Stabilität zu verbessern.

Im Allgemeinen liegt die Temperatur für die HIP-Behandlung im Bereich von 1200 bis 1300⁰C und insbesondere etwa bei 1250⁰C. Sie sollte insbesondere nicht mehr als 100°C unter der Sintertemperatur liegen und besonders bevorzugt etwa 50 bis 100°C unter der Sintertemperatur. Der Druck wird auf einen Wert im Bereich von 800 bis 1200 Bar eingestellt, insbesondere auf einen Wert von 1000 Bar +/- 100 Bar.

Die Sintertemperatur selbst hängt von der Zusammensetzung der Dispersionskeramik ab und liegt in der Regel im Bereich von 1350⁰C +/- 50⁰C.

Der Gehalt an Aluminiumoxid bewegt sich im Bereich von 0,05 bis 0,5 Mol-%, bezogen auf das Zirkonoxid. Insbesondere ist der Gehalt an Aluminiumoxid nicht höher als 0,2 Mol-%.

Erfindungsgemäß beträgt der Gehalt an Yttriumoxid im Keramikwerkstoff 4,0 bis 7,0 Mol-%, bezogen auf das Zirkonoxid. Bevorzugt sind Gehalte im Bereich von 4,5 bis 5,5 Mol-% und insbesondere ein Gehalt von nicht mehr als 5,3 Mol-%.

Die erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuge, insbesondere Schneidköpfe für Shaver, werden aus den fein gemahlenen Ausgangsoxiden durch gründliches Mischen der Bestandteile, Kompaktieren zu einem Formkörper, Sintern und anschließende HIP-Behandlung bei den vorstehend angegebenen Drücken und Temperaturen hergestellt. Für das Kompaktieren werden die auf diesem Gebiet üblichen Bedingungen, insbesondere Drücke, angewandt. Die Korngrößen der Ausgangsmaterialien bewegen sich in den üblichen Bereichen, beispielsweise um eine mittlere Korngröße von 0,2 μm. Der verdichtete Formkörper (Grünkörper) wird zu einem Rohling gesintert, der anschließend zu dem fertigen Schneidwerkzeug in Gegenwart von Sauerstoff HIP-behandelt wird.

Die erfindungsgemäße Schneidkeramiken können mit Vorteil auf einer Vielzahl von technischen Gebieten eingesetzt werden, sind aber insbesondere für medizinische Anwendungen geeignet, etwa für chirurgische Messer, Sägen, Fräsen, Bohrer und dergleichen. Sie verfügen über eine außerordentlich gute physiologische Verträglichkeit, sind standfest und verlieren auch nach mehreren Einsätzen ihre Schneidhaltigkeit nicht.

Die Erhaltung der Schneidhaltigkeit ist insbesondere bei der Anwendung in Shavern von Vorteil. Shaver mit herkömmlichen Köpfen aus Stahl verlieren ihre

Schneidhaltigkeit nach dem zweiten oder dritten Einsatz, so dass sie ersetzt werden müssen. Dies ist für die Kliniken mit erheblichen Kosten verbunden.

Überraschend hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen keramischen

Schneidköpfe für Shaver ohne Weiteres 15 bis 20 mal eingesetzt werden könne, ohne dass sie ihre Schneidhaltigkeit verlieren. Gleichzeitig sind sie problemlos in allen üblichen Sterilisieranlagen zu sterilisieren und können darüber hinaus auch bei Temperaturen von 200⁰C und mehr hitzesterilisiert werden.

Entsprechend betrifft die Erfindung auch einen Shaver, der ein Schneidwerkzeug der vorstehend beschriebenen Art aufweist. Dabei ist insbesondere der Kopf aus dem erfindungsgemäßen keramischen Material gefertigt und mit einer herkömmlichen Shaverstruktur, d. h. einem Schaft, der in einer üblichen Hülse verläuft, verbunden. Kopf und Schaft sind dabei auf an und für sich bekannte Art und Weise form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch formschlüssiges zusammenstecken entsprechend gestalteter Kupplungselemente und Verkleben dieser Struktur, durch Verkleben oder durch Einwalzen des Keramikschneidkopfes in die Schaftstruktur. Des Weiteren ist es möglich, den Kopf mit einem Einsteckstift zu versehen, der in eine entsprechende stirnseitige Ausnehmung des Schafts eingeführt und dort mit einer Hinterschneidung verrastet wird.

Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher erläutert. Von diesen zeigt: Figur 1 einen erfindungsgemäßen Shaver;

Figur 2 einen einsteckbaren Messerkopf für einen derartigen Shaver und

Figur 3 einen Shaver mit einem Spülkanal.

Der Shaver 1 gemäß Figur 1 besteht aus einem Schaft 2, der an seiner Spitze 4 eingesteckt einen Keramikschneidkopf 3 aufweist. Der Schaft 2 geht an den dem Keramikschneidkopf 3 gegenüberliegenden Ende in das Halteteil 5 über, das seinen Vorsprüngen 6 in eine entsprechende Aufnahme des Antriebselementes eingesetzt werden kann. Bei der Anwendung befindet sich der Schaft 2 in einer hier nicht dargestellten Hülse mit einem seitlichen Fenster geeigneter Geometrie, durch das der Schneidkopf 3 mit dem Gewebe in Berührung kommt.

Figur 2 zeigt einen Schneidkopf 3 gemäß der Erfindung mit einem Einsteckelement 7, das in eine entsprechend gestaltete Ausnehmung an der Stirnseite des Schafts 2 form- und kraftschlüssig eingesteckt werden kann. Das Einsteckelement 7 weist eine umlaufende Hinterschneidung 8 auf, die mit einem entsprechenden Vorsprung des Schafts 2 zusammenwirkt und einen festen Sitz des Schneidkopfes im Schaft gewährleistet. Das Halteelement 7 kann alternativ in die entsprechende Aufnahme des Schaftes 2 eingeklebt oder eingewalzt sein; bevorzugt ist eine sowohl form- als auch eine kraftschlüssige Verbindung des Schneidkopfes 3 mit dem Schaft 2.

Figur 3a zeigt einen Shaver mit dem Schneidkopf 3 und dem Schaft 2. Der Schaft selbst ist als Hohlelement ausgebildet mit einer seitlichen Öffnung 9, durch die Spülflüssigkeit zugeführt bzw. Gewebematerial abgesaugt werden kann. Figur 3b zeigt den Schneidkopf in der Draufsicht mit der Öffnung 9 des im Schaft verlaufenden Kanals.

Figur 3c zeigt die Anordnung des Schneidkopfes 3 innerhalb des oval gestalteten Fensters 11 einer Hülse 10. Gemäß einer weiteren und bevorzugten Ausführungsform kann alternativ oder zusätzlich zu dem Kanal und Absaugfenster 9 im Schaft 2 ein Spülkanal mit einem oder mehreren Spülöffnungen im Schneidkopf selbst vorgesehen sein, wobei das oder die Spülfenster sich im vorderen Bereich des Schneidkopfes zwischen zwei Schneidkanten befinden. Sind mehrere Spülfenster im Schneidkopf vorgesehen, befinden die sich vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt, beispielsweise zwei oder drei Spülfenster in gleichmäßigen Abschnitten. Auf diese Weise kann der Schneidkopf von sich festsetzendem Gewebe frei gespült werden. Figur 3c zeigt die Spülkanalöffnung 9 im Schneidkopf 3 zwischen zwei Schneidkanten 12. Der Spülkanal verläuft vorzugsweise mit einem Winkel von 10 bis 30°, bezogen auf die Achse des Schafts, nach außen, so dass sich ein im Wesentlichen nach vorn zur Spitze des Shavers, gerichteter Spülstrahl ergibt. Zusätzlich kann ein Absaugkanal vorhanden sein, dessen Öffnung sich dann im Schaft 2 befindet.

Nach den vorstehenden Ausführungen können Bohrer für medizinische Zwecke konzipiert werden, beispielsweise auch Hohlbohrer.

- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche

1. Keramisches Schneidwerkzeug, insbesondere für chirurgische Zwecke, aus einer Dispersionskeramik mit ZrO₂, wobei das ZrO₂ mit 0,05 bis 0,5 Mol-% AI₂O₃ und 3,0 bis 7,0 Mol-% Y₂O₃ stabilisiert ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass es durch Sintern eines Formkörpers und anschließende HIP-Behandlung in Gegenwart von Sauerstoff bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur erhältlich ist.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die HIP-Behandlung bei einer Temperatur von 1200 bis 1300⁰C durchgeführt wird.

3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der HIP-Behandlung bei etwa 1250⁰C liegt.

4. Schneidwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur im Bereich von 1300 bis 1400⁰C durchgeführt wird.

5. Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur bei etwa 1350⁰C liegt.

6. Schneidwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gehalt von < 0,2 Mol-% AI₂O₃.

7. Schneidwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Y₂O₃-Gehalt von 4,5 bis 5,5 Mol-%.

8. Shaver mit einem keramischen Schneidkopf, nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Shaver nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf mit einem Schaft form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist.

10. Shaver nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf mit dem Schaft verklebt ist.

11. Shaver nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf mit einer Passform in den Schaft eingewalzt ist.

12. Bohrer mit einem keramischen Schneidkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

13. Hohlbohrer nach Anspruch 12.

14. Medizinisches Instrument nach einem der Ansprüche 8 bis 13 mit einem Spül- und/oder Absaugkanal.

15. Medizinisches Instrument nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal im Schaft, angrenzend an den Schneidkopf, mündet.

16. Medizinisches Instrument nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal innerhalb des Schneidkopfes, zwischen zwei

Schneidkanten, mündet.