WO2010130805A2 - Implantat und verfahren zur herstellung eines implantats - Google Patents

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    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Definitions

  • the invention relates to an implant, in particular an artificial knee or hip joint.
  • an artificial knee or hip joint for example, a cobalt-chromium alloy.
  • a cobalt-chromium alloy does not have particularly good biocompatibility.
  • Chromium or nickel in particular, can contribute to the development of allergies.
  • titanium has the disadvantage that it is relatively soft. Titanium implants are manufactured by means of metal-cutting processes. This is extremely costly and time consuming.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • an implant with improved properties should be specified.
  • a method for producing such an implant should be specified.
  • an implant made from a titanium aluminide alloy is proposed.
  • the titanium aluminide alloy is an intermetallic compound containing titanium and aluminum as main constituents.
  • a titanium aluminide alloy alloy The implant has significantly improved wear properties compared to prior art implants.
  • vanadium as an alloying ingredient can be dispensed with. Vanadium causes according to recent findings a reduction in biocompatibility.
  • a structure of the titanium aluminide alloy has two phases.
  • a first phase can be ⁇ -TiAl and a second phase can be CX 2 -Ti 3 Al. It has proven to be expedient to set a ratio ⁇ 2 / ⁇ of between 0.03 and 0.15.
  • the microstructure is a near-gamma microstructure.
  • Such a structure has equiaxed ⁇ grains and ⁇ 2 grains at grain boundaries or triple points.
  • the microstructure may also be a Duplex structure.
  • Such a structure has globular ⁇ grains and ⁇ 2 / ⁇ grains.
  • the TiAl alloy has the following composition:
  • X2 niobium (Nb), tungsten (W), tantalum (Ta), rhenium (Rh)
  • X3 O, C.
  • a lower limit of the aluminum content may be 45 at% instead of the aforementioned 43 at%, ie Al (45-49 at%). It has proven to be expedient to use, for example, yttrium and / or praseodymium in the alloy constituent X1 as rare earth metal.
  • the implant has on its surface a fluorine concentration of 5.0 * 10 ⁇ 4 mol fluorine / cm2 to 0.5 mol or FIU / cm 2.
  • the fluorine concentration of 6.5 * 10 ⁇ 4 mol of fluorine / cm 2 to 3.5 ⁇ 10 -2 mole fluorine / cm 2.
  • the proposed implant is particularly suitable for the production of artificial knee or hip joints because of its excellent strength and biocompatibility.
  • the semifinished product may be a granulate or an ingot, which is already formed from an intermetallic titanium aluminide alloy.
  • a semi-finished product can for example, by compressing a mixture of an aluminum powder with a titanium powder and then heating to a temperature below the melting temperature of aluminum and titanium.
  • the mold may be provided on its inside with a so-called face-coat layer, which is formed essentially of yttrium oxide.
  • a MgO-based hydraulic binder may be added to the yttria.
  • the amount of such an additive is suitably less than 15% by weight, preferably 1 to 13% by weight.
  • vacuum is understood to mean a pressure in the range from 5 to 100 mbar, preferably 10 to 30 mbar.
  • the implant is advantageously produced as a casting of the titanium aluminide alloy.
  • the production by casting technique can be performed relatively easily and quickly. With a suitable process control, a subsequent complex process required according to the prior art can be used
  • the implant is produced from the titanium aluminide alloy by means of forging under isothermal or quasi-isothermal conditions in the region of the temperature of the ( ⁇ + ⁇ ) phase.
  • the corresponding temperature of the ( ⁇ + ⁇ ) phase can be taken from the TiAl phase diagram.
  • the implant preferably for a period of 1 to 200 hours, more preferably for a period of 80 to 150 hours, heated to a temperature which is in the range of eutectic temperature and lower than the alpha transus temperature is.
  • the temperature may be 10 to 50 0 C higher or lower than the eutectic temperature.
  • a layer formed from Al 2 O 3 can be produced at least on a tribologically stressed surface of the implant.
  • the aforementioned Al 2 O 3 layer can be produced from the base material via the known halogen effect.
  • a surface of the implant at a temperature of 750 ° C to 1100 0 C with fluorine or a fluorine compound in contact.
  • the centrifugal casting can be carried out at a low partial pressure under fluorine gas atmosphere.
  • a combined implantation with fluorine and silicon causes a particularly good oxidation resistance.
  • the aforementioned example alloy can be cast by centrifugal casting.
  • a casting made therefrom which may for example have the shape of a knee implant, may subsequently be subjected to a heat treatment.
  • the casting is heated for a period of 5 hours to a temperature which is about 20 0 C higher than the eutectic temperature.
  • the microstructure can be adjusted.
  • it can be used to lower a transition temperature for the brittle-ductile transition of the alloy and at the same time increase the tensile strength and the ductility.
  • the heat treatment can be done in one Fluorine atmosphere take place. This causes an improvement in the oxidation resistance of the implant.
  • HIP hot isostatic pressing
  • At least one tribologically stressed surface of the implant can be provided with a layer formed from Al 2 O 3 .
  • the aforementioned Al 2 O 3 layer can be prepared from the base material by means of a high-temperature treatment, for. B. at 800 to 950 0 C, and / or generated via the known halogen effect.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Implantat, welches aus einer Titanaluminid-Legierung hergestellt ist.

Description

Implantat und Verfahren zur Herstellung eines Implantats
Die Erfindung betrifft ein Implantat, insbesondere ein künst- liches Knie- oder Hüftgelenk.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, ein künstliches Knie- oder Hüftgelenk beispielsweise aus einer Kobalt-Chromlegierung herzustellen. Eine solche Legierung weist keine be- sonders gute Biokompatibilität auf. Insbesondere darin enthaltenes Chrom oder auch Nickel können zur Entstehung von Allergien beitragen.
Zur Überwindung dieses Nachteils werden Knie- oder Hüftim- plantate heute im Wesentlichen aus Titan hergestellt. Titan hat allerdings den Nachteil, dass es relativ weich ist. Die Herstellung von Implantaten aus Titan erfolgt mittels spanabhebender Verfahren. Das ist äußerst kosten- und zeitaufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Implantat mit verbesserten Eigenschaften angegeben werden. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Implantats ange- geben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11 und 13 bis 16.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein aus einer Titanaluminid- Legierung hergestelltes Implantat vorgeschlagen. Bei der Titanaluminid-Legierung handelt es sich um eine intermetallische Verbindung, welche als Hauptbestandteile Titan und AIu- minium enthält. Ein aus einer Titanaluminid-Legierung herge- stelltes Implantat weist im Vergleich zu Implantaten nach dem Stand der Technik erheblich verbesserte Verschleißeigenschaften auf. Im Vergleich zu herkömmlicherweise verwendeten Titanlegierungen kann bei der Verwendung der vorgeschlagenen Titanaluminid-Legierung auf Vanadium als Legierungsbestandteil verzichtet werden. Vanadium bewirkt nach neueren Erkenntnissen eine Verminderung der Biokompatibilität. Ferner kann auch auf den in anderen herkömmlichen Titanlegierungen verwendeten weiteren Legierungsbestandteil Molybdän verzich- tet werden, der ebenfalls zu einer Verminderung der Biokompatibilität beiträgt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein Gefüge der Titanaluminid-Legierung zwei Phasen auf. Dabei kann eine ers- te Phase γ-TiAl und eine zweite Phase CX2-Ti3Al sein. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, ein Verhältnis α2/γ zwischen 0,03 und 0,15 einzustellen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das Gefüge ein near- Gamma-Gefüge . Ein solches Gefüge weist äquiaxiale γ-Körner und an den Korngrenzen oder Triplepunkten befindliche α2- Körner auf. Bei dem Gefüge kann es sich aber auch um ein Dup- lex-Gefüge handeln. Ein solches Gefüge weist globulare γ- Körner und α2/γ-Körner auf.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die TiAl-Legierung die folgende Zusammensetzung auf:
Al (43-49 at%), Xl (2-4 at%), X2 (1-8 at%) , X3 (< 1 at%) , Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei
Xl = Seltenerdmetall
X2 = Niob (Nb) , Wolfram (W) , Tantal (Ta) , Rhenium (Rh) X3 = O, C. Eine Untergrenze des Aluminiumgehalts kann statt der vorerwähnten 43 at% auch 45 at% betragen, d. h. Al (45-49 at%) . Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, im Legierungsbestandteil Xl als Seltenerdmetall beispielsweise Yttrium und/oder Praseodym zu verwenden.
Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Implantat an seiner Oberfläche eine Fluorkonzentration von 5,0 * 10~4 mol Fluor/cm2 bis 0,5 mol FIu- or/cm2 auf. Vorzugsweise beträgt die Fluorkonzentration 6,5 * 10~4 mol Fluor/cm2 bis 3,5 * 10~2 mol Fluor/cm2. Das Vorsehen der vorgeschlagenen Fluorkonzentration an der Oberfläche des Implantats bewirkt eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit .
Das vorgeschlagene Implantat eignet sich wegen seiner hervorragenden Festigkeit und Biokompatibilität insbesondere zur Herstellung künstlicher Knie- oder Hüftgelenke.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung werden zur Herstellung des erfindungsgemäßen Implantats die folgenden Schritte vorgeschlagen :
Aufschmelzen eines zur Herstellung einer Titanaluminid-Le- gierung geeigneten Halbzeugs unter Vakuum,
Überführen der Schmelze mittels Schleuderguss in eine Form, die an einer dem Formhohlraum zugewandten Innenseite mit einer für die Schmelze inerten Schutzschicht versehen ist, und
Entformen des aus der Titanaluminid-Legierung gebildeten Implantats durch Zerstörung der Form.
Bei dem Halbzeug kann es sich um ein Granulat oder ein Ingot handeln, welches bereits aus einer intermetallischen Titan- aluminid-Legierung gebildet ist. Ein solches Halbzeug kann beispielsweise durch Verpressen einer Mischung eines Aluminiumpulvers mit einem Titanpulver und nachfolgendes Erwärmen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminium und Titan hergestellt werden. Die Form kann an ihrer Innenseite mit einer sogenannten face-coat-Schicht versehen sein, welche im Wesentlichen aus Yttriumoxid gebildet ist. Zum Binden des Yttriumoxids kann ein hydraulisches Bindemittel auf MgO-Basis dem Yttriumoxid zugesetzt sein. Die Menge eines solchen Zusatzes beträgt zweckmäßigerweise weniger als 15 Gew.%, vorzugsweise 1 bis 13 Gew.%.
Unter dem Begriff "Vakuum" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Druck im Bereich von 5 bis 100 mbar, vorzugsweise 10 bis 30 mbar, verstanden.
Das Implantat wird vorteilhafterweise als Gussteil aus der Titanaluminid-Legierung hergestellt. Die Herstellung mittels Gießtechnik lässt sich relativ einfach und schnell durchführen. Bei geeigneter Verfahrensführung kann eine nach dem Stand der Technik erforderliche nachträgliche aufwändige
Oberflächenbearbeitung entfallen oder erheblich vereinfacht werden .
Alternativ zur Gießtechnik kann es aber auch sein, dass das Implantat mittels Schmieden unter isothermen oder quasi-iso- thermen Bedingungen im Bereich der Temperatur der (α + γ) - Phase aus der Titanaluminid-Legierung hergestellt wird. Die entsprechende Temperatur der (α + γ) -Phase kann aus dem TiAl- Phasendiagramm entnommen werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Implantat, vorzugsweise für eine Dauer von 1 bis 200 Stunden, besonders bevorzugt für eine Dauer von 80 bis 150 Stunden, auf eine Temperatur aufgeheizt, welche im Bereich der eutektischen Temperatur liegt und geringer als die alpha- transus Temperatur ist. Die Temperatur kann 10 bis 500C höher oder niedriger als die eutektische Temperatur liegen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest an einer tribologisch beanspruchten Oberfläche des Implantats eine aus Al2O3 gebildete Schicht hergestellt werden. Die vorerwähnte Al2O3-Schicht kann aus dem Grundwerkstoff über den bekannten Halogeneffekt erzeugt werden.
Dazu kann eine Oberfläche des Implantats bei einer Temperatur von 750°C bis 11000C mit Fluor oder einer Fluorverbindung in Kontakt gebracht werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Schleuderguss bei einem niedrigen Partialdruck unter Fluorgasatmosphäre erfolgen. Es ist aber auch möglich, nach der Herstellung des Implantats die oben erwähnte Fluorkonzentration an der Oberfläche durch Implantation, insbesondere Plas- ma-Immersion-Ionen-Implantation, herzustellen. Auch eine kombinierte Implantation mit Fluor und Silizium bewirkt eine besonders gute Oxidationsbeständigkeit .
Beispiellegierung :
49 at% Al, 8 at% Nb, Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen
Die vorgenannte Beispiellegierung kann im Schleudergussverfahren vergossen werden. Ein daraus hergestelltes Gussteil, welches beispielsweise die Form eines Knieimplantats aufweisen kann, kann nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dazu wird das Gussteils für eine Dauer von 5 Stunden auf eine Temperatur aufgeheizt, welche etwa 200C höher als die eutektische Temperatur ist. Mit der Wärmebehandlung kann das Gefüge eingestellt werden. Ferner kann damit eine Übergangstemperatur für den Spröd-Duktil-Übergang der Legierung herabgesetzt und gleichzeitig die Zugfestigkeit sowie die Duktilität erhöht werden. Die Wärmebehandlung kann in einer Fluoratmosphäre erfolgen. Das bewirkt eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit des Implantats.
Zur weiteren Verbesserung der Qualität des Gussteils ist es auch möglich, dieses mittels heißisostatischem Pressen (HIP) zu verdichten. Damit können insbesondere im Gussteil befindliche Poren und Lunker geschlossen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest eine tribologisch beanspruchte Oberfläche des Implantats mit einer aus Al2O3 gebildeten Schicht versehen sein. Die vorerwähnte Al2O3-Schicht kann aus dem Grundwerkstoff mittels einer Hochtemperaturbehandlung, z. B. bei 800 bis 9500C, und/oder über den bekannten Halogeneffekt erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Implantat, hergestellt aus einer Titanaluminid-Legie- rung.
2. Implantat nach Anspruch 1, wobei es ein zwei Phasen umfassendes Gefüge aufweist.
3. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Phase γ-TiAl und eine zweite Phase CX2-Ti3Al ist.
4. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis α2/γ zwischen 0,03 und 0,15 ist.
5. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gefüge ein near-Gamma-Gefüge ist.
6. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gefüge ein Duplex-Gefüge ist.
7. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Titanaluminid-Legierung die folgende Zusammensetzung aufweist :
Al (43-49 at%), Xl (2-4 at%), X2 (1-8 at%) , X3 (< 1 at%) , Rest Ti sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei
Xl = Seltenerdmetall
X2 = Niob (Nb) , Wolfram (W) , Tantal (Ta) , Rhenium (Rh) X3 = O, C.
8. Implantat nach Anspruch 7, wobei der Gehalt an Aluminium 45-49 at% ist.
9. Implantat nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Seltenerdmetall Yttrium und/oder Praseodym umfasst.
10. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es an seiner Oberfläche eine Fluorkonzentration von 5,0 *
10~4 mol Fluor/cm2 bis 0,5 mol Fluor/cm2 aufweist.
11. Implantat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es ein künstliches Knie- oder Hüftgelenk ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Implantats nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:
Aufschmelzen eines zur Herstellung einer Titanaluminid-Le- gierung geeigneten Halbzeugs unter Vakuum,
Überführen der Schmelze mittels Schleuderguss in eine Form, die an einer dem Formhohlraum zugewandten Innenseite mit einer für die Schmelze inerten Schutzschicht versehen ist, und
Entformen des aus der Titanaluminid-Legierung gebildeten Implantats durch Zerstörung der Form.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Implantat , vor- zugsweise für eine Dauer von 1 bis 200 Stunden, besonders bevorzugt für eine Dauer von 80 bis 150 Stunden, auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche im Bereich der eutektischen Temperatur liegt und geringer als die alpha-transus Temperatur ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei zumindest an einer tribologisch beanspruchten Oberfläche des Implantats eine aus Al2O3 gebildete Schicht hergestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine Oberfläche des Implantats bei einer Temperatur von 7500C bis 1100°C mit Fluor oder einer Fluorverbindung in Kontakt gebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Oberfläche durch Implantation mit Fluor, vorzugsweise durch kombinierte Implantation mit Fluor und Silizium, behandelt wird.
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