WO2011082905A1 - Open-cell titanium metal foams and method for producing same - Google Patents

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WO2011082905A1
WO2011082905A1 PCT/EP2010/068723 EP2010068723W WO2011082905A1 WO 2011082905 A1 WO2011082905 A1 WO 2011082905A1 EP 2010068723 W EP2010068723 W EP 2010068723W WO 2011082905 A1 WO2011082905 A1 WO 2011082905A1
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titanium
open
cell
metal foams
webs
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PCT/EP2010/068723
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Jörg ADLER
Gisela Standke
Peter Quadbeck
Ralf Hauser
Günter Stephani
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C14/00Alloys based on titanium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/11Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1121Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers
    • B22F3/1137Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers by coating porous removable preforms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08Alloys with open or closed pores
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to the field of materials science and relates to open-cell metal foams of titanium, as they can be used for example for medical implants, and a method for their preparation.
  • open-cell foams as an implant material, in particular as a bone replacement material
  • the open-cell foam structure images the skeletal structure in an ideal manner and can be well interspersed with newly formed tissue at a certain cell size.
  • Open cell foam ceramics of hydroxyapatite, tricalcium phosphate and bioglass ceramics are known.
  • open-cell metal foams of titanium and titanium alloys, as well as of tantalum are particularly preferred, because these metals are considered to be tried and inert in the human body.
  • This method is the powder technology or powder technologies zugeord net, in which from metallic particles (powders) by a shaping process and a subsequent thermal treatment (sintering), a metallic molded part is produced.
  • Titanium and tantalum open-cell metal foams are also known to be made by a CVD or CVI process in which the metal is deposited on an inert framework, usually open-cell carbon. In this case, a crystalline layer of the metal or the metal alloy grows on and forms a rough surface on the webs.
  • the use of such foams as a bone implant material is known since these foams are produced commercially (tantalum foam - Zimmer Zimmer, Trabecular Metal brand, titanium foam - Wright Medical Technology, brand name BioFoam).
  • a disadvantage of the production of such foams by means of CVD is that they require a high expenditure on apparatus and only allow limited sample sizes and uniformity.
  • An idealized foam cell (see (2) in Fig. 2) is characterized by its diameter (cell diameter) which corresponds to the diameter of a sphere approximately enclosed by it.
  • a foam cell forms so-called window openings (cell windows, see (5) in FIG. 2) to the neighboring cells which are in approximately enclose a circle whose diameter is about one third of the mean diameter of the foam cell.
  • window openings cell windows, see (5) in FIG. 2
  • the number of cells and cell windows cut by a measurement line are counted on a surface intersection and reported as number per length, typically in units of pores per inch (ppi) or pores per cm.
  • the webs of foams have cracks (7), cavities (6) and pores (8) (FIG. 3), in particular if they have been produced by the Schwartzwalder process, wherein the pores (8) do not interfere with the web material match the cells of the foam and may be confused.
  • the enveloping surface (4) of the webs in their entirety forms the geometrical outer surface of a foam that is directly accessible for roughness measurements (see Figures 3 and 4). In the context of this invention, this is to be understood below as the enveloping surface.
  • a determination of the enveloping surface may e.g. by image evaluation of metallographic bevels and is based on the outer volume of the sample or its weight.
  • external volume is meant the volume calculated from the external dimensions of the foam sample.
  • the so-called specific surface which is usually determined by gas adsorption and based on the weight (or volume) of a sample, is the sum of all the surface area of the foam which can be assigned to a sample gas, i. includes both the above mentioned enveloping surface and the surface of the accessible cracks, pores and cavities in the webs, i. the specific surface is always higher than the enveloping surface.
  • the determination of the specific surface is also carried out by known methods, which are also described in DIN ISO 9277 (3003-05).
  • the surface properties of the webs is of particular importance when it interacts with a filling or through-flow medium. In the case of medical implants, this is especially the ingrowth tissue, in bone replacement materials the bone tissue.
  • the setting of a high roughness of the surface of metallic implants is necessary and advantageous for tissue ingrowth and mechanical anchoring in bone (Ronold et al .: Biomaterials 24 (2003), 4599-4564; Martin et al., J. Biomed Mat. Res. 29, 389-401 (1995)).
  • open-cell foams with the highest possible roughness of the webs have also been developed. According to JPLi et al .: J. Biomed. Mat.
  • the roughness is caused in particular by the surface structure formed in the coating and heat treatment or by vapor deposition, and in part by pores on the surface of the metal webs of the foam.
  • the surfaces of ceramic or metallic materials have in most cases no regular structure, but contain shape deviations, which are divided into roughness, waviness and shape shape.
  • the average roughness R a is a calculated average of all deviations of the roughness profile from the middle line of the defined reference path.
  • R a theoretically corresponds to the distance between several lines that form when the mountains are above the midline and the valleys below the midline would be transformed into equal size rectangles.
  • the roughness depth R z is the mean value of single roughness depths of five consecutive individual measuring sections in the roughness profile. The extreme values in each measuring section are added together and the span is divided by the number of measuring sections.
  • a disadvantage of a high roughness on the surface of medical implants is that the high roughness at the same time implies the possibility that individual metal particles are detached from the surface of the metal webs under mechanical stress and unfavorably transported fine metal particles in the body and deposited elsewhere in the body tissue become. This mechanical stress can occur during handling of the implant materials before and during the operation or during the ingrowth phase or when the bone is heavily loaded during or after the healing phase.
  • the roughness is also directly proportional to the o.g. specific surface of the foams, i. a high roughness leads to a high specific surface area. This can lead to an increased interaction with corrosive liquids, which can also adversely affect the life of the metallic components.
  • the object of the invention is therefore to provide open-cell titanium metal foams, in which the adhesion to coatings of the surface, in particular of eindevelopmentdem tissue, improved and the risk of particle delivery is reduced, and in the statement of a simple and inexpensive process for their preparation.
  • the open-cell titanium metal foams according to the invention consist of a three-dimensional network of interconnected webs, wherein at least their enveloping surface essentially consists of titanium and the substantially smooth web surfaces have roughnesses R a of ⁇ 2 ⁇ m.
  • the open-cell titanium metal foams are produced by the Schwartzwalder process.
  • the webs have a smooth surface with roughness R a of ⁇ 1 pm.
  • the surface area of the webs consists of at least 8 5% titanium, the remainder being titanium compounds and / or titanium alloy constituents. And also advantageously titanium alloys Ti6AI7Nb and Ti6AI4V are present.
  • the webs have cavities in the interior.
  • the webs have cracks and pores in their walls.
  • the enveloping surfaces of the webs have pores, the proportion of which is ⁇ 5%, based on the area.
  • the pores in the enveloping surface of the webs have maximum dimensions of ⁇ 1 ⁇ .
  • an open-celled polymer foam is coated once with a suspension, the suspension containing at least 75% by weight of titanium powder particles having an average particle size of ⁇ 25 ⁇ m and the entire powder mixture having a particle size distribution with a d 95 Value ⁇ 30 ⁇ m, followed by drying the coated polymer foam, removing the polymer and sintering the remaining titanium powder framework in the form of a three-dimensional network.
  • titanium powder particles are used in the suspension, which have an average particle size of ⁇ 20 pm and a d 9 5 value of ⁇ 25 pm.
  • the suspension is applied only once to the polymer foam.
  • particles of pure titanium and / or titanium compounds and / or titanium alloys are used as titanium powder particles.
  • open-cell titanium metal foams can be produced whose webs have a comparatively smooth, enveloping surface Nevertheless, they nevertheless achieve a good adhesion to coatings, in particular of ingrowing tissue, and in the case of which the risk of undesired particle delivery is markedly reduced.
  • the webs have just no rough, but a relatively smooth enveloping surface.
  • the bone substitute moldings should have a high porosity and a porous structure, similar to the human bone structure. This also includes a rough outer surface of the webs.
  • surface roughnesses of 3.4 + 0.4 pm (R a ) are achieved, wherein the pores in the rough surface of the webs are referred to as micropores and their size in the range of 1 to 10 pm is specified.
  • substantially smooth, enveloping web surfaces according to the invention have roughnesses R a of ⁇ 2 ⁇ m.
  • titanium powders are used as starting powders which have significantly smaller particle diameters than the powders used in the solutions of the prior art.
  • titanium alloy powders having an average particle diameter of 45 ⁇ m are etched.
  • the mean particle diameter of a powder is understood to mean the d 5 o value of the particle size distribution function.
  • the low roughnesses are inventively also achieved in that the main component of the powder, that is, 75% of the particles have a mean particle diameter ⁇ 25 pm, but especially by the fact that the coarse fraction of titanium powder, characterized by the d 95 value ⁇ is pm, ie 95% of the particles from the particle distribution curve are smaller than 30 pm.
  • These particle distribution curves are measured by the known method of laser diffraction.
  • the smooth enveloping surfaces of the webs according to the invention are also achieved in that only a coating of the polymer foam in the production of titanium metal foams is carried out with a titanium powder-containing suspension.
  • a repeated coating necessarily means that the suspensions for the repeated coatings may contain less and less coating material, since with repeated coatings, the cell dimensions are getting smaller and with the lower proportions of coating material in the suspensions, a closure of the cells must be prevented (see also JP Li et al .: J. of Mat. Sic. 17 (2006), Table 1).
  • the lower proportion of coating material in the suspension leads to a lower packing density of the particles after the drying of the coating, which in turn leads after sintering to a higher porosity and higher roughness of the outer surface. This leads to a repeated coating but also that a rougher enveloping surface of the webs is achieved, which is indeed desired in the prior art.
  • titanium metal foams are to be understood as meaning foams with a predominant proportion of titanium. This also implies that in addition to titanium, it is also possible to use typical titanium alloys, such as Ti6Al7Nb and Ti6Al4V, which contain alloying elements in small amounts ( ⁇ 15%). Furthermore, very small amounts ( ⁇ 5%) of titanium compounds with other elements (eg oxides, nitrides, carbides, etc.) may be contained in the microstructure. All titanium metal foams produced from these starting materials are to be understood by the term titanium metal foams according to the invention. Essentially, however, the titanium metal foams according to the invention should comply with the technically standardized purities and alloy constituents.
  • open-cell titanium metal foams can also be produced by means of CVD processes.
  • CVD processes are very complicated and expensive, and the resulting titanium metal foams differ, inter alia, from the titanium metal foams according to the invention in that the webs of the open-cell network according to the invention are hollow in each case since the polymer foam has been removed there.
  • the titanium powders deposited by means of CVD processes are present on a substrate, mostly of carbon, which may likewise be an open-cell foam, but at the end of the CVD process the substrate is retained in each case, so that the webs are filled in the entire volume ( See, for example, LD Zardiackas et al .: J. Biomed., Mater., Res., 58, 180-187, 2001).
  • reaction of the titanium with the substrate may not be completely prevented by the CVD method, so that the area of the web surfaces does not essentially consist of titanium or can exist.
  • Show Fig. 1 is a schematic representation of an open-cell foam
  • Fig. 2 is the idealized schematic representation of a cell of an open-cell
  • Fig. 3 shows the idealized schematic representation of the cross section of a web of an open-cell foam
  • FIG. 3 schematic diagram of webs with associated enveloping
  • a water-based suspension which contains a metal powder based on the TiAl6V4 alloy with an average particle size d 5 o of 15 pm and d 95 of 25 ⁇ m.
  • a binder 5% of a polysaccharide preparation is added and the suspension is stirred for 10 minutes at a speed of 200 s-1. It then has a solids content of 84% by mass.
  • the moldings are centrifuged. For a sample of dimensions 27x19x1 1 mm 3 , the coating weight is 4 g.
  • the body is then dried and the polyurethane burned out to a temperature of 600 ° C under an argon atmosphere.
  • the remaining titanium powder framework is sintered in a high vacuum of about 10 -3 Pa at a temperature of 1350 ° C. During the sintering, the sample linearly shrinks by 12% so that the final dimensions are 24 ⁇ 16 ⁇ 10 mm 3.
  • the mean geometric density of the sintered body is 1, 1 g / cm 3 and the compressive strength is 57 MPa
  • the average roughness R a on the enveloping surface of the titanium metal foam is 1.2 ⁇ m and the roughness R z is 5 ⁇ m.
  • a water-based suspension which contains 40% of a metal powder based on the TiAl6Nb17 alloy with a mean particle size of 15 pm and 60% of a metal powder of the same composition with an average particle distribution of 6.5 ⁇ m.
  • the d g5 value of the powder mixture is 22 ⁇ m.
  • binder 7% of a binder mixture of polyvinyl alcohol and polysaccharide is added and the suspension is stirred for 10 minutes at a speed of 400 s-1. It then has a solids content of 87% by mass.
  • molded parts of reticulated polyurethane foam of average cell diameter 1 000 pm are impregnated with the prepared suspension.
  • the moldings are passed through a roller mill.
  • a coating weight of 80 g results.
  • the body is then dried and the polyurethane burned out to a temperature of 600 ° C under an argon atmosphere at a pressure of 70 mbar.
  • the remaining titanium powder framework is sintered in a high vacuum of about 10 -3 Pa at a temperature of 1250 ° C.
  • the sample linearly fuses 1 1% so that the final dimensions are 67 ⁇ 67 ⁇ 18 mm 3.
  • the mean geometric density of the The sintered body is 0.7 g / cm 3 and the compressive strength is measured at 62 MPa
  • the average roughness R a at the enveloping surface of the titanium foam is 0.85 ⁇ m and the roughness depth R z is 3.9 ⁇ m
  • the area fraction of the pores at the surface of the webs is determined by light microscopy to be 4%, and the average diameter of the pores is 0.8 ⁇ m.

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Abstract

The invention concerns the field of materials science and relates to open-cell metal foams made of titanium, as can be used, for example, for medical implants. The aim of the invention is therefore to specify open cell titanium metal foams in which the adhesion of ingrowing tissue is improved. Said aim is achieved by means of open cell titanium metal foams consisting of a three-dimensional network of interconnected webs, wherein the enveloping surface thereof consists of titanium and the smooth web surfaces have roughnesses Ra of < 2 μm. Said aim is further achieved by means of a method in which an open cell polymer foam is coated once with a suspension, wherein the suspension contains at least 75 mass % titanium powder particles of a mean particle size of < 25 μm and the total powder mixture has a particle size distribution having a d95 value < 30 μm, the coated polymer foam is subsequently dried, the polymer is removed and the titanium powder structure remaining is sintered.

Description

Offenzellige Titan-Metallschäume und Verfahren zu ihrer Herstellung  Open-cell titanium metal foams and process for their preparation
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft offenzellige Metallschäume aus Titan, wie sie beispielsweise für medizinische Implantate eingesetzt werden können, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. The invention relates to the field of materials science and relates to open-cell metal foams of titanium, as they can be used for example for medical implants, and a method for their preparation.
Die Herstellung und Verwendung von offenzelligen Schäumen als Implantatwerkstoff, insbesondere als Knochenersatzwerkstoff ist schon lange bekannt, weil die offenzellige Schaumstruktur die Knochengerüststruktur in idealer Weise abbildet und bei einer bestimmten Zellgröße gut von neugebildetem Gewebe durchwachsen werden kann. Bekannt sind u.a. offenzellige Schaumkeramiken aus Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat und Bioglaskeramiken. Bekannt sind außerdem offenzellige Metallschäume aus Titan und Titanlegierungen, sowie aus Tantal (L.D. Zardiackas et al.: J. Biomed. Mater. Res 58 180-187, 2001 ). Für Implantantanwendungen aus Metall sind insbesondere die Metalle Titan und Tantal, sowie Legierungen mit hohem Titan- oder Tantalgehalt bevorzugt, weil diese Metalle als erprobt und inert im menschlichen Körper gelten. The production and use of open-cell foams as an implant material, in particular as a bone replacement material has long been known, because the open-cell foam structure images the skeletal structure in an ideal manner and can be well interspersed with newly formed tissue at a certain cell size. Open cell foam ceramics of hydroxyapatite, tricalcium phosphate and bioglass ceramics are known. Also known are open-cell metal foams of titanium and titanium alloys, as well as of tantalum (LD Zardiackas et al .: J. Biomed., Mater., Res 58 180-187, 2001). For metal implant applications, the metals titanium and tantalum, as well as alloys with a high titanium or tantalum content are particularly preferred, because these metals are considered to be tried and inert in the human body.
Weiterhin ist seit langem das „Schwartzwalder-Verfahren" (US 3,090,094 B1 ) bekannt, nach dem ein Polyurethan geschäumt und retikuliert wird, der offenzellige Polymerschaum mit einer Keramik- oder Metallpartikelsuspension beschichtet und nachfolgend das Polyurethan ausgebrannt und die Keramik- oder Metallpartikel versintert werden. Der so entstandene Schaum ist ein Gerüst aus einer Vielzahl von Stegen (1 ), die die Zellen des Schaumes voneinander abgrenzen (siehe Fig. 1 ). Dieses Verfahren wird für die Herstellung von offenzelligen Titanschäumen als Knochenimplantatwerkstoff eingesetzt (WO 02/066693; J.P.Li et al.: J.Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233). Furthermore, the "Schwartzwalder method" (US Pat. No. 3,090,094 B1) has long been known, after which a polyurethane is foamed and reticulated, the open-celled polymer foam is coated with a ceramic or metal particle suspension, and subsequently the polyurethane is burned out and the ceramic or metal particles are sintered. The resulting foam is a scaffold of a plurality of ridges (1) which delimit the cells of the foam (see Fig. 1) .This method is used for the production of open-celled titanium foams as a bone implant material (WO 02/066693, JPLi et al .: J.Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233).
Dieses Verfahren wird den pulvertechnischen Verfahren oder Pulvertechnologien zugeord net, bei denen aus metallischen Partikeln (Pulvern ) durch einen Formgebungsprozess und eine nachfolgende thermische Behandlung (Sinterung) ein metallisches Formteil erzeugt wird.  This method is the powder technology or powder technologies zugeord net, in which from metallic particles (powders) by a shaping process and a subsequent thermal treatment (sintering), a metallic molded part is produced.
Offenzellige Metallschäume aus Titan und Tantal werden bekanntermaßen auch über ein Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD oder CVI) hergestellt, bei der das Metall auf einem inerten Gerüst zumeist aus offenzelligem Kohlenstoff abgeschieden wird. Dabei wächst eine kristalline Schicht aus dem Metall oder der Metallegierung auf und bildet eine raue Oberfläche auf den Stegen aus. Die Verwendung solcher Schäume als Knochenimplantatwerkstoff ist bekannt, da diese Schäume kommerziell produziert werden (Tantalschaum - Fa. Zimmer, Markenname Trabecular Metal; Titanschaum - Fa. Wright Medical Technology, Markenname BioFoam). Nachteilig bei der Herstellung solcher Schäume mittels CVD ist, dass diese einen hohen apparativen Aufwand erfordern und nur limitierte Probengrößen und Gleichmäßigkeit erlauben. Titanium and tantalum open-cell metal foams are also known to be made by a CVD or CVI process in which the metal is deposited on an inert framework, usually open-cell carbon. In this case, a crystalline layer of the metal or the metal alloy grows on and forms a rough surface on the webs. The use of such foams as a bone implant material is known since these foams are produced commercially (tantalum foam - Zimmer Zimmer, Trabecular Metal brand, titanium foam - Wright Medical Technology, brand name BioFoam). A disadvantage of the production of such foams by means of CVD is that they require a high expenditure on apparatus and only allow limited sample sizes and uniformity.
Eine idealisierte Schaumzelle (siehe (2) in Fig. 2) wird durch ihren Durchmesser charakterisiert (Zelldurchmesser), der dem Durchmesser einer annähernd von ihr eingeschlossenen Kugel entspricht. Außerdem bildet eine Schaumzelle sogenannte Fensteröffnungen (Zellfenster, siehe (5) in Fig. 2) zu den benachbarten Zellen, die in etwa einen Kreis umschließen, dessen Durchmesser in etwa ein Drittel des mittleren Durchmessers der Schaumzelle beträgt. Bei der Angäbe einer mittleren Zellweite werden an einem Flächenschnitt die Anzahl der von einer Messlinie geschnittenen Zellen und Zellfenster gezählt und als Anzahl pro Länge angegeben, typischerweise in der Einheit Pores per inch (ppi) oder Poren pro cm. An idealized foam cell (see (2) in Fig. 2) is characterized by its diameter (cell diameter) which corresponds to the diameter of a sphere approximately enclosed by it. In addition, a foam cell forms so-called window openings (cell windows, see (5) in FIG. 2) to the neighboring cells which are in approximately enclose a circle whose diameter is about one third of the mean diameter of the foam cell. In the case of average cell width plots, the number of cells and cell windows cut by a measurement line are counted on a surface intersection and reported as number per length, typically in units of pores per inch (ppi) or pores per cm.
Weiterhin weisen die Stege von Schäumen Risse (7), Hohlräume (6) und Poren (8) auf (Fig. 3), insbesondere, wenn sie nach dem Schwartzwalder-Verfahren hergestellt worden sind, wobei die Poren (8) im Stegmaterial nicht mit den Zellen des Schaumes übereinstimmen und verwechselt werden dürfen. Furthermore, the webs of foams have cracks (7), cavities (6) and pores (8) (FIG. 3), in particular if they have been produced by the Schwartzwalder process, wherein the pores (8) do not interfere with the web material match the cells of the foam and may be confused.
Die umhüllende Oberfläche (4) der Stege bildet in ihrer Gesamtheit die geometrische äußere, für Rauheitsmessungen direkt zugängliche, Oberfläche eines Schaumes (s. Fig. 3 und 4). Im Rahmen dieser Erfindung soll dies nachfolgend unter der umhüllenden Oberfläche verstanden werden. The enveloping surface (4) of the webs in their entirety forms the geometrical outer surface of a foam that is directly accessible for roughness measurements (see Figures 3 and 4). In the context of this invention, this is to be understood below as the enveloping surface.
Eine Bestimmung der umhüllenden Oberfläche kann z.B. durch Bildauswertung von metallographischen Anschliffen erfolgen und wird auf das äußere Volumen der Probe oder deren Gewicht bezogen. Unter äußerem Volumen wird dabei das aus den äußeren Abmaßen der Schaumprobe berechnete Volumen verstanden. A determination of the enveloping surface may e.g. by image evaluation of metallographic bevels and is based on the outer volume of the sample or its weight. By external volume is meant the volume calculated from the external dimensions of the foam sample.
Die üblicherweise über die Gasadsorption bestimmte und auf das Gewicht (oder auch auf das Volumen) einer Probe bezogene, sogenannte spezifische Oberfläche ist dagegen die Summe aller durch ein Messgas belegbaren Oberfläche des Schaumes, d.h. umfasst sowohl die o.g. umhüllende Oberfläche und die Oberfläche der zugänglichen Risse, Poren und Hohlräume in den Stegen, d.h. die spezifische Oberfläche ist immer höher als die umhüllende Oberfläche. Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche wird ebenfalls nach bekannten Verfahren durchgeführt, die auch in der DIN ISO 9277 (3003-05) beschrieben sind. By contrast, the so-called specific surface, which is usually determined by gas adsorption and based on the weight (or volume) of a sample, is the sum of all the surface area of the foam which can be assigned to a sample gas, i. includes both the above mentioned enveloping surface and the surface of the accessible cracks, pores and cavities in the webs, i. the specific surface is always higher than the enveloping surface. The determination of the specific surface is also carried out by known methods, which are also described in DIN ISO 9277 (3003-05).
Den Oberflächeneigenschaften der Stege kommt eine besondere Bedeutung zu, wenn diese in Wechselwirkung zu einem füllenden oder durchströmten Medium tritt. Bei medizinischen Implantaten ist dies speziell das einwachsende Gewebe, bei sogenannten Knochenersatzwerkstoffen das Knochengewebe. Die Einstellung einer hohen Rauheit der Oberfläche von metallischen Implantaten ist für das Einwachsverhalten in das Gewebe und die mechanische Verankerung im Knochen notwendig und vorteilhaft (Ronold et al.: Biomaterials 24 (2003), 4599- 4564; Martin et al., J. Biomed. Mat. Res. 29, 389-401 (1995)). Demzufolge wurden auch offenzellige Schäume mit möglichst hoher Rauheit der Stege entwickelt. Nach J.P.Li et al.: J. Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233 ist eine Rauheit von Ra = 3,4±0,3 μιτι der Stege des offenzelligen Schaumes als besondere Eigenschaft und Vorteil bekannt. Weiterhin ist aus„Biofoam Technical Monograph MI023-109 der Fa. WMT" eine hohe Haftfestigkeit des CVI-Titanschaumes infolge der speziellen Oberflächenstrukturierung als besonders vorteilhaft bekannt. The surface properties of the webs is of particular importance when it interacts with a filling or through-flow medium. In the case of medical implants, this is especially the ingrowth tissue, in bone replacement materials the bone tissue. The setting of a high roughness of the surface of metallic implants is necessary and advantageous for tissue ingrowth and mechanical anchoring in bone (Ronold et al .: Biomaterials 24 (2003), 4599-4564; Martin et al., J. Biomed Mat. Res. 29, 389-401 (1995)). As a result, open-cell foams with the highest possible roughness of the webs have also been developed. According to JPLi et al .: J. Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233 is a roughness of R a = 3.4 ± 0.3 μιτι the webs of open-cell foam known as a special property and advantage. Furthermore, from "Biofoam Technical Monograph MI023-109 the Fa. WMT" high adhesion of the CVI titanium foam due to the special surface structuring known to be particularly advantageous.
Die Rauheit wird insbesondere durch die bei der Beschichtung und Wärmebehandlung oder Gasphasenabscheidung ausgebildete Oberflächenstruktur und teilweise durch Poren an der Oberfläche der Metallstege des Schaumes verursacht. The roughness is caused in particular by the surface structure formed in the coating and heat treatment or by vapor deposition, and in part by pores on the surface of the metal webs of the foam.
Bezüglich der Charakterisierung der Oberflächenrauheit von Materialien sind dazu verschiedene DIN bekannt (DIN 4760 Gestaltabweichungen; DIN 4768 (1990) Ermittlung der Rauheitsgrößen Ra, Rz, Rmax mit elektrischen Tastschnittgräten, Begriffe und Messbedingungen; DIN EN ISO 4287 (1998) Oberflächenbeschaffenheit, Tastschnittverfahren, Benennungen, Definitionen und Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit), die sowohl die Begriffe als auch die Messverfahren beschreiben. With regard to the characterization of the surface roughness of materials, various DINs are known (DIN 4760 (DIN 4768 (1990) Determination of roughness values R a , R z , Rmax with electric styli burrs, terms and measurement conditions, DIN EN ISO 4287 (1998) Surface finish, stylus method , Designations, definitions and characteristics of the surface texture), which describe both the terms and the measuring methods.
Die Oberflächen von keramischen oder metallischen Werkstoffen weisen in den meisten Fällen keine regelmäßige Struktur auf, sondern enthalten Gestaltsabweichungen, die unterteilt sind in Rauheit, Welligkeit und Formgestalt. Wichtige Kenngrößen sind Ra = Mittenrauwert und Rz = Rautiefe. The surfaces of ceramic or metallic materials have in most cases no regular structure, but contain shape deviations, which are divided into roughness, waviness and shape shape. Important parameters are R a = average roughness and R z = roughness depth.
Der Mittenrauwert Ra ist ein rechnerischer Mittelwert aller Abweichungen des Rauheitsprofiles von der mittleren Linie der definierten Bezugsstrecke. Ra entspricht theoretisch dem Abstand mehrerer Linien, die sich bilden, wenn die Berge oberhalb der Mittellinie und die Täler unterhalb der Mittellinie in gleich große Rechtecke verwandelt werden würden. The average roughness R a is a calculated average of all deviations of the roughness profile from the middle line of the defined reference path. R a theoretically corresponds to the distance between several lines that form when the mountains are above the midline and the valleys below the midline would be transformed into equal size rectangles.
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Die Rautiefe Rz ist der Mittelwert aus Einzelrautiefen von fünf aufeinander folgenden Einzelmessstrecken im Rauheitsprofil. Die Extremwerte in jedem Messabschnitt werden addiert und die Spannweite durch die Anzahl der Messabschnitte dividiert. The roughness depth R z is the mean value of single roughness depths of five consecutive individual measuring sections in the roughness profile. The extreme values in each measuring section are added together and the span is divided by the number of measuring sections.
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Nachteilig an einer hohen Rauheit an der Oberfläche medizinischer Implantate ist jedoch, dass die hohe Rauheit auch gleichzeitig die Möglichkeit impliziert, dass einzelne Metallpartikel aus der Oberfläche der Metallstege bei mechanischer Beanspruchung abgelöst werden und ungünstigerweise feine Metallpartikel im Körper transportiert und an anderer Stelle im Körpergewebe abgelagert werden. Diese mechanische Beanspruchung kann beim Handling der Implantatwerkstoffe vor und während der Operation oder während der Einwachsphase oder bei starker Belastung des Knochens während oder auch nach der Einheilungsphase auftreten. A disadvantage of a high roughness on the surface of medical implants, however, is that the high roughness at the same time implies the possibility that individual metal particles are detached from the surface of the metal webs under mechanical stress and unfavorably transported fine metal particles in the body and deposited elsewhere in the body tissue become. This mechanical stress can occur during handling of the implant materials before and during the operation or during the ingrowth phase or when the bone is heavily loaded during or after the healing phase.
Weiterhin implizieren hohe Rauheiten auch eine hohe Anzahl von sogenannten Kerben in der Oberfläche. Diese Kerben wirken nachteilig bei Einwirkung von Zugspannungen senkrecht zur Kerbe, was sich in der Festigkeit und vor allem der Dauerfestigkeit der metallischen Bauteile bemerkbar macht. Furthermore, high roughness also implies a high number of so-called notches in the surface. These notches are detrimental to the action of Tensile stresses perpendicular to the notch, which manifests itself in the strength and especially the fatigue strength of the metallic components.
Weiterhin ist die Rauheit auch direkt proportional zur o.g. spezifischen Oberfläche der Schäume, d.h. eine hohe Rauheit führt zu einer hohen spezifischen Oberfläche. Dadurch kann es zu einer verstärkten Wechselwirkung mit korrosiven Flüssigkeiten kommen, die ebenfalls die Lebensdauer der metallischen Komponenten negativ beeinflussen kann. Furthermore, the roughness is also directly proportional to the o.g. specific surface of the foams, i. a high roughness leads to a high specific surface area. This can lead to an increased interaction with corrosive liquids, which can also adversely affect the life of the metallic components.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, offenzellige Titan-Metallschäume anzugeben, bei dem die Haftung zu Beschichtungen der Oberfläche, insbesondere von einwachsendem Gewebe, verbessert und das Risiko einer Partikelabgabe verringert ist, sowie in der Angabe eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zu ihrer Herstellung. The object of the invention is therefore to provide open-cell titanium metal foams, in which the adhesion to coatings of the surface, in particular of einwachsendem tissue, improved and the risk of particle delivery is reduced, and in the statement of a simple and inexpensive process for their preparation.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäßen offenzelligen Titan-Metallschäume bestehen aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus miteinander verbundenen Stegen, wobei mindestens deren umhüllende Oberfläche im Wesentlichen aus Titan besteht und die im Wesentlichen glatten Stegoberflächen Rauheiten Ra von < 2 pm aufweisen. The open-cell titanium metal foams according to the invention consist of a three-dimensional network of interconnected webs, wherein at least their enveloping surface essentially consists of titanium and the substantially smooth web surfaces have roughnesses R a of <2 μm.
Vorteilhafterweise sind die offenzelligen Titan-Metallschäume m i t d e m Schwartzwalder-Verfahren hergestellt. Advantageously, the open-cell titanium metal foams are produced by the Schwartzwalder process.
Weiterhin vorteilhafterweise weisen die Stege eine glatte Oberfläche mit Rauheiten Ra von < 1 pm auf. Further advantageously, the webs have a smooth surface with roughness R a of <1 pm.
Ebenfalls vorteilhafterweise besteht der Oberflächenbereich der Stege zu mindestens 8 5 % aus Titan, wobei der Rest Titanverbindungen und/oder Titanlegierungsbestandteile sind. Und auch vorteilhafterweise sind als Titan-Legierungen Ti6AI7Nb und Ti6AI4V vorhanden. Also advantageously, the surface area of the webs consists of at least 8 5% titanium, the remainder being titanium compounds and / or titanium alloy constituents. And also advantageously titanium alloys Ti6AI7Nb and Ti6AI4V are present.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Stege im Inneren Hohlräume aufweisen. It is also advantageous if the webs have cavities in the interior.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Stege in ihren Wandungen Risse und Poren aufweisen. It is also advantageous if the webs have cracks and pores in their walls.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die umhüllenden Oberflächen der Stege Poren aufweisen, wobei deren Anteil < 5 %, bezogen auf die Fläche beträgt. It is also advantageous if the enveloping surfaces of the webs have pores, the proportion of which is <5%, based on the area.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Poren in der umhüllenden Oberfläche der Stege maximale Abmessungen von < 1 μητι aufweisen. And it is also advantageous if the pores in the enveloping surface of the webs have maximum dimensions of <1 μητι.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von offenzelligen Titan- Metallschäumen wird ein offenzelliger Polymerschaum einmal mit einer Suspension beschichtet, wobei die Suspension mindestens 75 Ma.-% an Titanpulverpartikeln einer mittleren Partikelgröße von < 25 pm enthält und die gesamte Pulvermischung eine Partikelgrößenverteilung mit einem d95-Wert < 30 pm aufweist, nachfolgend der beschichtete Polymerschaum getrocknet, das Polymer entfernt und das verbleibende Titanpulvergerüst in Form eines dreidimensionalen Netzwerkes gesintert wird. In the process according to the invention for producing open-cell titanium-metal foams, an open-celled polymer foam is coated once with a suspension, the suspension containing at least 75% by weight of titanium powder particles having an average particle size of <25 μm and the entire powder mixture having a particle size distribution with a d 95 Value <30 μm, followed by drying the coated polymer foam, removing the polymer and sintering the remaining titanium powder framework in the form of a three-dimensional network.
Vorteilhafterweise werden Titanpulverpartikel in der Suspension eingesetzt, die eine mittlere Partikelgröße von < 20 pm und einen d95-Wert von < 25 pm aufweisen. Advantageously, titanium powder particles are used in the suspension, which have an average particle size of <20 pm and a d 9 5 value of <25 pm.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die Suspension ausschließlich einmal auf den Polymerschaum aufgebracht. Also advantageously, the suspension is applied only once to the polymer foam.
Und auch vorteilhafterweise werden als Titanpulverpartikel Partikel aus reinem Titan und/oder aus Titanverbindungen und/oder aus Titanlegierungen eingesetzt. And also advantageously particles of pure titanium and / or titanium compounds and / or titanium alloys are used as titanium powder particles.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind offenzellige Titan-Metallschäume herstellbar, deren Stege eine vergleichsweise glatte umhüllende Oberfläche aufweisen, die aber trotzdem eine gute Haftung zu Beschichtungen, insbesondere von einwachsendem Gewebe, erreichen u nd bei d enen das Ri si ko ei ner unerwünschten Partikelabgabe deutlich verringert ist. With the solution according to the invention, open-cell titanium metal foams can be produced whose webs have a comparatively smooth, enveloping surface Nevertheless, they nevertheless achieve a good adhesion to coatings, in particular of ingrowing tissue, and in the case of which the risk of undesired particle delivery is markedly reduced.
Entgegen der allgemeinen Auffassung der Fachwelt bezüglich der Beschaffenheit von Knochenersatz-Formteilen und insbesondere deren Oberfläche werden mit der erfindungsgemäßen Lösung offenzellige Titan-Metallschäume als Knochenersatz- Formteile angegeben, deren Stege gerade keine raue, sondern eine vergleichsweise glatte umhüllende Oberfläche aufweisen. Contrary to the general view of the art regarding the nature of bone substitute moldings and in particular their surface open-cell titanium metal foams are given as Knochenersatz- molded parts with the solution according to the invention, the webs have just no rough, but a relatively smooth enveloping surface.
Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass neben der Biokompatibilität die Knochenersatz-Formteile eine hohe Porosität und eine poröse Struktur, ähnlich der menschlichen Knochenstruktur, aufweisen sollten. Dies beinhaltet auch eine raue äußere Oberfläche der Stege. Nach J.P.Li et al.: J.Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233 werden Oberflächenrauheiten von 3,4 + 0,4 pm (Ra) erreicht, wobei die Poren in der rauen Oberfläche der Stege als Mikroporen bezeichnet werden und deren Größe im Bereich von 1 bis 10 pm angegeben wird. According to the prior art, it is known that in addition to the biocompatibility, the bone substitute moldings should have a high porosity and a porous structure, similar to the human bone structure. This also includes a rough outer surface of the webs. According to JPLi et al .: J.Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233 surface roughnesses of 3.4 + 0.4 pm (R a ) are achieved, wherein the pores in the rough surface of the webs are referred to as micropores and their size in the range of 1 to 10 pm is specified.
Im Gegensatz dazu weisen die erfindungsgemäßen, im Wesentlichen glatten umhüllenden Stegoberflächen Rauheiten Ra von < 2 pm auf. In contrast, the substantially smooth, enveloping web surfaces according to the invention have roughnesses R a of <2 μm.
Diese geringen Rauheiten werden vor allem dadurch erreicht, dass bei den mittels pulvertechnischer Verfahren hergestellten erfindungsgemäßen offenzelligen Titan- Metallschäumen Titan-Pulver als Ausgangspulver verwendet werden, welche deutlich geringere Partikeldurchmesser aufweisen, als die Pulver, die bei den Lösungen des Standes der Technik eingesetzt werden. Gemäß J.P.Li et al.: J.Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233 werden Titanlegierungspulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser vo n 45 p m e i n g e s e tzt . Unter dem mittleren Partikeldurchmesser eines Pulvers wird der d5o-Wert der Partikelgrößenverteilungsfunktion verstanden. Die geringen Rauheiten werden erfindungsgemäß auch dadurch erreicht, dass der Hauptbestandteil des Pulvers, das heißt 75 % der Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser < 25 pm aufweisen, vor allem aber dadurch, dass der Grobanteil des Titanpulvers, gekennzeichnet durch den d95-Wert < als 30 pm ist, d.h. 95 % der Partikel aus der Partikelverteilungskurve sind kleiner als 30 pm. Gemessen werden diese Partikelverteilungskurven nach dem bekannten Verfahren der Laserbeugung. Weiterhin werden die erfindungsgemäßen glatten umhüllenden Oberflächen der Stege auch dadurch erreicht, dass nur eine Beschichtung des Polymerschaums bei der Herstellung der Titan-Metallschäume mit einer Titanpulver-haltigen Suspension durchgeführt wird. These low roughnesses are achieved above all by the fact that in the open-cell titanium metal foams according to the invention produced by powder technology, titanium powders are used as starting powders which have significantly smaller particle diameters than the powders used in the solutions of the prior art. According to JPLi et al .: J.Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223-233, titanium alloy powders having an average particle diameter of 45 μm are etched. The mean particle diameter of a powder is understood to mean the d 5 o value of the particle size distribution function. The low roughnesses are inventively also achieved in that the main component of the powder, that is, 75% of the particles have a mean particle diameter <25 pm, but especially by the fact that the coarse fraction of titanium powder, characterized by the d 95 value < is pm, ie 95% of the particles from the particle distribution curve are smaller than 30 pm. These particle distribution curves are measured by the known method of laser diffraction. Furthermore, the smooth enveloping surfaces of the webs according to the invention are also achieved in that only a coating of the polymer foam in the production of titanium metal foams is carried out with a titanium powder-containing suspension.
Nach den Lösungen des Standes der Technik werden gerade mehrmalige Beschichtungen favorisiert, da dadurch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden (EP 1329229). Weiterhin werden nach mehrmaligen Beschichtungen ähnliche mechanische Eigenschaften der Materialien erreicht, wie bei menschlichen Knochen (J.P. Li et al: J. of Mat. Sic. 17(2006) 179-185). According to the solutions of the prior art, multiple coatings are favored, since this improves the mechanical properties (EP 1329229). Furthermore, after repeated coatings similar mechanical properties of the materials are achieved as in human bones (J.P.Li et al: J. of Mat. Sic. 17 (2006) 179-185).
Eine mehrmalige Beschichtung bedeutet aber zwingend auch, dass die Suspensionen für die mehrmaligen Beschichtungen immer weniger Beschichtungsmaterial enthalten können, da bei mehrmaligen Beschichtungen die Zellabmessungen immer geringer werden und mit den geringeren Anteilen an Beschichtungsmaterial in den Suspensionen ein Verschließen der Zellen verhindert werden muss (siehe dazu auch J.P. Li et al: J. of Mat. Sic. 17(2006), Tabelle 1 ).  A repeated coating, however, necessarily means that the suspensions for the repeated coatings may contain less and less coating material, since with repeated coatings, the cell dimensions are getting smaller and with the lower proportions of coating material in the suspensions, a closure of the cells must be prevented (see also JP Li et al .: J. of Mat. Sic. 17 (2006), Table 1).
Der geringere Anteil an Beschichtungsmaterial in der Suspension führt zu einer geringeren Packungsdichte der Partikel nach der Trocknung der Beschichtung, was wiederum nach der Sinterung zu einer höheren Porosität und höheren Rauigkeit der äußeren Oberfläche führt. Damit führt eine mehrmalige Beschichtung aber auch dazu, dass eine rauere umhüllende Oberfläche der Stege erreicht wird, was nach dem Stand der Technik ja gewünscht ist. The lower proportion of coating material in the suspension leads to a lower packing density of the particles after the drying of the coating, which in turn leads after sintering to a higher porosity and higher roughness of the outer surface. This leads to a repeated coating but also that a rougher enveloping surface of the webs is achieved, which is indeed desired in the prior art.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß mit einem deutlich feineren Titanpulver als Ausgangsstoff und mit nur einer einzigen Beschichtung eine nachweislich deutlich glattere umhüllende Oberfläche der Stege erreicht, die überraschenderweise eine gute Haftung von einwachsendem Gewebe zeigt. In contrast, according to the invention, with a significantly finer titanium powder as the starting material and with only a single coating, a demonstrably much smoother enveloping surface of the webs is achieved, which, surprisingly, shows good adhesion of the tissue growing in.
Unter Titan-Metallschäumen sollen im Rahmen dieser Erfindung Schäume mit einem überwiegenden Anteil an Titan verstanden werden. Das beinhaltet auch, dass neben Titan auch typische Titanlegierungen, wie z.B. Ti6AI7Nb und Ti6AI4V, eingesetzt werden können, die in geringen Mengen (< 15 %) Legierungselemente enthalten. Weiterhin können auch sehr geringe Mengen (< 5 %) an Titanverbindungen mit anderen Elementen (z.B. Oxide, Nitride, Carbide etc.) im Gefüge enthalten sein. Alle aus diesen Ausgangsstoffen hergestellten Titan-Metallschäume sollen unter dem erfindungsgemäßen Begriff Titan-Metallschäume verstanden werden. Im Wesentlichen sollen die erfindungsgemäßen Titan-Metallschäume jedoch die technisch normierten Reinheiten und Legierungsbestandteile einhalten. In the context of this invention, titanium metal foams are to be understood as meaning foams with a predominant proportion of titanium. This also implies that in addition to titanium, it is also possible to use typical titanium alloys, such as Ti6Al7Nb and Ti6Al4V, which contain alloying elements in small amounts (<15%). Furthermore, very small amounts (<5%) of titanium compounds with other elements (eg oxides, nitrides, carbides, etc.) may be contained in the microstructure. All titanium metal foams produced from these starting materials are to be understood by the term titanium metal foams according to the invention. Essentially, however, the titanium metal foams according to the invention should comply with the technically standardized purities and alloy constituents.
Nach dem Stand der Technik können offenzellige Titan-Metallschäume aber auch mittels CVD-Verfahren hergestellt werden. Diese Verfahren sind aber sehr aufwändig und teuer und die entstandenen Titan-Metallschäume unterscheiden sich von den erfindungsgemäßen Titan-Metallschäumen unter anderem auch darin, dass die Stege des erfindungsgemäßen offenzelligen Netzwerkes in jedem Falle hohl sind, da dort der Polymerschaum entfernt worden ist. In the prior art, open-cell titanium metal foams can also be produced by means of CVD processes. However, these processes are very complicated and expensive, and the resulting titanium metal foams differ, inter alia, from the titanium metal foams according to the invention in that the webs of the open-cell network according to the invention are hollow in each case since the polymer foam has been removed there.
Die mittels CVD-Verfahren abgeschiedenen Titanpulver sind auf einem Substrat, zumeist aus Kohlenstoff vorhanden, welches ebenfalls ein offenzelliger Schaum sein kann, jedoch bleibt zum Abschluss des CVD-Verfahrens das Substrat in jedem Falle erhalten, so dass die Stege im gesamten Volumen ausgefüllt sind (s. die o.a. L.D. Zardiackas et al.: J. Biomed. Mater. Res 58 180-187, 2001 )  The titanium powders deposited by means of CVD processes are present on a substrate, mostly of carbon, which may likewise be an open-cell foam, but at the end of the CVD process the substrate is retained in each case, so that the webs are filled in the entire volume ( See, for example, LD Zardiackas et al .: J. Biomed., Mater., Res., 58, 180-187, 2001).
Hinzu kommt, dass durch das CVD-Verfahren unter Umständen eine Reaktion des Titans mit dem Substrat nicht vollständig verhindert werden kann, so dass der Bereich der Stegoberflächen auch nicht im Wesentlichen aus Titan besteht oder bestehen kann. In addition, the reaction of the titanium with the substrate may not be completely prevented by the CVD method, so that the area of the web surfaces does not essentially consist of titanium or can exist.
Außerdem bildet sich an der Grenzfläche zwischen Kohlenstoffsubstrat und Titanschicht eine Reaktionsschicht aus Titancarbid aus, die zu einer unerwünschten Versprödung des Schaumes führen kann. In addition, forms at the interface between carbon substrate and titanium layer, a reaction layer of titanium carbide, which can lead to an undesirable embrittlement of the foam.
Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention will be explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments.
Dabei zeigen Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines offenzelligen Schaumes Show Fig. 1 is a schematic representation of an open-cell foam
Fig. 2 die idealisierte Prinzipdarstellung einer Zelle eines offenzelligen Fig. 2 is the idealized schematic representation of a cell of an open-cell
Schaumes  foam
Fig. 3 die idealisierte Prinzipdarstellung des Querschnittes eines Steges eines offenzelligen Schaumes Fig. 3 shows the idealized schematic representation of the cross section of a web of an open-cell foam
Fig. 3 Prinzipdarstellung von Stegen mit zugehöriger umhüllender Fig. 3 schematic diagram of webs with associated enveloping
Oberfläche  surface
Beispiel 1 example 1
Es wird eine Suspension auf Wasserbasis hergestellt, welche ein Metallpulver auf der Basis der Legierung TiAI6V4 mit einer mittleren Partikelgröße d5o von 15pm und d95 von 25 pm enthält. Als Binder wird 5% einer Polysaccharidzubereitung zugegeben und die Suspension 10 min bei einer Geschwindigkeit von 200 s-1 gerührt. Sie besitzt anschließend einen Feststoffgehalt von 84 Ma-%. A water-based suspension is produced which contains a metal powder based on the TiAl6V4 alloy with an average particle size d 5 o of 15 pm and d 95 of 25 μm. As a binder, 5% of a polysaccharide preparation is added and the suspension is stirred for 10 minutes at a speed of 200 s-1. It then has a solids content of 84% by mass.
Zur Herstellung des Titan-Metallschaumes werden Formteile aus retikuliertem Polyurethan-Schaumstoff des mittleren Zelldurchmessers (2 in Fig. 2) 1200 pm mit der Suspension durchtränkt. Zur anschließenden Homogenisierung und Abtrennung überschüssigen Materiales werden die Formteile zentrifugiert. Für eine Probe der Maße 27x19x1 1 mm3 ergibt sich ein Beschichtungsgewicht von 4 g. Anschließend wird der Körper getrocknet und das Polyurethan bis zu einer Temperatur von 600 °C unter Argonatmosphäre ausgebrannt. Das verbleibende Titan-Pulvergerüst wird im Hochvakuum von ca. 10"3 Pa bei einer Temperatur von 1350 °C gesintert. Die Probe schwindet bei der Sinterung linear 12%, so dass die Endmaße bei 24x16x10 mm3 liegen. Die mittlere geometrische Dichte des Sinterkörpers beträgt 1 ,1 g/cm3 und die Druckfestigkeit beträgt 57 MPa. Der Mittenrauwert Ra an der umhüllenden Oberfläche des Titan-Metallschaumes beträgt 1 ,2 pm und die Rautiefe Rz 5 pm. Beispiel 2 To produce the titanium metal foam molded parts made of reticulated polyurethane foam of average cell diameter (2 in Fig. 2) 1200 pm impregnated with the suspension. For subsequent homogenization and separation of excess material, the moldings are centrifuged. For a sample of dimensions 27x19x1 1 mm 3 , the coating weight is 4 g. The body is then dried and the polyurethane burned out to a temperature of 600 ° C under an argon atmosphere. The remaining titanium powder framework is sintered in a high vacuum of about 10 -3 Pa at a temperature of 1350 ° C. During the sintering, the sample linearly shrinks by 12% so that the final dimensions are 24 × 16 × 10 mm 3. The mean geometric density of the sintered body is 1, 1 g / cm 3 and the compressive strength is 57 MPa The average roughness R a on the enveloping surface of the titanium metal foam is 1.2 μm and the roughness R z is 5 μm. Example 2
Es wird eine Suspension auf Wasserbasis hergestellt, welche zu 40% ein Metallpulver auf der Basis der Legierung TiAI6Nb17 mit einer mittleren Partikelgröße von 15pm und zu 60 % ein Metallpulver der gleichen Zusammensetzung mit einer mittleren Partikelverteilung von 6,5 pm enthält. Der dg5 Wert der Pulvermischung beträgt 22 pm. Als Binder wird 7% einer Bindermischung aus Polyvinylalkohol und Polysaccharid zugegeben und die Suspension 10 min bei einer Geschwindigkeit von 400 s-1 gerührt. Sie besitzt anschließend einen Feststoffgehalt von 87 Ma-%. A water-based suspension is produced which contains 40% of a metal powder based on the TiAl6Nb17 alloy with a mean particle size of 15 pm and 60% of a metal powder of the same composition with an average particle distribution of 6.5 μm. The d g5 value of the powder mixture is 22 μm. As binder, 7% of a binder mixture of polyvinyl alcohol and polysaccharide is added and the suspension is stirred for 10 minutes at a speed of 400 s-1. It then has a solids content of 87% by mass.
Zur Herstellung des Titan-Metallschaumes werden Formteile aus retikuliertem Polyurethan-Schaumstoff des mittleren Zelldurchmessers 1 000 pm mit der hergestellten Suspension durchtränkt. Zur anschließenden Homogenisierung und Abtrennung überschüssigen Materiales werden die Formteile durch einen Walzenstuhl geführt. Für eine Probe der Maße 75x75x20 mm3 ergibt sich ein Beschichtungsgewicht von 80 g. Anschließend wird der Körper getrocknet und das Polyurethan bis zu einer Temperatur von 600 °C unter Argonatmosphäre bei einem Druck von 70 mbar ausgebrannt. Das verbleibende Titan-Pulvergerüst wird im Hochvakuum von ca. 10"3 Pa bei einer Temperatur von 1250 °C gesintert. Die Probe schwindet bei der Sinterung linear 1 1 %, so dass die Endmaße bei 67x67x18 mm3 liegen. Die mittlere geometrische Dichte des Sinterkörpers beträgt 0,7 g/cm3 und die Druckfestigkeit wird mit 62 MPa gemessen. Der Mittenrauwert Ra an der umhüllenden Oberfläche des Titanschaumes beträgt 0,85 pm und die Rautiefe Rz 3,9 pm. Der Flächenanteil der Poren an der Oberfläche der Stege wird lichtmikroskopisch zu 4% bestimmt. Der mittlere Durchmesser der Poren beträgt 0,8 pm. To produce the titanium metal foam molded parts of reticulated polyurethane foam of average cell diameter 1 000 pm are impregnated with the prepared suspension. For subsequent homogenization and separation of excess material, the moldings are passed through a roller mill. For a sample of dimensions 75 × 75 × 20 mm 3 , a coating weight of 80 g results. The body is then dried and the polyurethane burned out to a temperature of 600 ° C under an argon atmosphere at a pressure of 70 mbar. The remaining titanium powder framework is sintered in a high vacuum of about 10 -3 Pa at a temperature of 1250 ° C. During the sintering, the sample linearly fuses 1 1% so that the final dimensions are 67 × 67 × 18 mm 3. The mean geometric density of the The sintered body is 0.7 g / cm 3 and the compressive strength is measured at 62 MPa The average roughness R a at the enveloping surface of the titanium foam is 0.85 μm and the roughness depth R z is 3.9 μm The area fraction of the pores at the surface of the webs is determined by light microscopy to be 4%, and the average diameter of the pores is 0.8 μm.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Schaumsteg 1 foam bar
2 Schaumzelle, Zelldurchmesser  2 foam cell, cell diameter
3 Verbindungspunkt verschiedener Schaumstege 3 connection point of various foam webs
4 umhüllende Oberfläche 4 enveloping surface
5 Zellfenster  5 cell windows
6 Hohlraum im Steg  6 cavity in the bridge
7 Risse im Steg  7 cracks in the bridge
8 Poren im Steg  8 pores in the bridge
9 Stegdurchmesser  9 bar diameter

Claims

Patentansprüche claims
1. Offenzellige Titan-Metallschäume bestehend aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus miteinander verbundenen Stegen, wobei mindestens deren umhüllende Oberfläche im Wesentlichen aus Titan besteht und die im Wesentlichen glatten Stegoberflächen Rauheiten Ra von < 2 μιτι aufweisen. 1. open-cell titanium metal foams consisting of a three-dimensional network of interconnected webs, wherein at least their enveloping surface consists essentially of titanium and the substantially smooth web surfaces roughness R a of <2 μιτι have.
2. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, die mit dem Schwartzwalder- Verfahren hergestellt sind. 2. open-cell titanium metal foams according to claim 1, which are produced by the Schwartzwalder- method.
3. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1 , bei denen die Stege eine glatte Oberfläche mit Rauheiten Ra von < 1 μιτι aufweisen. 3. open-cell titanium metal foams according to claim 1, wherein the webs have a smooth surface with roughness R a of <1 μιτι.
4. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen der Oberflächenbereich der Stege zu mindestens 85 % aus Titan besteht, wobei der Rest Titanverbindungen und/oder Titanlegierungsbestandteile sind. 4. Open-cell titanium metal foams according to claim 1, wherein the surface region of the webs consists of at least 85% titanium, the remainder being titanium compounds and / or titanium alloy constituents.
5. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen als Titan- Legierungen Ti6AI7Nb und Ti6AI4V vorhanden sind 5. Open-cell titanium metal foams according to claim 1, in which titanium alloys Ti6AI7Nb and Ti6AI4V are present as titanium alloys
6. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen die Stege im Inneren Hohlräume aufweisen. 6. open-cell titanium metal foams according to claim 1, wherein the webs have cavities in the interior.
7. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen die Stege in ihren Wandungen Risse und Poren aufweisen. 7. open-cell titanium metal foams according to claim 1, wherein the webs in their walls have cracks and pores.
8. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen die umhüllenden Oberflächen der Stege Poren aufweisen, wobei deren Anteil < 5 %, bezogen auf die Fläche beträgt. 8. open-cell titanium metal foams according to claim 1, wherein the enveloping surfaces of the webs have pores, wherein the proportion is <5%, based on the area.
9. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 8, bei denen die Poren in der umhüllenden Oberfläche der Stege maximale Abmessungen von < 1 μιτι aufweisen. 9. open-cell titanium metal foams according to claim 8, wherein the pores in the enveloping surface of the webs have maximum dimensions of <1 μιτι.
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10. Verfahren zur Herstellung von offenzelligen Titan-Metallschäumen, bei dem ein offenzelliger Polymerschaum einmal mit einer Suspension beschichtet wird, wobei die Suspension mindestens 75 Ma.-% an Titanpulverpartikeln einer mittleren Partikelgröße von < 25 μιτι enthält und d ie gesamte Pulvermischung eine Partikelgrößenverteilung mit einem dgs-Wert < 30 μιτι aufweist, nachfolgend der beschichtete Polymerschaum getrocknet, das Polymer entfernt und das verbleibende Titanpulvergerüst in Form eines dreidimensionalen Netzwerkes gesintert wird. 10. A process for the preparation of open-celled titanium metal foams in which an open-cell polymer foam is coated once with a suspension, wherein the suspension contains at least 75% by mass of titanium powder particles having an average particle size of <25 μm and the total powder mixture has a particle size distribution a dgs value <30 μιτι, subsequently dried the coated polymer foam, the polymer removed and the remaining titanium powder scaffold is sintered in the form of a three-dimensional network.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Titanpulverpartikel in der Suspension eingesetzt werden, die eine mittlere Partikelgröße von < 20 μιτι und einen dgs- Wert von < 25 μιτι aufweisen. 1 1. A method according to claim 10, wherein the titanium powder particles are used in the suspension, which have a mean particle size of <20 μιτι and a DGS value of <25 μιτι.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Suspension ausschließlich einmal auf den Polymerschaum aufgebracht wird. 12. The method of claim 10, wherein the suspension is applied only once to the polymer foam.
13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als Titanpulverpartikel Partikel aus reinem Titan und/oder aus Titanverbindungen und/oder aus Titanlegierungen eingesetzt werden. 13. The method according to claim 10, wherein particles of pure titanium and / or titanium compounds and / or titanium alloys are used as titanium powder particles.
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