WO2014009340A1 - Keramisches bauteil zur fusionierung von wirbelkörpern - Google Patents

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WO2014009340A1
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ceramic
component
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porous
ceramic component
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Alfons Kelnberger
Fiona NEUMANN
Heinrich Wecker
Frank Ziermann
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Ceramtec Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to ceramic components, in particular implants, for the fusion of vertebral bodies and to processes for producing these ceramic components.
  • plastics based on plastics such. highly cross-linked PE materials or PEEK are known. Disadvantages of the plastics are, for example: The mechanical properties may be insufficient, e.g. can lead to breaking off prongs or other parts of the component, for example during installation.
  • Ceramic components based on silicon nitride are also known.
  • this material class was developed with a view to achieving excellent high-temperature properties - such as mechanical machining of metallic components for the automotive industry - and tends to rank higher in terms of strength, hardness and long-term stability required for this application than other high performance ceramic materials based on oxide systems in the midfield.
  • it is a relatively complicated material with acicular silicon nitride, which is in a glass matrix is embedded. Therefore, the sintering of the material is expensive.
  • mechanical processing such as grinding or polishing is very demanding and difficult.
  • components made of silicon nitride have a rather dark coloration - gray to black - which, even for optical reasons, meets rather low acceptance in the medical field. All of these disadvantages lead to increased costs in the manufacture of the components, which represents a further disadvantage.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for producing a component for the fusion of vertebral bodies and to provide a component for the fusion of vertebral bodies, which avoids the disadvantages mentioned and in particular has sufficient strength, hardness and long-term stability.
  • a further object of the invention is to provide a method which places as little special demands on the processing process as possible.
  • the object is achieved by a component for fusing vertebral bodies according to claim 1 and a method for producing this component according to claim 8.
  • the component according to the invention for the fusion of vertebral bodies accordingly consists of an oxidic ceramic.
  • the products produced have the advantages of oxide ceramics.
  • Oxide ceramics are characterized in particular by a high resistance to and good compatibility with body media.
  • Oxidic ceramics have good biocompatibilities and do not cause allergic reactions.
  • the invention comprises a ceramic component for fusion of vertebrae, in particular in the field of human spine.
  • the component is based on oxide ceramic material systems, comprising: Zirconia-reinforced aluminum oxide (ZTA) and all ZTA systems developed on this basis.
  • ZTA Zirconia-reinforced aluminum oxide
  • Zirconia ceramics in particular yttrium-stabilized zirconia (3Y-TZP).
  • Cerium-stabilized zirconium oxide Cerium-stabilized zirconium oxide (Ce-TZP), in which the stabilization of the tetragonal phase of zirconium oxide by cerium oxide takes place.
  • dispersoid composite component can be based on aluminates and also other stabilizers from the group of rare earths can be used, such. Gd and Sm.
  • ZTA The base material forms the alumina. Its strength and fracture toughness are doubled by adding oxides and ceramic platelets compared to standard ZTAs. This made it possible to realize components in additional sizes and for new applications.
  • the ZTA can be prepared, for example, from materials of the following composition: 72 to 82% by weight Al 2 O 3 , 28 to 18% by weight ZrO 2 , 0 to 1% by weight Cr 2 O 3 , 0 to 6% by weight. -% Y 2 O 3 based on the ZrO 2 content, 0 to 2 wt .-% SrO, 0 to 0.5 wt .-% TiO 2 and 0 to 0.5 wt .-% MgO.
  • a preferred embodiment of the invention comprises a material having the following composition: 72.65 to 74.54% by weight Al 2 O 3 , 24.0 to 25.5% by weight ZrO 2 , 0.5 to 0.65% by weight .-% Y 2 O 3 based on the Al 2 O 3 content, 0.26 to 0.35 Cr 2 O 3 and 0.70 to 0.85 wt .-% SrO.
  • the component has the following composition: 70 to 90 wt .-% Al 2 O 3 : Cr (aluminum oxide with chromium doping, 12 to 22 wt .-% ZrO 2 : Y (zirconium oxide with yttrium stabilization) and 1 to 5% by weight of SrAli 2-x Cr x Oi 9 (strontium nunnin, with variable chromium doping, where x is preferably between 0.0007 and 0.045).
  • 3Y zirconia, 3Y-TZP zirconia (ZrO 2 ) has the highest fracture toughness among ceramic materials.
  • stabilizers such as yttrium oxide are required, with which a strength of more than 1600 MPa is achieved. Similar to the ZTA, the crack propagation is blocked by the so-called conversion gain.
  • Zirconia also makes it possible to produce sharp edges, which predestines the material for the production of components with self-tapping threads, which is already being used, for example, in dentistry.
  • Ce zirconium oxide Ce-TZP: Cerium oxide (Ce 2 Os) can also be used as a stabilizer for zirconium oxide.
  • this material achieves an even higher fracture toughness than 3Y-TZP. It even allows plastic deformation to a limited extent, much like metal. In contrast, strength and hardness are lower than for 3YZirkonoxid. With its also significantly increased elasticity of this material is a particularly preferred choice for the production of a component according to the invention.
  • the component is adapted in its geometry to the anatomy of the human vertebral body. It sits between two vertebrae and replaces the disc completely or partially.
  • the component holds in a first phase of whereabouts in the human body only by its mechanical properties, the vertebral bodies at a distance and in an anatomically correct position. In a second phase it promotes the Fusion and thus the ingrowth of the two vertebral bodies between which it is introduced.
  • the so-called primary stability immediately after surgery and before osseointegration is important.
  • This can be achieved, for example, by providing on the top and the bottom of the component, which are in contact with the cover plates of the adjacent vertebra, morphological formations are provided which ensure a slip-resistant connection to the adjacent vertebrae.
  • Such morphological formations can be, for example, serrated, pyramidal or knobbed structures. With the help of these structures, the components can get caught with the vertebral bodies or the component is fixed in the position in which it was used.
  • the component is ring-shaped or banana-shaped, with geometry and size adapted to the various regions of the spine (e.g., cervical or lumbar).
  • the shape of the component plays an important role in the introduction or implantation in the human body. For different implantation methods different component shapes are required, which are known per se to those skilled in the art.
  • the component has an outer, solid or all-ceramic part, which satisfies the mechanical, biological and chemical requirements during implantation and also during the whereabouts in the human body in an excellent manner.
  • the component also preferably has an inner part which is designed so that human bone cells (eg osteoblasts) or cells, which are necessary in the formation of human bone tissue (ossification), optimal conditions find.
  • human bone cells eg osteoblasts
  • osteoblasts or cells, which are necessary in the formation of human bone tissue (ossification), optimal conditions find.
  • the goal here is the complete bony insertion into the human spine, the so-called osseointegration.
  • this inner part may be hollow, so only an empty, ceramic-free area, which can be used to bring the body's own or autologous bone material, preferably together with known osshuis swipenden substances.
  • this inner part may also be porous, so be designed as a porous, preferably ceramic structure.
  • This porous structure can be particularly preferably realized on the basis of the same ceramic material as the outer part. It has been found that the following properties of an implant positively influence the ossification:
  • Interconnectivity i. the individual pores are at least partially interconnected
  • the structure of the inner part can be produced by various methods, in particular directly during the production process of the ceramic component or separately by subsequent introduction of the inner part in the outer part.
  • the direct manufacturing processes include e.g. a two-component injection molding process, in which preferably only the outer part is poured into a tool and then, in particular by suitable modification of the tool, the inner part is poured. This is followed by a co-sintering of the two parts and the finishing.
  • the inner part can also be produced as a foam-like structure, for example by direct frozen foaming.
  • organic materials are added to a ceramic slip and then burned out leaving pores behind.
  • outer and inner part formed independently of each other and sintered and only in the second step, preferably mechanically, brought together.
  • this inner part e.g. recourse to direct impression processes.
  • Polyurethane foams are suitable here, which are impregnated with ceramic slip after appropriate pretreatment to produce a suitable structure and then burnt out.
  • direct impression biomimetic methods may also be used, which per se have a trabecular bone structure or similar structure.
  • organic materials such as bamboo are suitable.
  • the structures of the inner and / or the outer part can be coated with conventional functional coatings such as, for example, hydroxyapatite or tricalcium phosphate or other calcium phosphates which, for example, promote osseointegration. Also fillings based on bioglaskeramischen materials with high proportions of S1O2, CaO, P2O 5 and / or K 2 O suitable for this purpose. Also with this material, the component or only the inner or the outer part may be coated.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of a ceramic component according to the invention for the fusion of vortex bodies.
  • the implant has a stable solid outer area with pyramidal structures on the top and bottom for fixation against displacement on the adjacent vertebral bodies.
  • the inner part is designed as a cavity that can be filled, for example, with autologous bone to promote osseointegration.
  • the component consists of a zirconia-reinforced alumina ceramic.

Abstract

Die Erfindung betrifft oxidkeramische Bauteile zur Fusionierung von Wirbelkörpern sowie Herstellverfahren für diese keramischen Bauteile.

Description

Keramisches Bauteil zur Fusionierung von Wirbelkörpern
Die Erfindung betrifft keramische Bauteile, insbesondere Implantate, zur Fusionierung von Wirbelkörpern sowie Verfahren zur Herstellung dieser keramischen Bauteile.
Es sind Bauteile zur Fusionierung von Wirbelkörpern basierend auf metallischen Werkstoffen wie z.B. Tantal oder Titan sind bekannt. Nachteilig bei diesen metallischen Werkstoffen ist beispielsweise ein hohes Infektionsrisiko. Darüber hinaus können Metallimplantate medizinisch kontrainduziert sein, wenn eine Allergie oder Hypersensitivität gegen Metalle oder metallähnliche Materialien besteht. Metallischer Abrieb kann negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben. Artefakte von metallischen Implantaten können die Bildgebung in der medizinischen Diagnostik stark erschweren.
Auch Bauteile basierend auf Kunststoffen wie z.B. hochvernetzte PE-Werkstoffe oder PEEK sind bekannt. Nachteile bei den Kunststoffen sind z.B.: Die mechanischen Eigenschaften können unzureichend sein, was z.B. zum Abbrechen von Zacken oder sonstigen Teilen des Bauteils beispielsweise beim Einbau führen kann. Darüber hinaus sind auf Kunststoffen basieren Bauteile oder Implantate mit vielen gängigen bildgebenden Verfahren, z.B. MRI und Röntgen nicht oder nicht ausreichend darstellbar, weshalb beispielsweise spezifischen Marker eingesetzt werden müssen.
Bekannt sind auch keramische Bauteile basierend auf Siliziumnitrid. Diese Werkstoff kl asse wurde jedoch mit Blick auf exzellente Hochtemperatureigenschaften entwickelt - beispielsweise zur mechanischen Bearbeitung von metallischen Bauteilen für die Automobilindustrie - und rangiert bei den für diese Anwendung geforderten Eigenschaften wie Festigkeit, Härte und Langzeitstabilität im Vergleich zu anderen keramischen Hochleistungswerkstoffen basierend auf oxidischen Systemen eher im Mittelfeld. Außerdem handelt es sich um einen relativ komplizierten Werkstoff mit nadeiförmigem Siliziumnitrid, das in einer Glasmatrix eingebettet ist. Daher ist die Sinterung des Werkstoffs aufwändig. Darüber hinaus ist die mechanische Bearbeitung wie Schleifen oder Polieren aufgrund der großen Härte und der Inhomogenität des Materials sehr anspruchsvoll und schwierig. Außerdem weisen aus Siliziumnitrid gefertigte Bauteile eine eher dunkle Färbung - grau bis schwarz - auf, was schon aus optischen Gründen im medizinischen Bereich auf eine eher geringe Akzeptanz stößt. Alle diese Nachteile führen zu erhöhten Kosten bei der Herstellung der Bauteile, was einen weiteren Nachteil darstellt.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Fusionierung von Wirbelkörpern sowie das Bereitstellen eines Bauteils zur Fusionierung von Wirbelkörpern, das die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine ausreichende Festigkeit, Härte und Langzeitstabilität aufweist. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das möglichst wenig besondere Anforderungen an den Verarbeitungsprozess stellt.
Die Aufgabe wird durch ein Bauteil zur Fusionierung von Wirbelkörpern gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauteils gemäß Anspruch 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Bauteil zur Fusionierung von Wirbelkörpern besteht demgemäß aus einer oxidischen Keramik. Die erzeugten Produkte weisen die Vorteile von oxidischen Keramiken auf. Oxidische Keramiken zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Beständigkeit in und gute Verträglichkeit mit Körpermedien aus. Oxidische Keramiken weisen gute Biokompatibilitäten auf und rufen keine allergischen Reaktionen hervor.
Demnach umfasst die Erfindung ein keramisches Bauteil zu Fusionierung von Wirbel körpern, insbesondere im Bereich der menschlichen Wirbelsäule. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung basiert das Bauteil auf oxidischen Keramik-Werkstoffsystemen, umfassend: Zirkonoxid-verstärktes Aluminiumoxid (ZTA) und alle auf dieser Basis weiterentwickelten ZTA Systeme.
Zirkonoxid-Keramik, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (3Y-TZP). Cer-stabilisiertes Zirkonoxid (Ce-TZP), bei dem die Stabilisierung der tetragonalen Phase des Zirkonoxids durch Ceroxid erfolgt.
Alle anderen Verbundwerkstoffe basierend auf Zirkonoxid, wobei die dispersoide Verbundkomponente auf Aluminaten basieren kann und auch andere Stabilisatoren aus der Gruppe der Seltenen Erden verwendet werden können, wie z.B. Gd und Sm.
Einige in Frage kommende Werkstoffe sind im Folgenden kurz beschrieben:
• ZTA: Das Basismaterial bildet das Aluminiumoxid. Seine Festigkeit und Risszähigkeit werden durch Zugabe von Oxiden und Keramikplatelets im Vergleich zu üblichen ZTAs verdoppelt. Damit wurde es möglich, Komponenten in zusätzlichen Größen und für neue Anwendungen zu realisieren.
Die ZTA kann beispielsweise aus Materialien folgender Zusammensetzung hergestellt werden:72 bis 82 Gew.-% AI2O3, 28 bis 18 Gew.-% ZrO2, 0 bis 1 Gew.-% Cr2O3, 0 bis 6 Gew.-% Y2O3bezogen auf denZrO2-Gehalt, 0 bis 2 Gew.-% SrO, 0 bis 0,5 Gew.-% TiO2 und 0 bis 0,5 Gew.-% MgO.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst einen Werkstoff mit folgender Zusammensetzung: 72,65 bis 74,54 Gew.-% AI2O3, 24,0 bis 25,5 Gew.-% ZrO2, 0,5 bis 0,65 Gew.-% Y2O3 bezogen auf den AI2O3-Gehalt, 0,26 bis 0,35 Cr2O3 und 0,70 bis 0,85 Gew.-% SrO.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Bauteil folgende Zusammensetzung auf: 70 bis 90 Gew.-% AI2O3:Cr (Aluminiumoxid mit Chromdotierung, 12 bis 22 Gew.-% ZrO2:Y (Zirkonoxid mit Yttriumstabilisierung) und 1 bis 5 Gew.-% SrAli2-xCrxOi9(Strontiunnalunninat, mit variabler Chromdotierung, wobei x vorzugsweise zwischen 0,0007 und 0,045 liegt).
• 3Y Zirkonoxid, 3Y-TZP: Zirkonoxid (ZrO2) verfügt unter den keramischen Materialien über die höchste Risszähigkeit. Für die Herstellung von massiven Körpern werden sogenannte Stabilisatoren wie Yttriumoxid benötigt, mit welchem eine Festigkeit von über 1600 MPa erzielt wird. Ähnlich wie bei der ZTA wird die Rissausbreitung durch die sogenannte Umwandlungsverstärkung blockiert. Aus Zirkonoxid lassen sich auch scharfe Kanten herstellen, was den Werkstoff für die Herstellung von Bauteilen mit selbstschneidenden Gewinden prädestiniert, was beispielsweise in der Zahnmedizin schon genutzt wird.
• Ce Zirkonoxid; Ce-TZP: Ceroxid (Ce2Os) kann ebenfalls als Stabilisator für Zirkonoxid verwendet werden. Bei optimaler Gefügeausbildung erreicht dieser Werkstoff eine noch höhere Risszähigkeit als 3Y-TZP. Er lässt sogar in begrenztem Umfang eine plastische Deformation zu, ähnlich wie Metall. Dagegen sind Festigkeit und Härte niedriger als bei 3YZirkonoxid. Mit seiner ebenfalls deutlich erhöhten Elastizität ist dieser Werkstoff eine besonders bevorzugte Wahl für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils.
Natürlich sind auch alle Weiterentwicklungen bzw. alle Varianten dieser Werkstoffklassen grundsätzlich für das erfindungsgemäße Bauteil geeignet, wie z.B. Verbundmaterialien basierend auf Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid mit Strontiumhexaluminat als sekundäre, dispersoide und verstärkende Phase im Gefüge (SHYTZ).
Das Bauteil ist in seiner Geometrie der Anatomie des menschlichen Wirbelkörpers angepasst. Es sitzt zwischen zwei Wirbelköpern und ersetzt die Bandscheibe ganz oder teilweise. Das Bauteil hält in einer ersten Phase des Verbleibs im menschlichen Körper allein durch seine mechanischen Eigenschaften die Wirbelkörper auf Distanz und in einer anatomisch korrekten Position. In einer zweiten Phase fördert es die Fusionierung und somit das Verwachsen der beiden Wirbelkörper, zwischen die es eingebracht ist.
Für die erste Phase ist die sog. Primärstabilität direkt nach der Operation und vor der Osseointegration wichtig. Diese kann beispielsweise erreicht werden, indem auf der Ober- und der Unterseite des Bauteils, die mit den Deckplatten der benachbarten Wirbel in Kontakt stehen, morphologische Ausformungen vorgesehen werden, die eine verrutschfeste Verbindung zu den benachbarten Wirbel gewährleisten. Solche morphologischen Ausformungen können beispielsweise zacken-, Pyramiden-, bzw. noppenförmige Strukturen sein. Mit Hilfe dieser Strukturen können sich die Bauteile mit den Wirbelkörpern verhaken bzw. wird das Bauteil in der Position fixiert, in der es eingesetzt wurde.
Mechanische Stabilität wird durch die exzellenten mechanischen Werkstoffeigenschaften der genannten Werkstoffklassen sichergestellt. Idealerweise ist das Bauteil ring- bzw. bananenförmig ausgeführt, wobei Geometrie und Größe an die verschiedenen Bereiche der Wirbelsäule (z.B. cervical oder lumbal) angepasst sind. Zudem spielt die Form des Bauteils eine wichtige Rolle bei der Einbringung oder Implantation in den menschlichen Körper. Für unterschiedliche Implantationsmethoden sind unterschiedliche Bauteilformen erforderlich, die dem Fachmann an sich bekannt sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Bauteil einen äußeren, massiven oder vollkeramischen Teil auf, der den mechanischen, biologischen und chemischen Anforderungen während der Implantation und auch während des Verbleibs im menschlichen Körper in exzellenter Weise gerecht wird.
Das Bauteil weist vorzugsweise auch einen inneren Teil auf, der so gestaltet ist, dass menschliche Knochenzellen (z.B. Osteoblasten) bzw. Zellen, die bei der Bildung von menschlichem Knochengewebe (Ossifikation) notwendig sind, optimale Bedingungen vorfinden. Ziel ist hierbei der vollständige knöcherne Einbau in die menschliche Wirbelsäule, die sog. Osseointegration.
Gemäß einer ersten Variante kann dieser innere Teil hohl, also lediglich ein leerer, keramikfreier Bereich sein, der dazu genutzt werden kann, körpereigenes oder autologes Knochenmaterial, vorzugsweise zusammen mit bekannten ossifikationsfördernden Substanzen, einzubringen.
In einer zweiten Variante kann dieser innere Teil auch porös sein, also als poröse, vorzugsweise keramische Struktur ausgestaltet sein. Diese poröse Struktur kann besonders bevorzugt auf Basis des gleichen keramischen Werkstoffs realisiert werden wie der äußere Teil. Es hat sich herausgestellt, dass folgende Eigenschaften eines Implantats die Ossifikation positiv beeinflussen:
Porositäten zwischen 50 und 99%, vorzugsweise zwischen 70 und 85%
Interkonnektivität, d.h. die einzelnen Poren sind zumindest teilweise miteinander verbunden
Porengrößen zwischen 100 - 1000 μιτι, vorzugsweise zwischen 500 bis 800 μιτι
Die Struktur des inneren Teils kann mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden, insbesondere direkt während des Produktionsprozesses des keramischen Bauteils oder separat durch nachträgliches Einbringen des inneren Teils in den äußeren Teil.
Zu den direkten Herstellprozessen zählt z.B. ein zweikomponentiger Spritzgießprozess, bei dem bevorzugt erst der äußere Teil in einem Werkzeug gegossen wird und anschließend, insbesondere durch geeignete Modifikation des Werkzeugs, der innere Teil gegossen wird. Danach erfolgt eine Co-Sinterung der beiden Teile sowie die Endbearbeitung.
Der innere Teil kann auch als schaumartige Struktur beispielsweise durch Gefrierdirektschäumen erzeugt werden. Gemäß einer weiteren Alternative können organische Materialien einem keramischen Schlicker zugegeben werden und anschließend ausgebrannt werden, so dass Poren zurück bleiben.
Bei der separaten Herstellung und dem nachträglichen Einbringen des inneren Teils in den äußeren Teil werden beiden Strukturen, äußerer und innerer Teil, unabhängig voneinander geformt und gesintert und erst im zweiten Schritt, vorzugsweise mechanisch, zusammen geführt. Beim separaten Herstellen dieses inneren Teils kann z.B. auf direkte Abform ungsprozesse zurückgegriffen werden. Hier eignen sich Polyurethanschäume, die nach entsprechender Vorbehandlung zur Erzeugung einer geeigneten Struktur mit keramischem Schlicker getränkt und anschließend ausgebrannt werden. Zu dem Zweck der direkten Abformung können auch biomimetische Methoden verwendet werden, die per se eine trabeculäre Knochenstruktur oder eine ähnliche Struktur aufweisen. Beispielsweise eignen sich dazu organische Materialien wie Bambus.
Denkbar ist auch, die Strukturen des inneren Teils über generative Verfahren definiert herzustellen, beispielsweise mittels Druckverfahren oder Dispense Plotting. Druckverfahren haben den Vorteil, dass die einzelnen Poren der porösen Struktur bezüglich ihrer Geometrie definiert und periodisch hergestellt werden können. Es kann somit aus technischer Sicht ein optimales Gerüst für die biologisch-chemischen Vorgänge bei der Ossifikation ausgelegt, entwickelt und hergestellt werden.
Zur zusätzlichen Erhöhung der Osseoinduktivität bzw. Bioaktivität können die Strukturen des inneren und/oder des äußeren Teils mit gängigen funktionellen Beschichtungen wie z.B. Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphat oder anderen Calciumphosphaten beschichtet werden, die z.B. die Osseointegration fördern. Auch Füllungen auf Basis von bioglaskeramischen Materialien mit hohen Anteilen an S1O2, CaO, P2O5 und/oder K2O eignen sich hierfür. Auch mit diesem Material kann das Bauteil oder auch nur der innere oder der äußere Teil beschichtet sein. Abbildung 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen keramischen Bauteils zur Fusionierung von Wirbel körpern. Das Implantat weist einen stabilen massiven äußeren Bereich mit pyramidenförmigen Strukturen auf der Ober- und Unterseite zur Fixierung gegen Verschiebung an den angrenzenden Wirbelkörpern auf. Der innere Teil ist als Hohlraum gestaltet, der beispielsweise mit autologem Knochen gefüllt werden kann, um die Osseointegration zu fördern. Das Bauteil besteht aus einer Zirkonoxid-verstärkten Aluminiumoxid-Keramik.

Claims

Patentansprüche
1 . Keramisches Bauteil zur Fusionierung von Wirbelkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einer oxidischen Keramik besteht.
2. Keramisches Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die oxidische Keramik aus einer Aluminiumoxid-Keramik, insbesondere einem Zirkonoxid-verstärkten Aluminiumoxid (ZTA-Keramik) und/oder einer Zirkonoxid-Keramik, insbesondere einem Yttrium-stabil isierten Zirkonoxid (3Y- TZP-Keramik) oder einem Cer-stabilisierten Zirkonoxid (Ce-TZP-Keramik) oder einem Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid mit Strontiumhexaluminat als sekundäre, dispersoide und verstärkende Phase im Gefüge (SHYTZ), besteht.
3. Keramisches Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen äußeren und einen inneren Teil aufweist, wobei der äußere Teil bevorzugt massiv ist und/oder der innere Teil bevorzugt hohl oder porös ist.
4. Keramisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des inneren Teils zwischen 50 und 99%, vorzugsweise zwischen 70 und 85% liegt, und/oder die Poren des inneren porösen Teils interkonnektiv sind, d.h. dass die Poren zumindest teilweise miteinander verbunden sind, und/oder vorzugsweise die Poren einen Durchmesser zwischen 100 und 1000 μιτι, besonders bevorzugt zwischen 500 bis 800 μιτι aufweisen.
5. Keramisches Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ober- und eine Unterseite des Bauteils, die mit den Deckplatten der benachbarten Wirbel in Kontakt stehen, morphologische Ausformungen aufweisen, wobei die morphologischen Ausformungen insbesondere zacken-, Pyramiden-, bzw. noppenförmige Strukturen sind.
6. Keramisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle innere Teil des Bauteils eine Füllung auf Basis von bioglaskeramischen Materialien mit hohen Anteilen an S1O2, CaO, P2O5, und/oder K2O aufweist oder der poröse innere Teil mit diesem Material beschichtet ist.
7. Keramisches Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil mit einer funktionellen Beschichtung, insbesondere mit Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat oder anderen Calciumphosphaten versehen ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils zur Fusionierung von Wirbel körpern, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil aus einer oxidischen Keramik erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumoxid-Keramik, insbesondere ein Zirkonoxid-verstärktes Aluminiumoxid (ZTA-Keramik) und/oder eine Zirkonoxid-Keramik, insbesondere ein Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (3Y-TZP-Keramik) oder Cer- stabilisiertes Zirkonoxid (Ce-TZP-Keramik) oder ein Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid mit Strontiumhexaluminat als sekundäre, dispersoide und verstärkende Phase im Gefüge (SHYTZ) erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Bauteil mit einem, vorzugsweise massiven, äußeren Teil und/oder einem hohlen oder porösen, inneren Teil gefertigt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, das keramische Bauteil mittels eines zweikomponentigen Spritzgießprozesses hergestellt wird, wobei bevorzugt erst der äußere Teil in einem Werkzeug gegossen wird, dann durch geeignete Modifikation des Werkzeugs der innere Teil gegossen wird und anschließend beide Teile co-gesintert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des porösen inneren Teils direkte Abformungsverfahren eingesetzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass organisches Material zu einem keramischen Schlicker zugeben wird oder organisches Material, insbesondere ein Polyurethanschaum, mit einem Schlicker getränkt wird und das organische Material anschließend ausgebrannt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass biomimetische Methoden zur Abformung der porösen Struktur des inneren Teils verwendet werden, wobei bevorzugt Materialien verwendet werden, die ein trabeculäre Struktur aufweisen, insbesondere Bambus.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse innere Teil durch Gefrierdirektschäumen erzeugt wird oder die Struktur des porösen inneren Teils über generative Verfahren definiert hergestellt wird, insbesondere mittels eines Druckverfahren oder mittels Dispense Plottings.
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