WO2015177089A1

WO2015177089A1 - Biokeramisches bauteil

Info

Publication number: WO2015177089A1
Application number: PCT/EP2015/060889
Authority: WO
Inventors: Karl BILLAU; Gundula Kiefer; Wolfgang Burger
Original assignee: Bbl Technology Transfer Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2015-11-26
Also published as: RU2016149516A3; EP2947061A1; EP2947061B1; RU2684551C2; RU2016149516A; EP3145894A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein biokeramisches Bauteil, das zumindest zum Teil aus Keramikwerkstoff hergestellt ist, welcher folgende Zusammensetzung aufweist: - 55 - 90 Vol.-% einer Aluminiumoxidmatrix, - wobei 10 - 75 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix als hexagonale Plättchen der chemischen Zusammensetzung LaAI₁ ₁O₁₈ ausgebildet sind, - 10 - 45 Vol.-% Zirkoniumdioxid, welches durch Yttriumoxid in einem Anteil von 0,5 - 2,5 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid und durch Ceroxid in einem Anteil von 2 - 10 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid stabilisiert ist, - 0,1 - 1,0 Vol.-% Pr₆O₁₁, welches mit dem Aluminiumoxid einen Mischkristall bildet und zusammen mit Ceroxid als Brücken bildendes Oxid zwischen dem Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid wirkt, wobei in der Zusammensetzung des Keramikwerkstoffs der Anteil an Aluminiumoxid und an Zirkoniumdioxid zusammen mit den betreffenden weiteren Bestandteilen der Zusammensetzung sich bis auf unvermeidbare Verunreinigungen zu 100 % ergänzen.

Description

Biokeramisches Bauteil

Die Erfindung bezieht sich auf ein biokeramisches Bauteil, das zumindest zum Teil aus Keramikwerkstoff mit einer Aluminiumoxidmatrix und Zirkoniumdioxid hergestellt ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen biokeramischen Bau- teils.

Biokeramische Bauteile dieser Art, nämlich künstliche Prothesen wie z. B. Hüftgelenkimplantate oder Kniegelenkimplantate, sind in der WO 2011/083 023 A1 (EP 2 513 010 A1 ) angegeben. Die darin beschriebene Zusammensetzung des Keramik- Werkstoffs umfasst dispergiertes Zirkoniumoxid, wobei die tetragonale Modifikation vorzugsweise durch mechanische Stabilisierung erhalten wird. Dagegen werden chemische Stabilisatoren, wie Yttriumoxid Y2O3 wegen der damit verbundenen hydrothermalen Alterung als nachteilig angesehen. Als Erfordernis für die mechanische Stabilisierung ist ein Aluminiumoxid-Anteil von mindestens 65 Vol.-% und ein Zirko- niumoxid-Anteil von 10 bis 35 Vol.-% genannt. Des Weiteren ist in der EP 0 542 815 B1 ein keramischer Werkstoff beschrieben, der sich im Markt etabliert hat. Die Zusammensetzung dieser bekannten mit Zirkoniumdioxid und Plättchen verstärkten Keramiken umfasst einen Anteil von 60 - 98 Vol.-% einer Aluminium-Chrom-Mischkristall basierten Matrix, welcher einen Anteil von 67,1 bis 99,2 Vol.-% eines Al₂03-Cr₂03 Mischkristalls und einen Anteil von 0,8 - 32,9 Vol.- % SrAI_12x Cr_x 0₁₉ (x = 0,0007 bis 0,045) umfasst, wobei die Zusammensetzung weiterhin einen Anteil von 2 - 40 Vol.-% tetragonales Zirkonium umfasst, welches mit 0,2 - 3 Mol-% Yttrium oder 10 - 15 Mol-% CeO₂, Pr₆On Tb₂0₃ stabilisiert ist. Die DE 198 50 366 A1 beschreibt ebenfalls einen mit Plättchen verstärkten gesinterten Keramikwerkstoff mit einer Zusammensetzung wie sie in der EP 0 542 815 B1 beschrieben ist. Jedoch basiert die Plättchenbildung auf verschiedenen Oxiden.

Die WO 2008/040 813 A1 hat einen keramischen Werkstoff zum Inhalt, der eine Zir- koniumdioxidmatrix besitzt, wobei das Zirkoniumdioxid mischstabilisiert ist. In dieser Druckschrift ist auf die vorstehend erwähnte EP 0 542 815 Bezug genommen, die jedoch eine Keramik mit einer Aluminiumoxidmatrix lehrt, wobei das Aluminiumoxid mit Chromoxid einen Mischkristall bildet. Hierbei kommt auch zum Ausdruck, dass die Zulegierung von Ceroxid, Praseodymoxid, Terbiumoxid oder Yttriumoxid aus- schließlich als stabilisierende Oxide für das Zirkoniumdioxyd dienen.

In der WO 2011/000 390 A1 wird eine Mischstabilisierung von Zirkoniumdioxid mit Yttriumoxid und Ceroxid vorgeschlagen. Auch in diesem Fall basiert die Keramik (wie bei der vorstehend genannten WO 2008/040 813 A1) stets auf einer stabilisierten Zirkoniumdioxydmatrix, wobei die Matrix 50 - 75 Gew.-% der Gesamtzusammenset- zung ausmacht. Als dritte Phase der Keramikzusammensetzung ist auch ein Erdalka- lialuminat bzw. LaAlnOi₈ erwähnt. Praseodymoxid ist nicht erwähnt.

In der US 2012/308 837 A1 ist die Herstellung von 3D-Bauteilen über ein Druckver- fahren beschrieben, wobei das 3D-Bauteil schichtweise mit typischen Schichtstärken von 15 - 30 μιη aufgebaut wird. Dabei wird das abwechselnde Auftragen von yttri- umoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid und einer Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid vorgeschlagen. In dem Zeitschriftenartikel Jin X et al:„Effects of powder preparation method on the microstructure and mechanical Performance of ZTA/LaAlnOis composites" JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY, vol. 24, 1 April 2004 (2004- 04-01), pages 653-659, wird die Herstellung einer ZTA-Keramik (Aluminiumoxidmatrixkeramik mit darin dispergiertem Zirkoniumdioxid) mit LaAlnO₁₈-Plättchen be- schrieben. Die Herstellung der Pulvermischung basiert darauf, dass eine Aluminiumoxidsuspension mit Salzen von den Legierungskomponenten versetzt wird. Die Verdichtung erfolgt über das Heißpressverfahren. Es ist angegeben, dass das Zirkoniumdioxid keiner Phasenumwandlung unterliegt. Es wird eine Festigkeitssteigerung erwähnt, ohne dass sich die Bruchzähigkeit ändert. Allerdings ist bei biokeramischen Komponenten insbesondere auch eine hohe Bruchzähigkeit von wesentlicher Bedeutung.

Die Zeitschriftenartikel IPEK Akin et al:„Effect of CeO₂ addition on densification and microstructure of AI₂O₃-YSZ composites", CERAMICS INTERNATIONAL, vol. 37, no. 8, 23 May 2011 (2011-05-23), pages 3273-3280, und, F. Kern:„Effect of In Situ- Formed Cerium Hexaaluminate Precipitates on Properties of Alumina -24 Vol% Zir- conia (1.4Y) Composites", JOURNAL OF CERAMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, vol.4, no. 4, 5 August 2013 (2013-08-05), pages 177-186, beschäftigt sich mit dem Stoffsystem aus Aluminiumoxid-yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid und der Zuie- gierung von Ceroxid sowie dem Sintern in reduzierender Atmosphäre. In beiden Arbeiten wird die Ausbildung der CeAlnOi₈-Phase durch die Anwendung einer reduzierenden Atmosphäre beschrieben. In der zweitgenannten Druckschrift ist erwähnt, dass für die Ausbildung der CeAlnOi₈-Phase eine Heißpresstemperatur von 1425 °C noch nicht ausreichend ist. Von einer Mischkristallbildung ist nicht die Rede.

In der EP 2 684 555 A2 wird ein Glas bzw. eine Glaskeramik vorgeschlagen, welche unter anderem Aluminiumoxid und Seltenerdoxide bzw. Yttriumoxid enthält. Diese Oxide sind in ein Glas bzw. eine Glaskeramik eingelagert, wobei als Glasbildner Boroxid, Germaniumoxid, Phosphorpentoxid, Siliciumdioxid, Telluroxid und Vanadi- umpentoxid eingesetzt werden. Das wesentliche Ziel dabei ist, eine amorphe Phase zu generieren. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, biokeramische Bauteile zur Verfügung zu stellen, die verbesserte Werkstoffstabilität aufweisen.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 1 1 gelöst. Hierbei ist das biokeramische Bauteil zumindest zum Teil aus Keramikwerkstoff hergestellt, welcher die folgende Zusammensetzung aufweist:

55 - 90 Vol.-% einer Aluminiumoxidmatrix,

wobei 10 - 75 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix als hexagonale Plättchen der chemischen Zusammensetzung LaAlnOis ausgebildet sind,

10 - 45 Vol.-% Zirkoniumdioxid, welches durch Yttriumoxid in einem Anteil von 0,5 - 2,5 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid und durch Ceroxid in einem

Anteil von 2 - 10 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid stabilisiert ist, 0,1 - 1 ,0 Vol.-% Pr₆On, welches mit dem Aluminiumoxid einen Mischkristall bildet und zusammen mit Ceroxid als Brücken bildendes Oxid zwischen dem Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid wirkt,

wobei in dem Keramikwerkstoff der Anteil an Aluminiumoxid und an Zirkoniumdioxid zusammen mit den betreffenden, das Brücken bildende Oxid umfassenden weiteren

Bestandteilen der Zusammensetzung sich bis auf unvermeidbare Verunreinigungen zu 100 % ergänzen.

Das Verfahren zum Herstellen eines derartigen biokeramischen Bauteils ist gekenn- zeichnet durch die Herstellungsschritte:

Bereitstellung eines Keramikwerkstoffes, welcher folgende Zusammensetzung aufweist:

55 - 90 Vol.-% einer Aluminiumoxidmatrix,

wobei 10 - 75 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix als hexagonale Plättchen der chemischen Zusammensetzung LaAlnO-is ausgebildet sind,

10 - 45 Vol.-% Zirkoniumdioxid, welches durch Yttriumoxid in einem Anteil von 0,5 - 2,5 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid und durch Ceroxid in einem Anteil von 2 - 10 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid stabilisiert ist, 0,1 - 1 ,0 Vol.-% Pr₆On, welches mit dem Aluminiumoxid einen Mischkristall bildet und zusammen mit Ceroxid als Brücken bildendes Oxid zwischen dem

Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid wirkt,

wobei in der Zusammensetzung des Keramikwerkstoffs der Anteil an Aluminiumoxid und an Zirkoniumdioxid zusammen mit den betreffenden, das Brücken bildende Oxid umfassenden Bestandteilen der Zusammensetzung sich bis auf unvermeidbare Ver- unreinigungen zu 100 % ergänzen.

Dabei bestehen verschiedene Vorgehensweisen für die Herstellung des Keramikwerkstoffes aus der Pulvermischung darin, dass diese (als Teilschritte) gepresst und gesintert oder plastifiziert, gespritzt, entbindert und gesintert wird. Die endgültige Form des biokeramischen Bauteils wird schließlich über einen Schleif- und Polierpro- zess eingestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit besonders vorteilhaften Bereichen der Zusammensetzung des Keramikwerkstoffs sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Besondere biokeramische Bauteile sind Gegenstand des Anspruchs 10.

Bei dem Verfahren ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Schritt der Herstellung des Keramikwerkstoffes als Teilschritte umfasst:

Herstellen der Pulvermischung;

Pressen der Pulvermischung zu einem Presskörper;

mechanische Bearbeitung des Presskörpers zu einem endkonturnahen Rohling;

Vorsintern des Rohlings bis eine geschlossene Porosität erreicht wird;

heißisostatische Nachverdichtung des vorgesinterten Körpers;

Temperaturbehandlung des nachverdichteten Körpers und

nachfolgendes Schleifen und Polieren zu dem fertigen biokeramischen Bauteil.

Bei der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung des Keramikwerkstoffs ergänzen sich der Anteil an Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid mit ihren Bestandteilen einschließlich des Brücken bildenden Oxids zu 100 Vol.-%, bis auf unvermeidbare Verunreinigungen. Wird also z. B. ein Anteil von 1 ,0 Vol.-% Praseodymoxid verwendet, werden die Anteile an Zirkoniumdioxid und an Aluminiumoxidmatrix so gewählt, dass sich (bis auf die unvermeidbaren Verunreinigungen) 100 Vol.-% ergeben, wobei die genannten Bereichsgrenzen den äußeren Rahmen bilden. Die obere Grenze des Anteils an Aluminiumoxid und/oder an Zirkoniumoxid wird also entsprechend dem Anteil an zulegiertem Pr₆On verringert, so dass die Ergänzung zu 100 % eingehalten wird. Die Zusammensetzung mit der im Anspruch 1 gelehrten chemischen Stabilisierung und dem Brücken bildenden Oxid ergibt biokeramische Bauteile hoher Stabilität, die insbesondere auch hohe Beständigkeit gegen Feuchtigkeits- und Temperatureinflüsse aufweisen. Die Stabilität wird dabei durch das zugegebene Ceroxid verstärkt, die die metastabile Zirkoniumdioxidphase stabilisiert und anisotrope Kristalle mit Alumi- niumoxid bildet, wobei die Prozessführung auf die Bildung der Kristallite gerichtet ist.

Wie in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 angegeben, beträgt der Anteil der Matrix in Form hexagonaler Plättchen der Zusammensetzung LaAlnO-ts vorteilhaft 20 - 60 Vol.-%, insbesondere 33 - 50 Vol.-%; der Anteil an stabilisierendem Yttriumoxid vor- teilhaft 1 bis 2 Mol-%, insbesondere 1 ,5 bis 1 ,8 Mol-%; der Anteil an stabilisierendem Ceroxid vorteilhaft 2,5 bis 6 Mol-%, insbesondere 3 bis 5 Mol-%; und der Anteil an Pr₆On vorteilhaft 0,2 bis 0,8 Vol.-%, insbesondere 0,25 bis 0,5 Vol.-%.

Nachfolgend wird als Ausführungsbeispiel ein biokeramisches Bauteil beschrieben. Fig. 1 zeigt als biokeramisches Bauteil einen Kugelkopf 1 , der als Teil eines Kugelgelenks verwendet werden kann.

Der Kugelkopf 1 ist verträglich mit biologischem Gewebe (biokompatibel) ausgebildet und besitzt einen kugelförmigen Abschnitt 10, welcher in eine Kugelaufnahme eines Gelenks eines Patienten passgenau einzusetzen ist. In dem inneren Bereich des Kugelkopfs 1 ist eine hohle Aufnahme 11 ausgebildet, um darin ein nach außen abstehendes Teil einzusetzen und zu fixieren. Der Kugelkopf 1 ist aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, welcher die vorstehend beschriebene Zusammensetzung aufweist. Die Oberfläche 10 ist poliert und ergibt dauerhaft stabile, sehr gute Gleiteigenschaften. Die Aufnahme 11 ist so ausgebildet, dass sie eine stabile Verbindung mit dem darin eingesetzten abstehenden Teil sicherstellt, wozu z. B. eine Schraubverbindung, Klebeverbindung und/oder ein Einzementieren zur Anwendung kommt (kommen).

Die Herstellung des Keramikwerkstoffs mit der genannten Zusammensetzung und des daraus hergestellten biokeramischen Bauteils umfasst als wesentliche Schritte: - Dispergieren der Bestandteile in Wasser

Mahlen und Vermischen in einer Rührwerkskugelmühle

Zusatz eines Bindemittels

Sprühtrocknen der Suspension

Pressen der Pulvermischung

- Bearbeitung des Presskörpers durch spanabhebende bzw. schneidende Verfahren, um einen Rohling in an das endgültige Bauteil angenäherter Form zu erhalten,

Vorsintern des Presskörpers bis zu geschlossener Porosität (mit näherungsweise 95 - 96 Vol.-% der theoretischen Dichte)

- heißisostatisches Pressen des vorgesinterten Presskörpers, bis eine praktisch vollständige Endverdichtung erreicht ist,

Temperaturbehandlung des nach verdichteten Körpers,

Schleifen und Polieren des nachverdichteten Körpers, bis die endgültige Bauteilkontur erreicht ist.

Bei dem Keramikwerkstoff ist also vorgesehen, dass die Zusammensetzung des Keramikwerkstoffs durch Mischung von Aluminiumoxid AI₂O₃, Zirkoniumdioxid ZrO₂, Yttriumoxid Y₂O₃, Ceroxid CeO₂, Lanthanoxid La₂O₃ und Praseodymoxid Pr₆On in entsprechenden Anteilen zu der Pulvermischung und durch nachfolgendes Sintern hergestellt wird. Nach dem Sintern liegt im fertigen Werkstoff eine Aluminiumoxidmatrix in einem Anteil von 55 - 90 Vol.-% und das Zirkoniumdioxid in einem Anteil von 10 - 45 Vol.-% vor, wobei im fertigen Werkstoff das Zirkoniumdioxid zu mindes- tens 75 Vol.-% in seiner tetragonalen Modifikation vorliegt und chemisch durch eine Mischung Yttriumoxid und Ceroxid stabilisiert ist.

Ein Anteil von 10 - 75 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix liegt in Form von hexagonalen Plättchen der Zusammensetzung (Ce, La)-AlnOie (Cer- bzw. Lanthanaluminat) vor. Das Ceroxid liegt vorzugsweise in seiner vierwertigen Oxidationsstufe vor und fungiert hierbei als Stabilisatoroxid für das Zirkoniumdioxid durch die Ausbildung einer festen Lösung. Ein Teil des Ceroxids kann auch in seiner dreiwertigen Oxidationsstufe vorliegen. Dieses bildet dann (Ce, La)-Aluminat in Form von anisotropen hexagonalen Plättchen. Durch Zulegierung von 0,1 - 1.0 Vol.-% P^O-n bezogen auf die Ge- samtmischung (Gesamtzusammensetzung) entsteht beim Sintern ein entsprechender Mischkristall vorzugsweise mit der Aluminiumoxidmatrix und zwar durch chemische Reaktion mit dem Aluminiumoxid und Praseodymoxid. Praseodymoxid andererseits kann aber auch mit Zirkoniumdioxid durch eine festkörperchemische Reaktion einen Mischkristall bilden. Die vorzugsweise Ausbildung des AI₂O₃:Pr-Mischristalls findet bei höheren Temperaturen (1450 - 1550 °C) statt. Die Mischkristallbildung von Y₂O₃-CeO₂-ZrO₂'.Pr hingegen findet bereits bei Temperaturen zwischen 1390 - 1480 °C statt.

Aufgrund dieses Effekts wirkt Pr₆On als Brückenbildner für den beständigen Zu- sammenhalt des Aluminiumoxid/Zirkoniumdioxidgefüges mit erhöhter Bruchzähigkeit.

Die chemische Zusammensetzung der Pulvermischung besteht aus folgenden Eduk- ten: 55 - (näherungsweise) 90 Vol.-% AI₂O3

10 - (näherungsweise) 45 Vol.-% Zr0₂

Y₂O₃ und Ce0₂ (als Stabilisator für metastabiles tetragonales

Zr0₂ bzw. Ce0₂ unter Ausbildung eines Mischkristalls bzw.

CeO₂ potentiell zur Ausbildung von

CeAliiOis bzw. ggf. auch als Mischkristallbildner, wenn es in geringen Konzentrationen vorliegt),

La₂0₃ (zur Bildung von LaAlnO-i₈)

Pr₆On (zur Bildung eines Mischkristalls mit AI₂O3 bzw. Zr0₂)

Während des Sinterprozesses finden dann die folgenden chemischen Reaktionen statt:

11 Al₂0₃ + La₂O₃ -> LaAln0₁₈

Zr0₂ + Y₂0₃ + CeO₂ -» Zr0₂: Y, Ce

11 AI₂0₃ + Ce0₂ -+ CeAliiOie

Al₂0₃ + ZrO₂ + Pr₆On -> Al₂0₃: Pr + Zr02:Pr

(Mit der Schreibweise Zr0₂: Y, Ce wird die Bildung eines Mischkristalls ausgedrückt, wohingegen die Ausbildung von kristallographisch definierten Phasen jeweils mit der Formel ausgedrückt wird.)

Wesentlich ist hierbei insbesondere auch die Ausbildung des Mischkristalls durch die chemische Reaktion von Pr₆On und AI₂O₃ bzw. Zr0₂ bzw. dem Lanthanaluminat.

Die chemische Mischstabilisierung ergibt bei der genannten Zusammensetzung hohe Beständigkeit. Diese wird weiter gesteigert durch die Tatsache, dass das zulegierte Ceroxid sowohl die metastabile Zirkoniumdioxidphase stabilisiert und gleichzeitig aber auch anisotrop ausgebildete Kristallite mit Aluminiumoxid ausbildet, wobei die Prozessführung auf diese Ausbildung der Kristallite ausgerichtet ist.

Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass eine homogene Pulvermischung aus yttri- um- und ceroxid beschichteten Zirkoniumdioxidkörnern, Aluminiumoxid, Lanthanoxid und Praseodymoxid über eine Mischmahlung in Wasser in einer Rührwerkskugelmühle hergestellt wird, wonach in einem weiteren Schritt nach Zugabe eines Bindersystems die wässrige Pulverdispersion einem Sprühtrocknungsprozess unterzogen wird.

Zu vorteilhaften Eigenschaften des Keramikwerkstoffs tragen die Maßnahmen bei, dass der maximale Anteil an Yttriumoxid im Bereich von 0,5 - 2,5 Mol-% und der Anteil an Ceroxid im Bereich zwischen 2 - 10 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid liegt.

Die Beständigkeit des Keramikwerkstoffs wird dadurch begünstigt, dass der Anteil der hexagonalen Plättchen im Bereich von 20 - 60 Vol.-%, insbesondere von 33 - 50 Vol.-%, der Aluminiumoxidmatrix liegt. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, dass der maximale Anteil an Yttriumoxid im Bereich von 1 ,0 - 2,0 Mol-%, insbesondere von 1 ,5 - 1 ,8 Mol-%, bezogen auf das Zirkoniumdioxid liegt, und ferner daraus, dass der maximale Anteil an Ceroxid im be- reich von 2,5 - 6 Mol-%, insbesondere von 3 - 5 Mol-%, bezogen auf das Zirkoniumdioxid liegt.

Wesentliche Vorteile werden ferner dadurch erreicht, dass der Anteil der Zulegierung von Pr₆O im Bereich von 0,2 - 0,8 Vol.-%, insbesondere von 0,25 - 0,5 Vol.-%, liegt. Bei dem Verfahren kann abhängig von den Anforderungen an das biokeramische Bauteil vorgesehen sein, dass das aus dem Sprühtrocknungsprozess erhaltene Sprühgranulat direkt verpresst oder unter Zusatz von organischen Polymeren plasti- fiziert und danach im Spritzgussverfahren zu dem biokeramischen Bauteil verarbeitet wird.

Die Herstellung der Pulvermischung erfolgt über die Mischmahlung, gefolgt von einem Sprühtrocknungsprozess. Entweder wird das Sprühgranulat direkt verpresst oder aber unter Zusatz von organischen Polymeren plastifiziert und dann im Spritzgussverfahren zu dem biokeramischen Bauteil verarbeitet.

Durch die Mischstabilisierung wird die Phasenumwandlung von tetragonalem Zr02 zur monoklinen Phase, welche z. B. durch hydrothermale Behandlung oder mechanische Bearbeitung induziert werden kann, weitestgehend verhindert. Dies wirkt Dimensionsveränderungen entgegen bzw. eliminiert diese.

Einige Zusammensetzungen der neuartigen Keramikwerkstoffe sind in der nachfolgenden Tabelle mit diesbezüglichen Kenngrößen wiedergegeben, wobei zudem zwei Vergleichsbeispiele genannt sind.

Claims

A n s p r ü c h e

1. Biokeramisches Bauteil, das zumindest zum Teil aus Keramikwerkstoff hergestellt ist, welcher folgende Zusammensetzung aufweist:

55 - 90 Vol.-% einer Aluminiumoxidmatrix,

wobei 10 - 75 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix als hexagonale Plättchen der chemischen Zusammensetzung LaAlnOis oder (Ce, La)- AlnOi₈ ausgebildet sind,

10 - 45 Vol.-% Zirkoniumdioxid, welches durch Yttriumoxid in einem Anteil von 0,5 - 2,5 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid und durch Ce- roxid in einem Anteil von 2 - 10 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid stabilisiert ist,

0,1 - 1 ,0 Vol.-% Pr₆On, welches mit dem Aluminiumoxid einen Mischkristall bildet und zusammen mit Ceroxid als Brücken bildendes Oxid zwischen dem Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid wirkt, wobei in der Zusammensetzung des Keramikwerkstoffs der Anteil an Aluminiumoxid und an Zirkoniumdioxid zusammen mit den betreffenden weiteren Bestandteilen der Zusammensetzung sich bis auf unvermeidbare Verunreinigungen zu 100 % ergänzen.

2. Biokeramisches Bauteil nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass 20 - 60 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix als hexagonale Plättchen LaAl Oi8 ausgebildet sind.

3. Biokeramisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass 33 - 50 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix als hexagonale Plättchen LaA iOi8 ausgebildet sind.

Biokeramisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass der maximale Anteil an stabilisierendem Yttriumoxid 1 - 2 Mol-% beträgt.

dass der maximale Anteil an stabilisierendem Yttriumoxid 1 ,5 - 1 ,8 Mol-% beträgt.

dass der maximale Anteil an stabilisierendem Ceroxid 2,5 - 6 Mol-% beträgt.

dass der maximale Anteil an Ceroxid 3 - 5 Mol-% beträgt.

dass der maximale Anteil an P^O-H 0,2 - 0,8 Vol.-% beträgt.

dass der maximale Anteil an P^On 0,25 - 0,5 Vol.-% beträgt.

0. Biokeramisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass es als Kniegelenkprothese, Hüftgelenkprothese, Schultergelenkprothese, Fingergelenkprothese oder als Prothese eines Bein- oder Armschenkels ausgebildet ist.

1. Verfahren zum Herstellen eines biokeramischen Bauteils des im Anspruch 1 angegebenen Aufbaus,

gekennzeichnet durch die Herstellungsschritte:

Bereitstellung einer Pulvermischung und Herstellen eines Keramikwerkstoffes aus derselben, welcher folgende Zusammensetzung aufweist:

55 - 90 Vol.-% einer Aluminiumoxidmatrix,

wobei 10 - 75 Vol.-% der Aluminiumoxidmatrix als hexagonale Plättchen der chemischen Zusammensetzung LaAlnO-is ausgebildet sind, 10 - 45 Vol.-% Zirkoniumdioxid, welches durch Yttriumoxid in einem Anteil von 0,5 - 2,5 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid und durch Ce- roxid in einem Anteil von 2 - 10 Mol-% bezogen auf das Zirkoniumdioxid stabilisiert ist,

0,1 - 1 ,0 Vol.-% Pr₆On, welches mit dem Aluminiumoxid einen Mischkristall bildet und zusammen mit Ceroxid als Brücken bildendes Oxid zwischen dem Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid wirkt,

wobei in dem Keramikwerkstoff der Anteil an Aluminiumoxid und an Zirkoniumdioxid zusammen mit den betreffenden weiteren Bestandteilen der Zusammensetzung sich bis auf unvermeidbare Verunreinigungen zu 100 % ergänzen, und

Herstellen der endgültigen Form des Bauteils über einen Schleif- und Polierprozess. 12. Verfahren nach Anspruch 11 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Herstellung des Keramikwerkstoffes aus der Pulvermischung als Teilschritte ein Pressen und Sintern der Pulvermischung umfasst.

13. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Schritt der Herstellung des Keramikwerkstoffes als Teilschritte umfasst:

Bereitstellen der Pulvermischung;

Pressen der Pulvermischung zu einem Presskörper;

mechanische Bearbeitung des Presskörpers zu einem Rohling;

Vorsintern des Rohlings bis eine geschlossene Porosität erreicht wird; heißisostatische Nachverdichtung des vorgesinterten Körpers;

Temperaturbehandlung des nachverdichteten Körpers und nachfolgendes Schleifen und Polieren zu dem fertigen biokeramischen Bauteil

in genannter Reihenfolge mit oder ohne Zwischenschritte.

14. Verfahren nach Anspruch 11 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Keramikwerkstoffes aus der Pulvermischung als Teilschritte ein Plastifizieren, Spritzen, Entbindern und Sintern umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 14,

dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Herstellung des Keramikwerkstoffes als Teilschritte um- fasst:

Bereitstellen der Pulvermischung;

Entbindern und Plastifzieren der Pulvermischung;

- Spritzgießen des gewünschten Bauteils in eine Form

Entbindern und Vorsintern des Rohlings bis eine geschlossene Porosität erreicht wird,

heißisostatische Nachverdichtung des vorgesinterten Körpers;

Tempeaturbehandlung des nachverdichteten Körpers und

- nachfolgendes Schleifen und Polieren zu dem fertigen biokeramischen

Bauteil,

in genannter Reihenfolge mit oder ohne Zwischenschritte.