WO2016192702A2 - Shaped bodies containing piezo-active calcium titanium oxide, method for the production and excitation thereof and use of piezo-active calcium titanium oxide as piezoelectric molded bodies or a component of piezoelectric molded bodies - Google Patents

Shaped bodies containing piezo-active calcium titanium oxide, method for the production and excitation thereof and use of piezo-active calcium titanium oxide as piezoelectric molded bodies or a component of piezoelectric molded bodies Download PDF

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Definitions

  • Shaped body containing piezoactive calcium titanium oxide a process for their preparation and excitation and use of piezoactive calcium titanium oxide as a piezoelectric shaped body or component of piezoelectric shaped body
  • the invention relates to moldings, in particular implants, containing piezoactive calcium titanium oxide, including piezoactive doped calcium titanium oxide, the use of such calcium titanium oxides and a method for producing and for exciting the moldings.
  • An implant is an implanted in the body artificial material that should remain there permanently or at least for a longer period of time.
  • the present invention relates to permanent implants which are used in plastic or orthopedic surgery as a replacement for attacked or destroyed body parts, in particular bones or as dental implants.
  • Implants are required to have the ability to grow quickly into the bone and make a good connection with the bone.
  • Modern implants should be mechanically stable and combine optimally and in a short time with the body's own tissue, whereby no rejection reaction or even infection should be caused.
  • titanium has long been proven to be a biocompatible material.
  • Pure titanium and Ti-6AI-4V have been widely used as dental and especially as load-bearing orthopedic implants because of their very good biocompatibility, their high mechanical strength and low weight and their resistance to physiological media.
  • Titanium and titanium alloys are e.g. using sintering methods (see F. Zhang et al., "sintering and heat treatment of titanium alloys by pulsed electric current sintering" Chapter 11 in “Sintering Applications”, edited by Burcu Ertug, ISBN 978-953-51 -0974-7 , 02/2013) or other additive processes, eg by layering, accessible.
  • sintering methods see F. Zhang et al., "sintering and heat treatment of titanium alloys by pulsed electric current sintering” Chapter 11 in “Sintering Applications”, edited by Burcu Ertug, ISBN 978-953-51 -0974-7 , 02/2013
  • additive processes eg by layering, accessible.
  • a further possibility is, for example, the modification of the implant surfaces, for example by a coating which makes it possible to design the surface properties independently of the properties of the implant material.
  • Calcium titanium oxide has already been proposed as a material for implant coatings (N. Ohtsu, K. Sato, A. Yanagawa, K. Saito, Y. Imai, T.
  • Calcium titanium oxide is known as mineral under the name Perowskit. It has the chemical composition CaTi03. Chemically, it is a calcium titanium oxide, also called calcium titanate. Perovskite may contain traces of other metals in addition to calcium and titanium. Instead of calcium, alkali metals, rare earth metals and, more rarely, iron may be present.
  • Niobium and subordinate tantalum and zirconium are also frequently found on the titanium positions. Varieties with a very high content of rare earth metals (especially cerium) are called Knopite, very low-abundance perovskites as Dysanalyt, in a combination of both also called Loparite. Considering the elements frequently contained, the chemical composition of perovskite can also be generally indicated as (Ca, Na, Fe 2+ , Ce, Sr) (Ti, Nb) O 3.
  • US Pat. No. 7,799,268 B2 describes hydroxyapatite-containing piezoelectric shaped bodies.
  • the molded article may further contain calcium titanate in addition to many other components.
  • EP 0331160 A2 describes the production of a ceramic shaped body from particles or fibers of a functional inorganic material and a ceramic made of sintered metal particles. In a long listing is for the
  • Particles or fibers also called calcium titanate.
  • US 5830270A describes a semiconductor substrate which is overgrown with perovskites. Calcium titanate is disclosed as a possible layer. However, the piezoelectric effect is attributed to ferroelectrics such as barium titanate.
  • the object of the invention is to provide calcium titanium oxide structures for use as shaped bodies, in particular as implant material, which has piezoelectric properties and combines bioactivity, biocompatibility and elasticity with little technical production effort.
  • a shaped body comprising or consisting of piezoelectric Caiciumtitanoxid, wherein
  • the piezoelectric Caiciumtitanoxid to greater than 98 at% consists of Ca, Ti and O and has nanostructure defects or
  • the shaped body is piezoactive.
  • the shaped body is e.g. at least partially coated with piezoelectric Caiciumtitanoxid and the main body of the molding is made of a different material.
  • a crystal is required for the generation of a piezoelectric signal, which crystallizes in its ideal structure compulsorily in a non-point-symmetric space group.
  • piezoelectricity is more generally used for an electrical signal which is generated as a result of charge reorientations or charge shifts by mechanical stress and can be measured or inversely generated mechanical deformation by an electrical signal or electric field.
  • a body which has piezoelectric material, which is also referred to herein as piezoactive, without this must be piezoelectric overall.
  • Caicium titanium oxide is accessible via the sol-gel process with or without doping elements, followed by drying, calcined to obtain a powder. In this process, powders with particle sizes ranging from several nanometers up to several micrometers are accessible.
  • the term calcium titanium oxide in the context of the present invention also encompasses doped calcium titanium oxide. It has surprisingly been found that moldings, in particular medical implants, can advantageously be produced from piezoelectric calcium titanium oxide, or metallic moldings, in particular metallic implants, can advantageously be surface-coated with piezoelectric calcium titanium oxide.
  • such implants have a modulus of elasticity of less than 70 GPa, preferably 5 GPa-50 GPa (according to DIN EN ISO 14577), in order to trigger a piezoelectric effect by strains as they occur through the body's own motion.
  • a piezoelectric effect is suitable for promoting the growth of tissue.
  • the implant can be combined with an outside of the body mounted capacitor or coil assembly for AC field generation in the range 3 Hz to 200 Hz.
  • Calcium titanium oxide (CaTiO3) is accessible, for example, via the sol-gel process.
  • soluble salts of titanium in particular Ti 4+
  • salts of calcium in particular Ca 2+
  • the salts are used according to the present invention in approximately equimolar, ie in one
  • Atomic ratio of Ca to Ti from 0.8 (Ca) to 1 (Ti) to 1 (Ca): 0.8 (Ti), preferably 0.9 (Ca) to 1 (Ti) to 1 (Ca) to 0, 9 (Ti).
  • a Ti excess of 0.85 to 0.98 (Ca) to 1 (Ti) or a Ca excess of 1 (Ca) to 0.98 to 0.85 (Ti) can also be present. If doping is to take place, up to 10% of the Ti or Ca atoms can be replaced by other atoms (based on Ca).
  • TiO 3 in particular selected from the group of Mg, Ba, Sr, Mn or Fe, preferably Mg and / or Fe.
  • a Ca: Ti ratio of 10: 9 (Ca overtoot) and for the doped samples a Ca: Ti: Dot ratio of 10: 9: 1 can be selected.
  • Suitable solvents for the sol-gel process are organic or aqueous organic solvents, for example the compounds corresponding to the abovementioned organic anions (in each case plus H +).
  • Suitable organic anions (of the salts) are C1 to C8 alkoxylates, preferably C3 or C4 alkoxylates, C1 to C8 carboxylates and, as inorganic anions, nitrates, carbonates, oxides, hydroxides or hydrated oxides, in particular nitrates or carbonates.
  • the mixture and homogenization were carried out e.g. with the help of an ultrasonic bath and a magnetic stirrer. Subsequently, the gels are dried in a spray dryer. The powders thus obtained were amorphous and contained portions of the solvent. Upon heating to about 300 ° C, the solvents and organic components may be vaporized. Between 550 ° C. and 600 ° C., the crystallization of the main phase of calcium titanium oxide takes place. Typically, the calcium titanium oxides then contain about 90 vol.% And more calcium titanium oxide (CaTiO3) and each up to 5 vol.% Calcium oxide and titanium oxide.
  • CaTiO3 calcium titanium oxide
  • the undoped calcium titanium oxide consists (after calcination) of greater than 98 atomic% of Ca, Ti and O.
  • doped calcium titanium oxide up to 10 atomic%, based on all Ca and Ti atoms together, can be doped with Mg, Mn, Ba, Sr and / or Fe, preferably Mg and / or Fe, replaced.
  • the calcium titanium oxide powder prepared by the sol-gel process including the doped calcium titanium oxide powder, is compacted into compact calcium titanium oxide molded articles by the process known as field assisted sintering (FAST).
  • FAST field assisted sintering
  • the material to be processed is introduced into a die and pressed.
  • a pulsed current flows directly through the sample as a function of the electrical conductivity of the components.
  • electrically conductive materials a significant increase in the compression rate is achieved by the influence of the electric field and the current flow.
  • the compact design of the pressing tool makes it possible to achieve heating and cooling rates of up to 1000 ° C / min.
  • the precompressed powders are placed in the FAST chamber and then heated to 800 ° C to 1050 ° C, eg under a uniaxial pressure of 50 MPa to 80 MPa in a vacuum or inert gas atmosphere.
  • a voltage of less than 5V and a current of 500A to 5000A are chosen.
  • the powders used are aligned to a solid body in an electric or magnetic field prior to application of the FAST method and compaction.
  • the advantages of the FAST process compared to high pressure or high temperature processes for CaTiO3 compaction are low pressure on the MPa scale and high efficiency with a high heating rate of 100 K / min to 1000 K / min, a holding time of a few minutes and a short cooling phase.
  • the method proposed here can be used for energy-efficient production.
  • a big advantage of the FAST process for the production of calcium titanium oxide is the short process time. This leads to a reduction of the grain growth in the sintering process, whereby a nano- and microstructure in the grain of the material is maintained. This has positive effects on the mechanical and piezoelectric properties of the material.
  • materials having a volume fraction of more than 90% calcium titanium oxide and further phase fractions, depending on the doping, are formed.
  • the calcium titanium oxide produced by the production method proposed here exhibits a piezoelectric effect upon the occurrence of mechanical deformation.
  • the strength of this effect can be influenced by the doping.
  • the mechanical loading of the implant generates a charge redistribution through the piezoelectric effect, which can stimulate the behavior of osteoblasts and osteoclasts beyond the mechanical stimulation and thus trigger bone growth impulses.
  • the implant undergoes some deformation by physical forces on the implant o- is exposed to an electric or magnetic field, about 1 to 2 times a day for a certain period.
  • the calcium titanium oxide synthesized by the production method proposed here can be directly, via suitable intermediate layers or over a gradient, to a metal or alloy, preferably one having a bone-like modulus of elasticity, such as TiMn, by FAST synthesis or other suitable methods be applied.
  • bone growth impulses are then released via the piezoelectric effect in the calcium titanium oxide and its surface by means of charge redistributions. It is also advantageous to make the implant structure partially porous, with pore sizes greater than 500 [in order to intensively stimulate the osseointegration, in particular with an open pore structure, which can be flowed through by a liquid medium.
  • porous design of a load-bearing implant structure produced by the FAST method or an adaptive method such as rapid prototyping with bone-like elastic properties allows the coating of the inner and outer surfaces with the pure or doped calcium titanium oxide by a suitable method.
  • a suitable method is "RF magnetron sputtering", for example as mentioned in the above-mentioned publication by N. Ohtsu et al., Or dip-coating (dip-coating).
  • the piezoelectric effect results from the mechanical deformation of a non-point symmetric crystal.
  • the resulting shift of the charge centers induces charge separations and thus dipoles.
  • the calcium titanium oxides produced herein have dislocations, resulting in displacement of local atomic positions.
  • the theoretically point-symmetric structure of single-crystal CaTiO3 is disturbed (by nanostructure defects such as voids, voids, dislocations, inclusions) to produce a piezoelectric material.
  • the piezoelectric effect is further enhanced by the addition of further elements (doping).
  • the nanostructure defects lead to shifts of local atom positions and lead on average to measurable changes with conventional X-ray diffraction of the typical size of the crystallographic unit cell (Crystallography Opennum Database COD), preferably to relative lattice parameter changes greater than 0.5 per thousand, more preferably from 0.5 to 3 per thousand.
  • the measurement of the lattice parameter changes is described, for example, in: McCusker et al., J. Appl. Cryst.
  • the shaped body comprises or consists of a metal sponge.
  • the coating of the base body with piezoelectric calcium titanium oxide can be carried out, for example, by sputtering, CVD or direct FAST. (Move?)
  • FIG. 1 X-ray diffraction spectrum and partial spectrum of the phase calcium titanium oxide
  • FIG. 2 SEM images of the calcined sol-gel synthesized
  • Fig. 3 SEM images of the fracture edge of the sintered with FAST potassium titanium oxide solid.
  • the particle sizes of the Calciumtitanoxidpulver be after calcination 1 pm to 10 ⁇ , in the sintered solid no individual particles are more visible.
  • the element-specific X-ray radiation could also be examined at the SEM with an EDX detector:
  • the intensity distribution was used to estimate the mass ratio of the elements.
  • the inlet temperature was 190 ° C and the outlet temperature was maintained by varying the spray rate between 100 ° C and 110 ° C.
  • the powder thus obtained was calcined in a Nabertherm RHTH 120-600 / 18 tube furnace at 650 ° C. for 2 hours and then sintered in an HP D 5 FAST plant of FCT Systeme GmbH. For this, 3 g of the calcined powder were placed in a graphite matrix and precompressed with a contact pressure of 40 MPa.
  • Fig. 5 scheme used for measurement setup. Shown is a sample 1, horizontal electrodes 2, a piezoelectric actuator 3, an insulator 4 and a metal shield 5.
  • the measuring setup consists of a metallic framework, which fixes the sample to be examined between two insulating corundum plates to a piezoactuator.
  • a sine voltage of 10 Hz and 20 V was applied and converted by the actuator into a dynamic mechanical load of the sample.
  • a reference measurement was made with a commercial stacked lead zirconate titanate piezo element (7.95V ⁇ 0.27V) and a zero measurement with glass to determine the noise floor of the measurement (4.5mV ⁇ 0.1mV). All measurements were made several times. The samples used were checked for their conductivity, so that an immediate charge exchange could be excluded by a short circuit.
  • the undoped calcium titanium oxide solid generated a response signal of 78 mV ⁇ 10.1 mV.
  • the height of the piezoelectric signal could be increased to 122 mV ⁇ 12.2 mV by the above iron doping of the calcium titanium oxide.
  • the mechanical properties of the undoped Caiciumtitanoxidfest stressess were characterized with a CETR Apex microindenter (Bruker Nano) according to DIN EN ISO 14577. At a test force of 750 mN, the modulus of elasticity of the calcium titanium oxide (203 ⁇ 7) is GPa.

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Abstract

The invention relates to molded bodies, in particular implants, comprising piezo-active calcium titanium oxide, including piezo-active doped calcium titanium oxide, the use of such calcium titanium oxide and a method for the production and for the excitation of the molded bodies by electric fields.

Description

Formkörper enthaltend piezoaktives Calciumtitanoxid, ein Verfahren zu deren Herstellung und Anregung und Verwendung piezoaktiven Calciumtitan- oxids als piezoelektrischer Formkörper oder Bestandteil piezoelektrischer Formkörper  Shaped body containing piezoactive calcium titanium oxide, a process for their preparation and excitation and use of piezoactive calcium titanium oxide as a piezoelectric shaped body or component of piezoelectric shaped body
Die Erfindung betrifft Formkörper, insbesondere Implantate, enthaltend piezoaktives Calciumtitanoxid, einschließlich piezoaktiven dotierten Calciumtitanoxids, die Verwendung derartiger Calciumtitanoxide und ein Verfahren zur Herstellung und zur Anregung der Formkörper. The invention relates to moldings, in particular implants, containing piezoactive calcium titanium oxide, including piezoactive doped calcium titanium oxide, the use of such calcium titanium oxides and a method for producing and for exciting the moldings.
Stand der Technik State of the art
Ein Implantat ist ein im Körper eingepflanztes künstliches Material, das permanent oder zumindest für einen längeren Zeitraum dort verbleiben soll. Insbesondere be- trifft die vorliegende Erfindung permanente Implantate, die in der plastischen oder orthopädischen Chirurgie als Ersatz für angegriffene oder zerstörte Körperteile, insbesondere Knochen oder als Dentalimplantate verwendet werden. An implant is an implanted in the body artificial material that should remain there permanently or at least for a longer period of time. In particular, the present invention relates to permanent implants which are used in plastic or orthopedic surgery as a replacement for attacked or destroyed body parts, in particular bones or as dental implants.
Der Bedarf an Implantaten und die Anforderungen an die Funktionalität und Bio- kompatibilität sind in den letzten Jahren ständig gestiegen. Von Implantaten wird gefordert, dass diese die Fähigkeit aufweisen, schnell in den Knochen einzuwachsen und eine gute Verbindung mit dem Knochen einzugehen. Moderne Implantate sollen mechanisch stabil sein und sich optimal und in kurzer Zeit mit dem körpereigenen Gewebe verbinden, wobei keine Abstoßungsreaktion oder gar Infektion her- vorgerufen werden sollen. The demand for implants and the requirements for functionality and biocompatibility have been steadily increasing in recent years. Implants are required to have the ability to grow quickly into the bone and make a good connection with the bone. Modern implants should be mechanically stable and combine optimally and in a short time with the body's own tissue, whereby no rejection reaction or even infection should be caused.
Eine Vielzahl der derzeit hergestellten Implantate besteht aus Titan oder Legierungen von Titan, weil sich Titan seit langem als biokompatibles Material bewährt hat. Reines Titan und Ti-6AI-4V haben eine breite Anwendung beim Einsatz als den- tale und vor allem als lasttragende orthopädische Implantate wegen ihrer sehr guten Bioverträglichkeit, ihrer hohen mechanischen Festigkeit bei geringem Gewicht und ihrer Beständigkeit gegenüber physiologischen Medien erlangt. Many of the implants currently made are made of titanium or titanium alloys because titanium has long been proven to be a biocompatible material. Pure titanium and Ti-6AI-4V have been widely used as dental and especially as load-bearing orthopedic implants because of their very good biocompatibility, their high mechanical strength and low weight and their resistance to physiological media.
|Bestätigungskopie| Die hohe Festigkeit von reinem Titan und Ti-6AI-4V, die deutlich über der von natürlichem Knochen liegt, bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Eine Schwachstelle derartiger metallischer Implantate kann deren hohe Steifigkeit sein, die deutlich über dem des Knochenmaterials liegt. Das Implantat übernimmt deshalb einen Großteil der mechanischen Belastung und entlastet so den Knochen. Dieser so genannte„Stress-shielding-Effect" kann weitreichende Folgen haben: Da Knochen mechanische Beanspruchung benötigen, um sich einerseits im Heilungsprozess zu regenerieren und andererseits dauerhaft ihre Festigkeit zu behalten, kann sich die Heilung verlangsamen und der entlastete Knochen im Laufe der Jahre sogar abbauen. | Confirmation copy | However, the high strength of pure titanium and Ti-6AI-4V, which is well above that of natural bone, also brings with it disadvantages. A weak point of such metallic implants may be their high rigidity, which is significantly higher than that of the bone material. The implant therefore absorbs a large part of the mechanical load and thus relieves the bone. This so-called "stress shielding effect" can have far-reaching consequences: since bones require mechanical stress to regenerate on the one hand in the healing process and on the other hand to retain their strength permanently, the healing can slow down and the relieved bone even over the years dismantle.
Titan und Titanlegierungen sind z.B. mittels Sintermethoden (vergleiche F. Zhang et al:„Sintering and heat treatment of titanium alloys by pulsed electric current sin- tering" Chapter 11 in "Sintering Applications", book edited by Burcu Ertug, ISBN 978-953-51 -0974-7, 02/ 2013) oder anderen additiven Verfahren z.B. durch schichtweisen Aufbau, zugänglich. Titanium and titanium alloys are e.g. using sintering methods (see F. Zhang et al., "sintering and heat treatment of titanium alloys by pulsed electric current sintering" Chapter 11 in "Sintering Applications", edited by Burcu Ertug, ISBN 978-953-51 -0974-7 , 02/2013) or other additive processes, eg by layering, accessible.
Zur Anpassung der mechanischen Eigenschaften metallischer Implantate an natürliches Knochenmaterial wurden u.a. Legierungen und poröse Strukturen vorge- schlagen, welche das Zellwachstum und die Knochenintegration positiv beeinflussen sollen. Zum Einsatz können z.B. TiMn-Verbindungen kommen, welche als metallische Schwämme mit grobporösen Strukturen hergestellt werden [F. Zhang, E. Burkel:„Novel Titanium Manganese Alloys and Their Macroporous Foams for Bio- medical Applications Prepared by Field Assisted Sintering" in "Biomedical Engine- ering, Trends in Materials Science" edited by A. Laskovski, ISBN: 978-953-307- 513-6, InTech, 2011]. To adapt the mechanical properties of metallic implants to natural bone material, i.a. Alloys and porous structures are proposed, which should positively influence cell growth and bone integration. For example, it is possible to use TiMn compounds are produced which are produced as metallic sponges with coarsely porous structures [F. Zhang, E. Burkel: "Novel Titanium Manganese Alloys and Their Macroporous Foams for Bio- medical Applications Prepared by Field- Assisted Sintering" in "Biomedical Engineer- ing, Trends in Materials Science" edited by A. Laskovski, ISBN: 978-953- 307-513-6, InTech, 2011].
Eine weitere Möglichkeit besteht etwa in der Modifizierung der Implantatoberflächen, beispielsweise durch eine Beschichtung, die es ermöglicht, die Oberflächen- eigenschaften unabhängig von den Eigenschaften des Implantatwerkstoffs zu gestalten. Calciumtitanoxid ist bereits als Material für Implantatbeschichtungen vorgeschlagen worden (N. Ohtsu, K. Sato, A. Yanagawa, K. Saito, Y. Imai, T. A further possibility is, for example, the modification of the implant surfaces, for example by a coating which makes it possible to design the surface properties independently of the properties of the implant material. Calcium titanium oxide has already been proposed as a material for implant coatings (N. Ohtsu, K. Sato, A. Yanagawa, K. Saito, Y. Imai, T.
Kohgo, A. Yokoyama, K. Asami, T. Hanawa: "CaTi03 coating on titanium for bio- material application - Optimum thickness and tissue response"; Journal of Biomed- ical Materials Research Part A - J BIOMED MATER RES PART A , vol. 82A, no. 2, pp. 304-315, 2007). Calciumtitanoxid ist als Mineral unter dem Namen Perowskit bekannt. Es hat die chemische Zusammensetzung CaTi03. Chemisch gesehen handelt es sich um ein Calciumtitanoxid, auch Calciumtitanat genannt. Perowskit kann neben Calcium und Titan Spuren an anderen Metallen enthalten. Anstatt Calcium können Alkali- metalle, Seltenerdmetalle und seltener Eisen enthalten sein. Auf den Titanpositionen befindet sich häufig auch Niob sowie untergeordnet Tantal und Zirconium. Varietäten mit einem sehr hohen Gehalt an Seltenerdmetallen (vor allem Cer) werden als Knopit bezeichnet, sehr niobreiche Perowskite als Dysanalyt, bei einer Kombination aus beidem auch als Loparit. Unter Berücksichtigung der häufig ent- haltenen Elemente kann die chemische Zusammensetzung von Perowskit auch allgemein als (Ca,Na,Fe2+,Ce,Sr)(Ti,Nb)O3 angegeben werden. Kohgo, A. Yokoyama, K. Asami, T. Hanawa: "CaTi03 coating on titanium for bio-material application - Optimum thickness and tissue response"; Journal of Biomedical Materials Research Part A - J BIOMED MATER RES PART A, vol. 82A, no. 2, pp. 304-315, 2007). Calcium titanium oxide is known as mineral under the name Perowskit. It has the chemical composition CaTi03. Chemically, it is a calcium titanium oxide, also called calcium titanate. Perovskite may contain traces of other metals in addition to calcium and titanium. Instead of calcium, alkali metals, rare earth metals and, more rarely, iron may be present. Niobium and subordinate tantalum and zirconium are also frequently found on the titanium positions. Varieties with a very high content of rare earth metals (especially cerium) are called Knopite, very low-abundance perovskites as Dysanalyt, in a combination of both also called Loparite. Considering the elements frequently contained, the chemical composition of perovskite can also be generally indicated as (Ca, Na, Fe 2+ , Ce, Sr) (Ti, Nb) O 3.
Zur Herstellung von Calciumtitanoxid sind bereits Sol-Gel-Verfahren vorgeschlagen worden (vergleiche EP 255193 B1 , DE3877634 T2 und US 3330697 A). Calci- umtitanoxide sind an sich bekannt und Gegenstand vieler Veröffentlichungen, wie z.B.: Sol-gel processes have already been proposed for the preparation of calcium titanium oxide (cf. EP 255193 B1, DE 3877634 T2 and US 3330697 A). Calcium titanium oxides are known per se and have been the subject of many publications, such as:
- US 7799268 B2 beschreibt Hydroxyappatit enthaltende piezoelektrische Formkörper. Der Formkörper kann weiterhin neben vielen anderen Bestandteilen Calciumtitanat enthalten.  US Pat. No. 7,799,268 B2 describes hydroxyapatite-containing piezoelectric shaped bodies. The molded article may further contain calcium titanate in addition to many other components.
- DUBEY, A. K., et al.:„Multifunctionality of Perovskites BaTiÜ3 and CaTiÜ3 in a composite with hydroxyapatite as orthopedic implant materials"; Integrated Ferro-electrics 131.1 (2011 ): 119-126 untersucht dielektrische Eigenschaften von Bari-umtitanat-Hydroxyappatit- bzw. Calciumtitanat-Hydroxyappatit-Kompo- siten. - DUBEY, AK, et al.: "Multifunctionality of Perovskites BaTiÜ3 and CaTiÜ3 in a composite with hydroxyapatite as orthopedic implant materials"; Integrated Ferro-electrics 131.1 (2011): 119-126 examines the dielectric properties of barium titanate hydroxyapatite and hydroxypropionate Calcium titanate-hydroxyapatite composites.
- FU, D. et al.: "Crystal growth and piezoelectricity of BaTi03-CaTi03 solid Solution", Appl. Phys. Lett. 93, 012904 (2008) beschreibt feste Lösungen aus Ba- Ti03-CaTi03, welches durch eine Mindermenge Calciumtitanat modifiziert sind.FU, D. et al .: "Crystal growth and piezoelectricity of BaTiO 3-CaTiO 3 solid Solution", Appl. Phys. Lett. 93, 012904 (2008) describes solid solutions of Ba-TiO 3-CaTiO 3, which are modified by a reduced amount of calcium titanate.
- EP 0331160 A2 beschreibt die Herstellung eines keramischen Formkörpers aus Partikeln oder Fasern eines funktionellen anorganischen Materials und einer Keramik aus gesinterten Metall-Partikeln. In einer langen Auflistung ist für dieEP 0331160 A2 describes the production of a ceramic shaped body from particles or fibers of a functional inorganic material and a ceramic made of sintered metal particles. In a long listing is for the
Partikel oder Fasern auch Calciumtitanat genannt. Particles or fibers also called calcium titanate.
- US 5830270A beschreibt ein Halbleitersubstrat, welches mit Perovskiten bewachsen ist. Calciumtitanat wird als eine mögliche Schicht offenbart. Der piezoelektrische Effekt wird aber auf Ferroelektrika wie bspw. Bariumtitanat zurück- geführt.  US 5830270A describes a semiconductor substrate which is overgrown with perovskites. Calcium titanate is disclosed as a possible layer. However, the piezoelectric effect is attributed to ferroelectrics such as barium titanate.
Während für Barium- und Strontiumtitanat bekannt ist, dass diese piezoelektrisch bzw. piezoaktiv sind, ist dies für Calciumtitanoxid bisher nicht berichtet worden. Aufgabe der Erfindung While barium and strontium titanate are known to be piezoelectric or piezoactive, this has not previously been reported for calcium titanium oxide. Object of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, Calciumtitanoxidstrukturen zur Verwendung als Formkörper, insbesondere als Implantatmaterial zur Verfügung zu stellen, der piezoelektrische Eigenschaften aufweist und Bioaktivität, Biokompatibilität und Elastizität mit einem geringen technischen Herstellungsaufwand verbindet. The object of the invention is to provide calcium titanium oxide structures for use as shaped bodies, in particular as implant material, which has piezoelectric properties and combines bioactivity, biocompatibility and elasticity with little technical production effort.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Formkörper aufweisend oder bestehend aus piezoelektrischem Caiciumtitanoxid gelöst, wobei According to the invention the object is achieved by a shaped body comprising or consisting of piezoelectric Caiciumtitanoxid, wherein
- das piezoelektrische Caiciumtitanoxid zu größer 98 Atom% aus Ca, Ti und O besteht und Nanostrukturdefekte aufweist oder - The piezoelectric Caiciumtitanoxid to greater than 98 at% consists of Ca, Ti and O and has nanostructure defects or
- das piezoelektrische Caiciumtitanoxid mit bis zu 10 Atom% und nach einer- The piezoelectric Caiciumtitanoxid with up to 10 atom% and after a
Ausgestaltung mit bis zu 5 Atom% - jeweils bezogen auf alle Ca und Ti Atome zusammen - als Dotierung Mg, Mn, Ba, Sr und/oder Fe enthält, Embodiment with up to 5 atom% - in each case based on all Ca and Ti atoms together - as doping Mg, Mn, Ba, Sr and / or Fe contains,
wobei der Formkörper piezoaktiv ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend beschrieben. Nach einer Ausgestaltung ist der Formkörper z.B. zumindest teilweise mit piezoelektrischem Caiciumtitanoxid beschichtet und der Grundkörper des Formkörpers besteht aus einem anderen Material. Nach Fachdefinition ist für die Erzeugung eines piezoelektrischen Signals ein Kristall erforderlich, welcher in seiner idealen Struktur zwingend in eine nicht punktsymmetrische Raumgruppe kristallisiert. Im Sinne dieser Erfindung wird Piezoelektrizität jedoch allgemeiner für ein elektrisches Signal verwendet, welches in Folge von Ladungsumorientierungen oder Ladungsverschiebungen durch mecha- nische Belastung erzeugt wird und gemessen werden kann oder invers durch ein elektrisches Signal oder elektrisches Feld eine mechanische Verformung erzeugt wird. Ein Körper, welcher piezoelektrisches Material aufweist, das, wird vorliegend auch als piezoaktiv bezeichnet, ohne dass dieser insgesamt piezoelektrisch sein muss. wherein the shaped body is piezoactive. Preferred embodiments are subject of the dependent claims or described below. According to one embodiment, the shaped body is e.g. at least partially coated with piezoelectric Caiciumtitanoxid and the main body of the molding is made of a different material. According to technical definition, a crystal is required for the generation of a piezoelectric signal, which crystallizes in its ideal structure compulsorily in a non-point-symmetric space group. For the purposes of this invention, however, piezoelectricity is more generally used for an electrical signal which is generated as a result of charge reorientations or charge shifts by mechanical stress and can be measured or inversely generated mechanical deformation by an electrical signal or electric field. A body which has piezoelectric material, which is also referred to herein as piezoactive, without this must be piezoelectric overall.
Caiciumtitanoxid ist über das Sol-Gel-Verfahren mit oder ohne Dotierungselemente, anschließendes Trocknen, kalziniert zum Erhalt eines Pulvers zugänglich. In diesem Prozess werden Pulver mit Partikelgrößen im Bereich mehrerer Nano- meter bis hin zu mehreren Mikrometern zugänglich. Der Begriff Calciumtitanoxid umfasst im Sinn der vorliegenden Erfindung auch dotiertes Calciumtitanoxid. Es wurde überraschend gefunden, dass Formkörper, insbesondere medizinische Implantate, vorteilhaft aus piezoelektrischem Calciumtitanoxid hergestellt werden können bzw. metallische Formkörper, insbesondere metallische Implantate vorteilhaft mit piezoelektrischem Calciumtitanoxid oberflächlich beschichtet werden können. Insbesondere weisen derartige Implantate ein Elastizitätsmodul von kleiner 70 GPa, vorzugsweise 5 GPa - 50 GPa (nach DIN EN ISO 14577) auf, um durch Belastungen wie sie durch körpereigene Bewegung erfolgen, einen piezoelektrischen Effekt auszulösen. Ein derartiger piezoelektrischer Effekt ist geeignet, das Anwachsen von Gewebe zu begünstigen. Andererseits ist es auch möglich, ein solches calciumtitanoxidhaltiges Implantat mit einem elektrischen Feld anzuregen, um über eine mechanische Stimulation die Knochenregeneration positiv zu beeinflussen. Hierfür kann das Implantat mit einer außerhalb des Körpers angebrachten Kondensator- oder Spulenanordnung zur Wechselfelderzeugung im Bereich 3 Hz bis 200 Hz kombiniert werden. Detaillierte Beschreibung der Erfindung Caicium titanium oxide is accessible via the sol-gel process with or without doping elements, followed by drying, calcined to obtain a powder. In this process, powders with particle sizes ranging from several nanometers up to several micrometers are accessible. The term calcium titanium oxide in the context of the present invention also encompasses doped calcium titanium oxide. It has surprisingly been found that moldings, in particular medical implants, can advantageously be produced from piezoelectric calcium titanium oxide, or metallic moldings, in particular metallic implants, can advantageously be surface-coated with piezoelectric calcium titanium oxide. In particular, such implants have a modulus of elasticity of less than 70 GPa, preferably 5 GPa-50 GPa (according to DIN EN ISO 14577), in order to trigger a piezoelectric effect by strains as they occur through the body's own motion. Such a piezoelectric effect is suitable for promoting the growth of tissue. On the other hand, it is also possible to excite such a calcium titanium oxide-containing implant with an electric field in order to positively influence the bone regeneration via a mechanical stimulation. For this purpose, the implant can be combined with an outside of the body mounted capacitor or coil assembly for AC field generation in the range 3 Hz to 200 Hz. Detailed description of the invention
Calciumtitanoxid (CaTiO3) ist z.B. über das Sol-Gel-Verfahren zugänglich. Hierbei werden lösliche Salze von Titan (insbesondere Ti4+) zusammen mit Salzen von Calcium (insbesondere Ca2+) als Precursor in Lösung gebracht. Die Salze werden nach der vorliegenden Erfindung in etwa äquimolar eingesetzt, d.h. in einemCalcium titanium oxide (CaTiO3) is accessible, for example, via the sol-gel process. In this case, soluble salts of titanium (in particular Ti 4+ ) together with salts of calcium (in particular Ca 2+ ) are brought into solution as precursor. The salts are used according to the present invention in approximately equimolar, ie in one
Atomverhältnis von Ca zu Ti von 0,8 (Ca) zu 1 (Ti) bis 1 (Ca): 0,8 (Ti), vorzugsweise 0,9 (Ca) zu 1 (Ti) bis 1 (Ca) zu 0,9 (Ti). Es kann aber auch ein Ti-Über- schuss von 0,85 bis 0,98 (Ca) zu 1 (Ti) oder ein Ca-Überschuss von 1 (Ca) zu 0,98 bis 0.85 (Ti) vorliegen. Wenn eine Dotierung erfolgen soll, können bis zu 10% der Ti- oder Ca- Atome durch andere Atome ersetzt werden (bezogen auf Ca-Atomic ratio of Ca to Ti from 0.8 (Ca) to 1 (Ti) to 1 (Ca): 0.8 (Ti), preferably 0.9 (Ca) to 1 (Ti) to 1 (Ca) to 0, 9 (Ti). However, a Ti excess of 0.85 to 0.98 (Ca) to 1 (Ti) or a Ca excess of 1 (Ca) to 0.98 to 0.85 (Ti) can also be present. If doping is to take place, up to 10% of the Ti or Ca atoms can be replaced by other atoms (based on Ca).
TiO3), insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von Mg, Ba, Sr, Mn oder Fe, bevorzugt sind Mg und/oder Fe. Z.B kann ein Ca : Ti-Verhältnis von 10:9 (Ca-Übner- schuss) und für die dotierten Proben ein Ca:Ti:Dot-Verhältnis von 10:9:1 ausgewählt werden. TiO 3), in particular selected from the group of Mg, Ba, Sr, Mn or Fe, preferably Mg and / or Fe. For example, a Ca: Ti ratio of 10: 9 (Ca overtoot) and for the doped samples a Ca: Ti: Dot ratio of 10: 9: 1 can be selected.
Als Lösungsmittel für das Sol-Gel-Verfahren eignen sich organische oder wässrig organische Lösungsmittel, z.B. die den nachgenannten organischen Anionen entsprechenden Verbindungen (jeweils plus H+). Als organische Anionen (der Salze) sind C1- bis C8-Alkoxylate, vorzugsweise C3- oder C4- Alkoxylate, C1- bis C8-Carboxylate und als anorganische Anionen Nitrate, Carbonate, Oxide, Hydroxide oder Oxidhydrate, insbesondere Nitrate oder Carbonate geeignet. Suitable solvents for the sol-gel process are organic or aqueous organic solvents, for example the compounds corresponding to the abovementioned organic anions (in each case plus H +). Suitable organic anions (of the salts) are C1 to C8 alkoxylates, preferably C3 or C4 alkoxylates, C1 to C8 carboxylates and, as inorganic anions, nitrates, carbonates, oxides, hydroxides or hydrated oxides, in particular nitrates or carbonates.
Die Mischung und Homogenisierung erfolgte z.B. mit Hilfe eines Ultraschallbads und eines magnetischen Rührers. Anschließend werden die Gele in einem Sprühtrockner getrocknet. Die auf diese Art gewonnenen Pulver waren amorph und ent- hielten Anteile des Lösungsmittels. Beim Erwärmen auf bis etwa 300 °C können die Lösungsmittel und organischen Bestandteile verdampft bzw. verbrannt werden. Zwischen 550 °C bis 600 °C findet die Kristallisation der Hauptphase Calci- umtitanoxid statt. Typisch enthalten die Calciumtitanoxide dann ca. 90 Vol.% und mehr Calciumtitanoxid (CaTiO3) und jeweils bis zu 5 Vol.% Calciumoxid und Ti- tanoxid. The mixture and homogenization were carried out e.g. with the help of an ultrasonic bath and a magnetic stirrer. Subsequently, the gels are dried in a spray dryer. The powders thus obtained were amorphous and contained portions of the solvent. Upon heating to about 300 ° C, the solvents and organic components may be vaporized. Between 550 ° C. and 600 ° C., the crystallization of the main phase of calcium titanium oxide takes place. Typically, the calcium titanium oxides then contain about 90 vol.% And more calcium titanium oxide (CaTiO3) and each up to 5 vol.% Calcium oxide and titanium oxide.
Das undotierte Calciumtitanoxid besteht (nach dem Calzinieren) zu größer 98 Atom% aus Ca, Ti und O. Für dotiertes Calciumtitanoxid sind zu bis zu 10 Atom% - bezogen auf alle Ca und Ti Atome zusammen - durch die Dotierung Mg, Mn, Ba, Sr und/oder Fe, vorzugsweise Mg und/oder Fe, ersetzt. The undoped calcium titanium oxide consists (after calcination) of greater than 98 atomic% of Ca, Ti and O. For doped calcium titanium oxide, up to 10 atomic%, based on all Ca and Ti atoms together, can be doped with Mg, Mn, Ba, Sr and / or Fe, preferably Mg and / or Fe, replaced.
Z.B. nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestelltes Calciumtitanoxidpulver, einschließlich dotiertes Calciumtitanoxidpulver, wird mit dem als feldgestütztes Sintern (FAST) bezeichneten Verfahren zu kompakten Calciumtitanoxid-Formkörpern ver- dichtet. Dies ist ein druckunterstütztes Sinterverfahren mit gepulstem Gleichstrom. Hierzu wird das zu verarbeitende Material in eine Matrize eingebracht und ge- presst. Zur Wärmeeinbringung fließt ein gepulster Strom direkt durch die Probe in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit der Komponenten. Für elektrisch leitende Materialien wird eine signifikante Steigerung der Verdichtungsrate durch den Einfluss des elektrischen Feldes und des Stromflusses erzielt. Der kompakte Aufbau des Presswerkzeuges ermöglicht es, Heiz- und Kühlraten bis 1000 °C/min zu erreichen. For example, The calcium titanium oxide powder prepared by the sol-gel process, including the doped calcium titanium oxide powder, is compacted into compact calcium titanium oxide molded articles by the process known as field assisted sintering (FAST). This is a pressure assisted pulsed DC sintering process. For this purpose, the material to be processed is introduced into a die and pressed. For heat input, a pulsed current flows directly through the sample as a function of the electrical conductivity of the components. For electrically conductive materials, a significant increase in the compression rate is achieved by the influence of the electric field and the current flow. The compact design of the pressing tool makes it possible to achieve heating and cooling rates of up to 1000 ° C / min.
Die vorverdichteten Pulver werden in die FAST-Kammer eingebracht und dann z.B. unter einem uniaxialen Druck von 50 MPa bis 80 MPa in einem Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre auf 800°C bis 1050°C erhitzt. Im Laufe des FAST Verfahrens werden typischerweise eine Spannung von unter 5 V und ein Strom von 500 A bis 5000 A gewählt. Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die eingesetzten Pulver vor Anwendung der FAST Methode und der Kompaktierung zu einem festen Körper in einem elektrischen oder mag- netischen Feld ausgerichtet. The precompressed powders are placed in the FAST chamber and then heated to 800 ° C to 1050 ° C, eg under a uniaxial pressure of 50 MPa to 80 MPa in a vacuum or inert gas atmosphere. During the FAST process typically a voltage of less than 5V and a current of 500A to 5000A are chosen. According to one embodiment of the method, the powders used are aligned to a solid body in an electric or magnetic field prior to application of the FAST method and compaction.
Die Vorteile des FAST Verfahrens im Vergleich zu Verfahren mit hohem Druck o- der hohen Temperaturen für die CaTiO3-Kompaktierung sind ein niedriger Druck auf der MPa Skala und eine hohe Effektivität mit einer hohen Aufheizgeschwind ig- keit von 100 K/min bis 1000 K/min, einer Haltezeit von wenigen Minuten und einer kurzen Abkühlphase. Die hier vorgeschlagene Methode kann für die energieeffiziente Herstellung angewendet werden. The advantages of the FAST process compared to high pressure or high temperature processes for CaTiO3 compaction are low pressure on the MPa scale and high efficiency with a high heating rate of 100 K / min to 1000 K / min, a holding time of a few minutes and a short cooling phase. The method proposed here can be used for energy-efficient production.
Ein großer Vorteil des FAST-Verfahrens für die Calciumtitanoxid Herstellung liegt in der kurzen Prozesszeit begründet. Dies führt zu einer Reduzierung des Kornwachstums im Sinterprozess, wodurch eine Nano- und Mikrostruktur in der Körnung des Werkstoffes beibehalten wird. Dies hat positive Auswirkungen auf die mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften des Materials. Bei der hier vorgeschlagenen Herstellungsmethode entstehen Materialien mit einem Volumenanteil von über 90% Calciumtitanoxid und weiteren Phasenanteilen je nach Dotierung. A big advantage of the FAST process for the production of calcium titanium oxide is the short process time. This leads to a reduction of the grain growth in the sintering process, whereby a nano- and microstructure in the grain of the material is maintained. This has positive effects on the mechanical and piezoelectric properties of the material. In the production method proposed here, materials having a volume fraction of more than 90% calcium titanium oxide and further phase fractions, depending on the doping, are formed.
Das bei der hier vorgeschlagenen Herstellungsmethode erzeugte Calci- umtitanoxid, ob nach dem Sol-Gel-Verfahren oder dem Sol-Gel-Verfahren gefolgt von dem FAST-Verfahren erhältlich, zeigt einen piezoelektrischen Effekt beim Auftreten mechanischer Verformung. Die Stärke dieses Effektes kann durch die Dotierung beeinflusst werden. Über die mechanische Belastung des Implantats wird durch den piezoelektrischen Effekt eine Ladungsumverteilung erzeugt, die das Verhalten von Osteoblasten und Osteoklasten über die mechanische Anregung hinaus stimulieren und damit Knochenwachstumsimpulse auslösen kann. Hierfür ist bevorzugt, dass das Implantat eine gewisse Verformung durch körperübliche Kräfte auf das Implantat erfährt o- der einem elektrischen oder magnetischen Feld ausgesetzt wird, etwa 1- bis 2-mal am Tag für eine gewisse Dauer. Das mit der hier vorgeschlagenen Herstellungsmethode synthetisierte Calci- umtitanoxid kann direkt, über geeignete Zwischenschichten oder über einen Gradienten, auf ein Metall oder eine Legierung, vorzugsweise eine solche, die ein knochenähnliches Elastizitätsmodul aufweist, wie z.B. TiMn, mit der FAST Synthese oder geeigneten anderen Methoden aufgebracht werden. The calcium titanium oxide produced by the production method proposed here, whether obtained by the sol-gel method or the sol-gel method followed by the FAST method, exhibits a piezoelectric effect upon the occurrence of mechanical deformation. The strength of this effect can be influenced by the doping. The mechanical loading of the implant generates a charge redistribution through the piezoelectric effect, which can stimulate the behavior of osteoblasts and osteoclasts beyond the mechanical stimulation and thus trigger bone growth impulses. For this it is preferred that the implant undergoes some deformation by physical forces on the implant o- is exposed to an electric or magnetic field, about 1 to 2 times a day for a certain period. The calcium titanium oxide synthesized by the production method proposed here can be directly, via suitable intermediate layers or over a gradient, to a metal or alloy, preferably one having a bone-like modulus of elasticity, such as TiMn, by FAST synthesis or other suitable methods be applied.
Über die mechanische Belastung des Implantats werden dann über den piezoelektrischen Effekt im Calciumtitanoxid und seiner Oberfläche mittels Ladungsumverteilungen Knochenwachstumsimpulse ausgelöst. Es ist außerdem vorteilhaft, die Implantatstruktur teilweise porös zu gestalten, mit Porengrößen größer als 500 [im um die Osseointegration intensiv anzuregen, insbesondere mit einer offenen Porenstruktur, die von einem flüssigen Medium durchflössen werden kann. By means of the mechanical loading of the implant, bone growth impulses are then released via the piezoelectric effect in the calcium titanium oxide and its surface by means of charge redistributions. It is also advantageous to make the implant structure partially porous, with pore sizes greater than 500 [in order to intensively stimulate the osseointegration, in particular with an open pore structure, which can be flowed through by a liquid medium.
Die poröse Ausführung einer lasttragenden, über die FAST Methode oder ein ad- ditives Verfahren wie Rapid Prototyping Verfahren hergestellten Implantatstruktur mit dem Knochen ähnlichen elastischen Eigenschaften, erlaubt die Beschichtung der inneren und äußeren Oberflächen mit dem reinen oder dotierten Calciumtitanoxid mit einem geeigneten Verfahren. Ein geeignetes Verfahren ist„RF magnetron sputtering", z.B. in der oben genannten Veröffentlichung von N. Ohtsu et. al. genannt, oder dip-coating (Tauchbeschichten). The porous design of a load-bearing implant structure produced by the FAST method or an adaptive method such as rapid prototyping with bone-like elastic properties allows the coating of the inner and outer surfaces with the pure or doped calcium titanium oxide by a suitable method. A suitable method is "RF magnetron sputtering", for example as mentioned in the above-mentioned publication by N. Ohtsu et al., Or dip-coating (dip-coating).
Der piezoelektrische Effekt entsteht durch die mechanische Verformung eines nicht punktsymmetrischen Kristalls. Durch die dabei auftretende Verschiebung der Ladungsschwerpunkte werden Ladungstrennungen und somit Dipole induziert. Die vorliegend hergestellten Calciumtitanoxide weisen Fehlordnungen auf, was zur Verschiebung lokaler Atompositionen führt. The piezoelectric effect results from the mechanical deformation of a non-point symmetric crystal. The resulting shift of the charge centers induces charge separations and thus dipoles. The calcium titanium oxides produced herein have dislocations, resulting in displacement of local atomic positions.
Die theoretisch punktsymmetrische Struktur von einkristallinem CaTiO3 wird gestört (durch Nanostrukturdefekte wie Leerstellen, Fehlstellen, Versetzungen, Ein- Schlüsse), um ein piezoelektrisches Material zu erzeugen. Den piezoelektrischen Effekt verstärkt man noch durch die Beimengung weiterer Elemente (Dotierung). Die Nanostrukturdefekte führen zu Verschiebungen lokaler Atompositionen und führen im Mittel zu mit konventioneller Röntgenbeugung messbaren Änderungen der typischen Größe der kristallographischen Elementarzelle (Crystallography O- pen Database COD), bevorzugt zu relativen Gitterparameteränderungen größer 0,5 Promille, besonders bevorzugt von 0,5 bis 3 Promille. Die Messung der Gitterparameteränderungen wird z.B. beschrieben in: McCusker et al., J. Appl. Cryst. (1999), 32, 36-50. Durch das Verwenden von polykristallinem CaTiÜ3 mit Kristallitgrößen im Bereich 10 nm bis 300 nm, bevorzugt 50 nm bis 120 nm, bestimmt durch Röntgenbeugung und den einhergehenden Grenzflächen und der FAST Methode wird die Piezoakti- vität erhöht. The theoretically point-symmetric structure of single-crystal CaTiO3 is disturbed (by nanostructure defects such as voids, voids, dislocations, inclusions) to produce a piezoelectric material. The piezoelectric effect is further enhanced by the addition of further elements (doping). The nanostructure defects lead to shifts of local atom positions and lead on average to measurable changes with conventional X-ray diffraction of the typical size of the crystallographic unit cell (Crystallography Opennum Database COD), preferably to relative lattice parameter changes greater than 0.5 per thousand, more preferably from 0.5 to 3 per thousand. The measurement of the lattice parameter changes is described, for example, in: McCusker et al., J. Appl. Cryst. (1999), 32, 36-50. By using polycrystalline CaTiÜ3 with crystallite sizes in the range of 10 nm to 300 nm, preferably 50 nm to 120 nm, determined by X-ray diffraction and the associated interfaces and the FAST method, the piezoelectricity is increased.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Formkörper einen Metallschwamm auf oder besteht aus diesem. Die Beschichtung des Grundkörpers mit piezoelektrischem Calciumtitanoxid kann beispielsweise durch Sputtern, CVD oder direkt FAST erfolgen. (Verschieben?) In a further embodiment, the shaped body comprises or consists of a metal sponge. The coating of the base body with piezoelectric calcium titanium oxide can be carried out, for example, by sputtering, CVD or direct FAST. (Move?)
Ausführungsbeispiele Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Herstellverfahren an Versuchsbeispielen erläutert. EXAMPLES The production method according to the invention is explained below by way of experimental examples.
Für die Synthese von Calciumtitanoxid wurde eine Mischung der Precursor Tita- nisopropoxid und Calciumnitrat jeweils gelöst in Ethanol, verwendet. Für die undo- tierten Proben wurde ein Ca : Ti-Atomverhältnis von 10:9 und für die dotierten Proben ein Ca:Ti:Dot-Verhältnis von 10:9:1 gewählt. Die Mischung und Homogenisierung erfolgte mit Hilfe eines Ultraschallbads und einem magnetischen Rührer. Anschließend wurden die Gele in einem Sprühtrockner getrocknet. Die auf diese Art gewonnenen Pulver waren amorph und enthielten organische Anteile. Phasen- Übergänge bis 650 °C und Kristallisationstemperaturen wurden mit einem DSC (Differential Scanning Calorimeter) gemessen. Bis etwa 300 °C werden Lösungsmittel und organische Bestandteile verdampft bzw. verbrannt. Zwischen 550 °C bis 600 °C fand die Kristallisation der Hauptphase Calciumtitanoxid (ca. 90%) und der Calcium- bzw Titanoxidphasen (je ca. 5%) statt. For the synthesis of calcium titanium oxide, a mixture of the precursors titanisopropoxide and calcium nitrate, each dissolved in ethanol, was used. For the undoped samples a Ca: Ti atomic ratio of 10: 9 and for the doped samples a Ca: Ti: Dot ratio of 10: 9: 1 was chosen. The mixture and homogenization was carried out by means of an ultrasonic bath and a magnetic stirrer. Subsequently, the gels were dried in a spray dryer. The powders thus obtained were amorphous and contained organic matter. Phase transitions up to 650 ° C and crystallization temperatures were measured by a DSC (Differential Scanning Calorimeter). Up to about 300 ° C solvent and organic components are evaporated or burned. Between 550 ° C to 600 ° C, the crystallization of the main phase calcium titanium oxide (about 90%) and the calcium or titanium oxide phases (about 5% each) took place.
Nach dem Sprühtrocknen wurden alle Proben für 2h bei 650 °C ausgeheizt, bevor sie zu einem Festkörper gesintert wurden. FAST ermöglichte die Verdichtung der Pulver bei stark verkürzten Prozesszeiten. Die Calciumtitanoxide wurden mit einer Heizrate von 100K/min und einem Maximaldruck von 60 MPa auf 1035 °C aufge- heizt und benötigten eine Haltezeit von weniger als 5 Minuten. After spray drying, all samples were baked at 650 ° C for 2 hours before being sintered to a solid. FAST allowed the compaction of the powders with greatly reduced process times. The calcium titanium oxides were heated at a heating rate of 100 K / min and a maximum pressure of 60 MPa to 1035 ° C and required a retention time of less than 5 minutes.
Mit Hilfe des Archimedischen Prinzips wurde die Dichte des Festkörpers zu 4,01 g/cm3 bestimmt. Dies entspricht 98% der theoretischen Dichte. Die Phasenanteile und strukturelle Beschaffenheit der Festkörper-Proben wurden mit Röntgenbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Ein Beugungsspektrum des gesinterten Calciumtitanoxidfestkörpers mit Rietveld- Fit ist in Using the Archimedean principle, the density of the solid was determined to be 4.01 g / cm 3 . This corresponds to 98% of the theoretical density. The phase proportions and structural nature of the solid-state samples were investigated by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). A diffraction spectrum of the Rietveld-Fit sintered calcium titanium oxide solid is shown in FIG
Fig. 1 : Röntgenbeugungsspektrum und Teilspektrum der Phase Calci- umtitanoxid FIG. 1: X-ray diffraction spectrum and partial spectrum of the phase calcium titanium oxide
dargestellt. Mit Hilfe einer Rietveldanalyse konnten die vorhandenen Kristalle im Material Calciumtitanoxid (93,5%; rot) und Rutil (6,5%) zugeordnet werden. shown. Using a Rietveld analysis, the existing crystals in the material calcium titanium oxide (93.5%, red) and rutile (6.5%) could be assigned.
Die Vermessung der Morphologie erfolgt an Hand der REM-Aufnahmen: Fig. 2 REM-Aufnahmen des kalzinierten durch Sol-Gel synthetisierten The morphology is measured on the basis of the SEM images: FIG. 2 SEM images of the calcined sol-gel synthesized
Calciumtitanoxidpulvers (links),  Calcium titanium oxide powder (left),
Fig. 3 REM-Aufnahmen der Bruchkante des mit FAST gesinterten Kaliumtitanoxidfestkörpers. Die Partikelgrößen der Calciumtitanoxidpulver betragen nach Kalzinierung 1 pm bis 10 μιτι, im gesinterten Festkörper sind keine einzelnen Partikel mehr zu erkennen.  Fig. 3 SEM images of the fracture edge of the sintered with FAST potassium titanium oxide solid. The particle sizes of the Calciumtitanoxidpulver be after calcination 1 pm to 10 μιτι, in the sintered solid no individual particles are more visible.
Am REM konnte ebenfalls die elementspezifische Röntgenstrahlung mit einem EDX-Detektor untersucht werden: The element-specific X-ray radiation could also be examined at the SEM with an EDX detector:
Fig. 4: EDX-Spektrum des reinen Festkörpers auf Aluminiumträger Fig. 4: EDX spectrum of the pure solid on aluminum support
Über die Intensitätsverteilung wurde eine Abschätzung für das Massenverhältnis der Elemente ermittelt. The intensity distribution was used to estimate the mass ratio of the elements.
Für die Synthese von dotiertem piezoelektrischen Calciumtitanoxid wurden 9,8ml Titanisopropoxid (97+%, Alfa Aesar) in 67ml Ethanol (>99,8%, Sigma Aldrich) und 7g Calcium-Nitrat (99%, Alfa Aesar) mit 1 ,2g Eisen-Nitrat-Nonahydrat (98%-101 %, Alfa Aesar) in 25ml Ethanol gelöst. Nach einer einstündigen Homogenisierung der Lösungen mit Hilfe eines Ultraschallbads und eines Magnetrührers wurde das Ca- Fe-Gemisch tröpfchenweise in die Titan-Lösung gegeben und 24h mit dem Mag- netrührer homogenisiert. Die Trocknung erfolgte mit einem Mini Spray Dryer B-290 der Firma Büchi. Als Einlasstemperatur wurden 190°C gewählt und die Auslasstemperatur durch Variation der Sprühgeschwindigkeit zwischen 100°C und 110°C gehalten. Das so erhaltene Pulver wurde in einem Nabertherm RHTH 120-600/18 Rohrofen für 2h bei 650°C kalziniert und dann in einer HP D 5 FAST-Anlage der FCT Systeme GmbH gesintert. Dafür wurden 3g des kalzinierten Pulvers in eine Graphitmatrix gegeben und mit einem Anpressdruck von 40MPa vorverdichtet. For the synthesis of doped piezoelectric calcium titanium oxide, 9.8 ml of titanium isopropoxide (97%, Alfa Aesar) in 67 ml of ethanol (> 99.8%, Sigma Aldrich) and 7 g of calcium nitrate (99%, Alfa Aesar) with 1.2 g of iron Nitrate nonahydrate (98% -101%, Alfa Aesar) dissolved in 25ml ethanol. After a one-hour homogenization of the solutions using an ultrasonic bath and a magnetic stirrer, the Ca-Fe mixture was added dropwise to the titanium solution and homogenized for 24 h with the magnetic stirrer. The drying took place with a Mini Spray Dryer B-290 the company Büchi. The inlet temperature was 190 ° C and the outlet temperature was maintained by varying the spray rate between 100 ° C and 110 ° C. The powder thus obtained was calcined in a Nabertherm RHTH 120-600 / 18 tube furnace at 650 ° C. for 2 hours and then sintered in an HP D 5 FAST plant of FCT Systeme GmbH. For this, 3 g of the calcined powder were placed in a graphite matrix and precompressed with a contact pressure of 40 MPa.
Dann wurde in der Sinterkammer ein Vakuum erzeugt und der Druck auf 60MPa erhöht. Das Material wurde mit 100K/min auf 1035°C erhitzt und bis zur vollständigen Verdichtung auf dieser Temperatur gehalten (etwa 5min). Danach wurde das Material auf Raumtemperatur abgekühlt (etwa 12min) und die Kammer mit Stickstoff als einem inerten Gas gespült. Then a vacuum was created in the sintering chamber and the pressure increased to 60 MPa. The material was heated at 100K / min to 1035 ° C and held at this temperature until complete compression (about 5 min). Thereafter, the material was cooled to room temperature (about 12 minutes) and the chamber was purged with nitrogen as an inert gas.
Zur Messung des piezoelektrischen Effekts wurde ein Aufbau gemäß. For the measurement of the piezoelectric effect, a construction was made according to.
Fig. 5: Schema zum Meßaufbau verwendet. Dargestellt ist eine Probe 1 , horizontale Elektroden 2, ein Piezoaktor 3, ein Isolator 4 und eine Metallabschirmung 5. Fig. 5: scheme used for measurement setup. Shown is a sample 1, horizontal electrodes 2, a piezoelectric actuator 3, an insulator 4 and a metal shield 5.
Der Meßaufbau besteht aus einem metallischen Grundgerüst, welches die zu untersuchende Probe zwischen zwei isolierenden Korundplatten an einen Piezoaktor fixiert. The measuring setup consists of a metallic framework, which fixes the sample to be examined between two insulating corundum plates to a piezoactuator.
Mit Hilfe eines Generators wurde eine Sinusspannung von 10Hz und 20V angelegt und durch den Aktor in eine dynamische mechanische Belastung der Probe umgewandelt. Zunächst erfolgte eine Referenzmessung mit einem kommerziellen gestapelten Blei-Zirkonat-Titanat-Piezoelement (7,95 V± 0,27V) und eine Nullmessung mit Glas, um das Grundrauschen der Messung zu bestimmen (4,5mV ± 0,1 mV). Alle Messungen erfolgten mehrfach. Die verwendeten Proben wurden auf ihre Leitfähigkeit überprüft, so dass ein sofortiger Ladungsaustausch durch einen Kurzschluss ausgeschlossen werden konnte. Der undotierte Calciumtitanoxidfest- körper erzeugte ein Antwortsignal von 78 mV ± 10,1 mV. Die Höhe des piezoelektrischen Signals konnte durch die obige Eisendotierung des Calciumtitanoxids auf 122 mV ± 12,2 mV verstärkt werden. Die mechanischen Eigenschaften des undotierten Caiciumtitanoxidfestkörpers wurden mit einem CETR-Apex Mikroindenter (Bruker Nano) nach DIN EN ISO 14577 charakterisiert. Bei einer Prüfkraft von 750 mN beträgt das Elastizitätsmo- dul des Calciumtitanoxids (203 ± 7) GPa. Using a generator, a sine voltage of 10 Hz and 20 V was applied and converted by the actuator into a dynamic mechanical load of the sample. First, a reference measurement was made with a commercial stacked lead zirconate titanate piezo element (7.95V ± 0.27V) and a zero measurement with glass to determine the noise floor of the measurement (4.5mV ± 0.1mV). All measurements were made several times. The samples used were checked for their conductivity, so that an immediate charge exchange could be excluded by a short circuit. The undoped calcium titanium oxide solid generated a response signal of 78 mV ± 10.1 mV. The height of the piezoelectric signal could be increased to 122 mV ± 12.2 mV by the above iron doping of the calcium titanium oxide. The mechanical properties of the undoped Caiciumtitanoxidfestkörpers were characterized with a CETR Apex microindenter (Bruker Nano) according to DIN EN ISO 14577. At a test force of 750 mN, the modulus of elasticity of the calcium titanium oxide (203 ± 7) is GPa.

Claims

Patentansprüche claims
1. Formkörper, aufweisend oder bestehend aus Calciumtitanoxid, wobei das Calciumtitanoxid piezoelektrisch ist und A molded article comprising or consisting of calcium titanium oxide, wherein the calcium titanium oxide is piezoelectric and
- das piezoelektische Calciumtitanoxid zu größer 98 Atom% aus Ca, Ti und - The piezoelectric calcium titanium oxide to greater than 98 atom% of Ca, Ti and
O besteht und Nanostrukturdefekte aufweist oder O exists and has nanostructure defects or
- das piezoelektrische Calciumtitanoxid mit bis zu 10 Atom% - bezogen auf alle Ca und Ti Atome zusammen - als Dotierung Mg-, Mn-, Ba-, Sr- und/oder Fe-Atome enthält,  - The piezoelectric calcium titanium oxide with up to 10 atom% - based on all Ca and Ti atoms together - contains as doping Mg, Mn, Ba, Sr and / or Fe atoms,
und der Formkörper piezoaktiv ist. and the shaped body is piezoactive.
2. Formkörper nach Anspruch 1 , wobei der Formkörper einen metallischen Grundkörper umfasst, der selbst nicht piezoelektrisch ist und auf der Oberfläche mit piezoelektrischem Calciumtitanoxid beschichtet wurde. 2. Shaped body according to claim 1, wherein the shaped body comprises a metallic base body, which itself is not piezoelectric and has been coated on the surface with piezoelectric calcium titanium oxide.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nanostrukturdefekte ausgewählt sind aus einem oder mehreren Mitgliedern der Gruppe: Leerstellen, Fehlstellen, Versetzungen, Einschlüsse von Mg-, Mn-, Ba-, Sr- und/oder Fe-Atomen, Grenzflächen und Kristallitgrößen im Bereich 10 nm bis 300 nm, bevorzugt 50 nm bis 120 nm, bestimmt durch Röntgenbeugung. A molded article according to claim 1 or 2, wherein the nanostructure defects are selected from one or more members of the group: vacancies, voids, dislocations, inclusions of Mg, Mn, Ba, Sr and / or Fe atoms, interfaces and Crystallite sizes in the range 10 nm to 300 nm, preferably 50 nm to 120 nm, determined by X-ray diffraction.
4. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nanostrukturdefekte Gitterparameteränderungen hervorrufen und die relativen Gitterparameteränderungen bevorzugt 0.5 bis 3 Promille betragen. 4. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the nanostructured defects cause lattice parameter changes and the relative lattice parameter changes are preferably 0.5 to 3 parts per thousand.
5. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper ein Elastizitätsmodul von kleiner 70 GPa, bevorzugt 5 GPa bis 50 GPa aufweist. 5. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the shaped body has a modulus of elasticity of less than 70 GPa, preferably 5 GPa to 50 GPa.
6. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper oder der metallische Grundkörper des Formkörpers nach Anspruch 2 einen Metallschwamm aufweist oder aus diesem besteht. 6. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the shaped body or the metallic base body of the shaped body according to claim 2 comprises a metal sponge or consists of this.
7. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper, abgesehen von dem piezoelektrischen Calciumtitanoxid, oder der metallische Grundkörper des Formkörpers nach Anspruch 2 aus einer Titan-ba- sierten Legierung besteht, vorzugsweise einer Titan/Mangan- oder einer Titan/Va- nadium/Aluminium - Legierung. 7. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the shaped body, apart from the piezoelectric calcium titanium oxide, or the metallic base body of the shaped body according to claim 2 of a titanium-based alloy, preferably a titanium / manganese or a titanium / Va - nadium / aluminum alloy.
8. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Caiciumtitanoxid als Dotierung Mg und/oder Fe enthält. 9. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Caiciumtitanoxid durch Sol-Gel-Synthese hergestellt ist, vorzugsweise 8. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the piezoelectric Caiciumtitanoxid contains as doping Mg and / or Fe. 9. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the piezoelectric Caiciumtitanoxid is prepared by sol-gel synthesis, preferably
a) mit einem Atomverhältnis von Ca zu Ti von 0,8 (Ca) zu 1 (Ti) bis 1 (Ca): 0,8 (Ti), vorzugsweise 0,9 (Ca) zu 1 (Ti) bis 1 (Ca) zu 0,a) with an atomic ratio of Ca to Ti from 0.8 (Ca) to 1 (Ti) to 1 (Ca): 0.8 (Ti), preferably 0.9 (Ca) to 1 (Ti) to 1 (Ca to 0,
9 (Ti) und insbesondere von 0,85 bis 0,98 (Ca) zu 1 (Ti) oder 1 (Ca) zu 0,98 bis 0.85 (Ti) und/oder 9 (Ti) and in particular from 0.85 to 0.98 (Ca) to 1 (Ti) or 1 (Ca) to 0.98 to 0.85 (Ti) and / or
b) bei Dotierung bis zu 10% der Ti- oder Ca- Atome durch andere Atome ersetzt werden. b) when doping up to 10% of the Ti or Ca atoms are replaced by other atoms.
10. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper aus piezoelektrischem Caiciumtitanoxid besteht und das piezoelektrische Caiciumtitanoxid als Vollkörper eingesetzt wird, und der Vollkörper vorzugsweise durch Sintern nach der FAST Methode oder einem additiven Verfahren hergestellt ist. 10. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the shaped body consists of piezoelectric Caiciumtitanoxid and the piezoelectric Caiciumtitanoxid is used as a solid body, and the solid body is preferably prepared by sintering by the FAST method or an additive method.
11. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkörper ein Implantat ist, vorzugsweise ein lasttragendes orthopädisches Implantat. 11. Shaped body according to at least one of the preceding claims, wherein the shaped body is an implant, preferably a load-bearing orthopedic implant.
12. Formkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, wobei das piezoelektrische Caiciumtitanoxid direkt oder über zumindest eine Zwischenschicht auf den metallischen Grundkörper aufgebracht ist. 12. Shaped body according to at least one of the preceding claims 2 to 10, wherein the piezoelectric Caiciumtitanoxid is applied directly or via at least one intermediate layer on the metallic base body.
13. Verwendung von Caiciumtitanoxid als piezoelektrischer Vollkörper, wobei der Vollkörper durch Sintern oder ein additives Verfahren erzeugt wurde, oder als pie- zoelektrisches Beschichtungsmaterial für einen Formkörper, 13. Use of calcium titanium oxide as a piezoelectric solid body, wherein the solid body was produced by sintering or an additive process, or as a piezoelectric coating material for a shaped body,
wobei das Caiciumtitanoxid piezoelektrisch ist und zu größer 98 Atom% aus Ca, Ti und O besteht und Nanostrukturdefekte aufweist oder das Caiciumtitanoxid mit bis zu 10 Atom% - bezogen auf alle Ca und Ti Atome zusammen - als Dotierung Mg, Mn, Ba, Sr und/oder Fe enthält, wherein the Caiciumtitanoxid is piezoelectric and consists of greater than 98 atomic% of Ca, Ti and O and nanostructure defects or the Caiciumtitanoxid with up to 10 atom% - related to all Ca and Ti atoms together - as doping Mg, Mn, Ba, Sr and contains / or Fe,
wobei der Vollkörper und der Formkörper vorzugsweise ein Implantat oder Teil eines Implantats ist. wherein the solid body and the molded body is preferably an implant or part of an implant.
14. Anordnung umfassend den Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, vorzugsweise als Implantat, und eine Quelle zum Erzeugen eines elektrischen o- der magnetischen Feldes. 14. Arrangement comprising the shaped body according to one of claims 1 to 12, preferably as an implant, and a source for generating an electric or magnetic field.
15. Verfahren umfassend das Aussetzen des in den Körper eingesetzten Implantats nach Anspruch 11 einem elektrischen oder magnetischen Feld. 15. A method comprising exposing the implant inserted into the body according to claim 11 an electric or magnetic field.
16. Verwendung des Formkörpers nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche als Implantat, insbesondere als Knochenimplantat, 16. Use of the shaped body according to at least one of the preceding claims as an implant, in particular as a bone implant,
17. Verwendung des Formkörpers nach Anspruch 16, wobei weiterhin eine außerhalb des Körpers angebrachte Kondensator- oder Spulenanordnung zur Wechselfelderzeugung im Bereich 3 Hz bis 200 Hz eingesetzt wird. 17. The use of the shaped body according to claim 16, wherein furthermore an outside of the body mounted capacitor or coil arrangement for the alternating field generation in the range 3 Hz to 200 Hz is used.
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