DE69924321T2

DE69924321T2 - Medizinischer Gegenstand aus Aluminiumoxydkeramik

Info

Publication number: DE69924321T2
Application number: DE69924321T
Authority: DE
Inventors: Syunzo Hiroshima-shi Tashima; Toshihiko Gamo-gun Shimotoso; Yoshio Gamo-gun Taniguchi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: EP0968728A3; DE69924321D1; JP2000016863A; EP0968728B1; US6241773B1; EP0968728A2

Description

Diese Erfindung betrifft einen biomedizinischen Gegenstand, der aus einer Aluminiumoxid-Keramik hergestellt ist, und insbesondere einen biomedizinischen Gegenstand aus einer Aluminiumoxid-Keramik, die eine hohe Festigkeit und ein hervorragendes Gleitvermögen aufweist.
Als künstliche Knochenelemente, wie z.B. ein künstliches Hüftgelenk, ist ein künstliches Hüftgelenk bekannt, das eine Kombination aus einem Polymermaterial umfasst (z.B. Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht). Dabei bestand jedoch das Problem, dass der lange Gebrauch der Gelenkspfanne, die aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht hergestellt ist, im lebenden Körper einen Verschleiß der Gelenkspfanne verursacht, was zu einer Verschiebung zwischen den implantierten künstlichen Knochen und den natürlichen Knochen im lebenden Körper aufgrund von Verschleißpulver führt. Es gab auch Bedenken dahingehend, dass ein Verschleißpulver aus Metall einen negativen Einfluss auf den lebenden Körper ausübt. Ferner unterliegt eine Zirkoniumoxidkeramik bei einem langen Gebrauch einem Kristallphasenumwandlungsphänomen, wodurch die mechanische Festigkeit vermindert wird.
Zur Lösung dieser Probleme wurden verschiedenartige Forschungen und Entwicklungen bezüglich künstlicher Knochenelemente durchgeführt. Als Beispiel wurde die Verwendung von Aluminiumoxidkeramiken aufgrund der Unschädlichkeit für den menschlichen Körper vorgeschlagen.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 51-67693 beschreibt einen Schaftkopf, der aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist, die ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99,7 Gew.-%, einer Dichte von nicht weniger als 3,90 g/cm³ und einer durchschnittlichen Kristallkorngröße von nicht mehr als 10 μm umfasst. Dieses künstliche Knochenelement kann den Verschleiß einer Gelenkspfanne, die aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht hergestellt ist, vermindern. Dessen mechanische Festigkeit ist jedoch unzureichend.
Das japanische Patent Nr. 257912 beschreibt einen Schaftkopf, der aus einer polykristallinen Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist, die ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,5 bis 99,9 Gew.-% und ein Oxid von mindestens einem Element, das aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca, Ba, Sr, Sc, Y, La und C ausgewählt ist, als Sintermittel umfasst. Auch die japanische Patentveröffentlichung Nr. 7-94344 beschreibt einen Schaftkopf, der aus einer polykristallinen Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist, die ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99,9 Gew.-% und ein Oxid von mindestens einem Element, das aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca, Ba, Sr, Sc, Y, La und C ausgewählt ist, als Sintermittel umfasst.
Diese bekannten künstlichen Knochenelemente weisen jedoch die folgenden Probleme auf. Die Aluminiumoxidkeramiken, die das künstliche Knochenelement bilden, umfassen ein Sintermittel. Das Sintermittel verursacht in einem Sinterkörper glasartige Korngrenzenschichten, wodurch es unmöglich wird, die Dreipunkt-Biegefestigkeit der Aluminiumoxidkeramik auf mehr als 640 MPa zu erhöhen, was beträchtlich niedriger ist als bei Zirkoniumoxidkeramiken, die eine Festigkeit von etwa 1200 MPa aufweisen. Demgemäß ist es wahrscheinlich, dass das künstliche Knochenelement, das aus einer solchen Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist, im lebenden Körper bricht.
Andererseits führt die Verminderung der Zugabe des Sintermittels zu einer schlechten Dispersion des Sintermittels, was aufgrund einer unzureichenden Hemmung des Kristallkornwachstums zu einer partiellen Zunahme der Kristallkorngröße und folglich zu Unregelmäßigkeiten bei der Kristallkorngröße des Sinterkörpers führt. Folglich vermindert sich die mechanische Festigkeit der Aluminiumoxidkeramik.
Das aus Aluminiumoxidkeramik hergestellte künstliche Knochenelement weist bezüglich einer Gelenkspfanne, die aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht hergestellt ist, ein verbessertes Gleitvermögen auf. Im Hinblick auf die Verminderung oder den Ausschluß eines Verschleißpulvers könnte vermutet werden, dass es aufgrund der großen Härte der Keramik vorteilhaft ist, ein künstliches Gelenk, das aus einer Keramik hergestellt ist, und eine künstliche Gelenkspfanne, die aus einer Keramik hergestellt ist, zu kombinieren. Es gab jedoch bisher keine technischen Vorschläge für verbesserte Aluminiumoxidkeramiken mit einem hervorragenden Gleitvermögen, insbesondere an einer Keramik-Keramik-Grenzfläche, um den vorteilhaften Effekt der Aluminiumoxidkeramik zu nutzen. Diese Aufgabe verlangt nach einer genauen Untersuchung biomedizinischer Gegenstände.
Die WO 95/28364 beschreibt Al₂O₃-Sintermaterialien, die aus Korundpulver hergestellt sind, ein Verfahren zur Herstellung dieser Materialien und deren Verwendung als Implantate für den Menschen oder als Material für Werkzeuge.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen künstlichen biomedizinischen Gegenstand bereitzustellen, der die Probleme des Standes der Technik beseitigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen künstlichen biomedizinischen Gegenstand bereitzustellen, der aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist, die im Wesentlichen die gleiche mechanische Festigkeit (Dreipunkt-Biegefestigkeit) wie eine Zirkoniumoxidkeramik aufweist und nicht nur ein hervorragendes Gleitvermögen bezüglich eines Gegenstands aufweist, der aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht hergestellt ist, sondern auch ein hervorragendes Gleitvermögen bezüglich eines Gegenstands, der aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist.
Die Lösung des vorstehend genannten technischen Problems wird durch die Bereitstellung des Gegenstands erreicht, der in den Ansprüchen 1 bis 5 definiert ist.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein biomedizinischer Gegenstand aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt, die ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99,95 % und unvermeidliche Verunreinigungen als restliches Material umfasst. Die Aluminiumoxidkeramik enthält kein Sintermittel und weist eine Dichte von nicht weniger als 3,96 g/cm³ auf.
Dieser biomedizinische Gegenstand kann als künstliches Gelenkelement verwendet werden, das eine hohe Festigkeit und ein hohes Gleitvermögen aufweist. Die Aluminiumoxidkeramik weist im Wesentlichen die gleiche Festigkeit auf wie eine Zirkoniumoxidkeramik und behält die erforderliche Festigkeit über einen längeren Zeitraum bei. Demgemäß kann die Aluminiumoxidkeramik zusätzlich zu der Verwendung als Gelenkelement als künstlicher Knochen und als Knochenverstärkungselement verwendet werden.
1 ist eine partielle Seitenschnittansicht eines künstlichen Hüftgelenks, bei dem ein Schaftkopf und eine Gelenkspfanne eingesetzt werden, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Stift zum Verbinden von Rippen gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
3 ist eine partielle Schnittansicht, die eine gebrochene Rippe zeigt, in welche der in der 2 gezeigte Stift eingesetzt ist, und
4 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau einer pin-on-disk-Testvorrichtung zeigt, die zur Messung des Verschleißverlusts von Keramikproben verwendet wird.
Die Aluminiumoxidkeramik für einen erfindungsgemäßen biomedizinischen Gegenstand umfasst ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99,95 % und unvermeidliche Verunreinigungen. Es wird jedoch keinerlei Sintermittel zugesetzt. Die Aluminiumoxidkeramik weist eine durchschnittliche Kristallkorngröße von nicht mehr als 1 μm und eine Dichte von nicht weniger als 3,96 g/cm³ auf.
Wenn der Gehalt des Aluminiumoxids weniger als 99,95 Gew.-% beträgt, ist der Gehalt an unvermeidlichen Verunreinigungen größer, was folglich die Bildung von Korngrenzenschichten verursacht und die mechanische Festigkeit vermindert. Daher darf der Gehalt des Aluminiumoxids nicht kleiner als 99,95 Gew.-% sein. Wenn der Gehalt der unvermeidlichen Verunreinigungen nicht mehr als 0,05 Gew.-% beträgt, findet eine geringe Bildung der Korngrenzenschicht statt. Demgemäß ist eine hohe mechanische Festigkeit erreichbar.
Die durchschnittliche Kristallkorngröße darf nicht mehr als 1 μm betragen. Eine solche durchschnittliche Kristallkorngröße stellt eine glatte Gleitoberfläche der Aluminiumoxidkeramik sicher, wodurch das Auftreten eines Verschleißpulvers effektiv ausgeschlossen werden kann. Wenn die durchschnittliche Kristallkorngröße 1 μm übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass Kornteilchen von der Gleitoberfläche durch Verschleiß abgetrennt werden, was folglich das Gleitvermögen beeinträchtigt.
Ferner wird der Aluminiumoxidkeramik, die den erfindungsgemäßen biomedizinischen Gegenstand bildet, keinerlei Sintermittel zugesetzt. Die fehlende Zugabe des Sintermittels kann die Wahrscheinlichkeit von Unregelmäßigkeiten bei der Kristallkorngröße ausschließen, die durch die Zugabe eines Sintermittels verursacht werden und die Festigkeit der Aluminiumoxidkeramik oder des Sinterkörpers vermindern.
Die Aluminiumoxidkeramik enthält kein Sintermittel. Insbesondere ist bzw. sind in der Aluminiumoxidkeramik ein Oxid oder Oxide von Ba, Sr, Sc, Y, La und Ce nicht wesentlich enthalten. Die Aluminiumoxidkeramik enthält jedoch ein Oxid von Si, Fe und K als unvermeidliche Verunreinigungen. Ferner sollte beachtet werden, dass die Möglichkeit besteht, dass die Aluminiumoxidkeramik ein Oxid von Mg und Ca als unvermeidliche Verunreinigungen in einer vernachlässigbaren Menge enthält, da diese gewöhnlich in der natürlichen Umgebung vorliegen. Selbst wenn solche Oxide als unvermeidliche Verunreinigungen vorliegen, übersteigt der Gehalt von jedem des Magnesiumoxids und des Calciumoxids 100 ppm nicht.
Demgemäß sollte das Vorliegen von Magnesiumoxid oder Calciumoxid als unvermeidliche Verunreinigungen der Aluminiumoxidkeramik angesehen werden, soweit diese 100 ppm nicht übersteigen, da jedes dieser Oxide bei nicht mehr als 100 ppm keinen nachteiligen Effekt auf die Festigkeit der Aluminiumoxidkeramik ausübt. Diese unvermeidlichen Verunreinigungen werden mit einem spektrochemischen ICP-Emissionsanalysegerät gemessen.
Die Dichte der Aluminiumoxidkeramik beträgt nicht weniger als 3,96 g/cm³. Wenn die Dichte der Aluminiumoxidkeramik weniger als 3,94 g/cm³ beträgt, liegt in der Aluminiumoxidkeramik eine Anzahl von Poren vor, wodurch die mechanische Festigkeit vermindert wird.
Ferner weist die Aluminiumoxidkeramik eine mechanische Festigkeit (Dreipunkt-Biegefestigkeit) von nicht weniger als 750 MPa auf, um ein Brechen im menschlichen Körper zuverlässig zu verhindern.
Die Aluminiumoxidkeramik kann mit den folgenden Schritten hergestellt werden. Einem ultrafeinen Pulver aus Aluminiumoxid, das eine Reinheit von nicht weniger als 99,99 Gew-% und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,21 μm aufweist, wird ein Lösungsmittel (z.B. ionenausgetauschtes Wasser), ein Bindemittel (z.B. ein Acrylpolymer) und ein Dispergiermittel (z.b. ein Polycarbonsäureammoniumsalz) zugesetzt, um ein Gemisch herzustellen. Das Gemisch wird durch eine Drehmühle ausreichend gemischt und dann unter Vakuum entgast, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wird in eine Gipsform gegossen, um einen Körper mit einer gewünschten Form zu erhalten, der wiederum bei einer Temperatur von 1200°C bis 1450°C für 2 Stunden gesintert wird, um eine polykristalline Aluminiumoxidkeramik zu bilden.
Alternativ wird einem ultrafeinen Pulver aus Aluminiumoxid, das eine Reinheit von nicht weniger als 99,99 Gew-% und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,15 μm aufweist, ein Lösungsmittel (z.B. ultrareines Wasser), ein Bindemittel (z.B. ein Acrylpolymer) und ein Dispergiermittel (z.b. ein Polycarbonsäureammoniumsalz) zugesetzt, um ein Gemisch herzustellen. Das Gemisch wird durch eine Drehmühle ausreichend gemischt und dann unter Vakuum entgast, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wird in eine Form eingebracht. Die Form wird in eine Zentrifugalvorrichtung eingesetzt, um durch eine Zentrifugalkraft von nicht weniger als 3000 G einen Körper zu bilden. Der resultierende Körper wird getrocknet und dann bei einer Temperatur von 1200°C bis 1450°C für 2 Stunden gesintert, um eine polykristalline Aluminiumoxidkeramik zu erhalten.
Als nächstes werden erfindungsgemäße Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
Die 1 zeigt eine partielle Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen künstlichen Hüftgelenks, bei dem ein Schaftkopf und ein Gelenkspfannenelement eingesetzt werden. 1 ist ein künstliches Hüftgelenkselement, das einen Metallschaft 3, der in den femolarmedullären Hohlraum eingesetzt wird, und einen Schaftkopf 2 umfasst, der auf einer Spitze des Schafts 3 montiert ist. Die Kopfkugel 2 ist mit dem Schaft 3 mittels eines Stifts verbunden. Die Kopfkugel 2 ist aus der vorstehend genannten Aluminiumoxidkeramik hergestellt, die Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99,95 % und unvermeidliche Verunreinigungen als restliches Material umfasst. Die Aluminiumoxidkeramik weist eine durchschnittliche Kristallkorngröße von nicht mehr als 1 μm auf. Die Aluminiumoxidkeramik enthält jedoch kein Sintermittel.
4 ist eine Gelenkspfanne, die aus der vorstehend genannten Aluminiumoxidkeramik hergestellt und am Azetabulum bereitgestellt ist. Die Gelenkspfanne 4 kann aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht hergestellt sein. Die Kopfkugel 2 ist auf der Gelenkspfanne 4 drehbar.
Die Kopfkugel 2 wird folgendermaßen hergestellt. Es wird ein Gemisch hergestellt, das ein Aluminiumoxidpulver aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,99 Gew.-% und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,22 μm (Taimicron TM-DAR, von Taimei Chemicals Co., Ltd. hergestellt), ionenausgetauschtes Wasser als Lösungsmittel, ein Acrylpolymer als Bindemittel und ein Polycarbonsäureammoniumsalz als Dispergiermittel enthält. Das Gemisch wird mit einer Drehmühle ausreichend gemischt und dann unter Vakuum entgast, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wird in eine Gipsform gegossen, die eine Innenform aufweist, die der Form der Kopfkugel 2 entspricht, um einen Körper herzustellen. Der Körper wird 2 Stunden bei einer Temperatur von 1250°C gesintert, um die Kopfkugel 2 herzustellen. Die gesinterte Aluminiumoxidkeramik weist 99,97 Gew.-% Aluminiumoxid und eine durchschnittliche Kristallkorngröße von 0,8 μm auf.
Alternativ ist es möglich, die Aufschlämmung, die in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt worden ist, in eine Form einzubringen, die eine Gestalt aufweist, die der Gestalt der Kopfkugel 2 entspricht, und die mit der Aufschlämmung gefüllte Form in eine Zentrifugalvorrichtung einzusetzen, um durch eine Zentrifugalkraft von 10 bis 20 kG einen verfestigten Körper mit der vorgegebenen Form zu bilden. Der resultierende verfestigte Körper wird 4 Stunden bei 40°C und 4 Stunden bei 100°C getrocknet, in einen Heißluftofen eingebracht, mit einer Geschwindigkeit von 120°C/Stunde erhitzt und dann 1 Stunde bei 500°C entfettet. Anschließend wurde der Körper mit einer Geschwindigkeit von 200°C/Stunde erhitzt, 1 Stunde bei einer Temperatur von 800°C gebrannt und dann in geeigneter Weise 2 Stunden bei 1250°C gebrannt, um die Kopfkugel 2 zu erzeugen.
Wenn der Gehalt des Aluminiumoxids weniger als 99,95 % beträgt oder die durchschnittliche Kristallkorngröße 1 μm übersteigt, besteht die Befürchtung, dass der Verschleißverlust beträchtlich zunimmt.
Die Aluminiumoxidkeramik, die den erfindungsgemäßen biomedizinischen Gegenstand bildet, weist ein hervorragendes Gleitvermögen auf, wie es aus dem nachstehenden Beispiel ersichtlich ist. Demgemäß kann eine solche Aluminiumoxidkeramik für einen künstlichen Knochen, ein knochenverstärkendes Element und dergleichen verwendet werden, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind, da die mechanische Festigkeit der Aluminiumoxidkeramik mit derjenigen einer Zirkoniumoxidkeramik identisch ist.
Die 2 und die 3 zeigen einen Stift zur Verwendung in einer Rippe als weitere erfindungsgemäße Ausführungsform. Das Bezugszeichen P bezeichnet einen Stift zur Wiederherstellung einer gebrochenen Rippe. Insbesondere wird gemäß der 3 der Stift P, der eine Größe aufweist, die für den medullären Rippenhohlraum eines gebrochenen Abschnitts geeignet ist, in eine gebrochene Rippe B eingesetzt. Die gebrochenen Knochenstücke werden mit einem Draht (nicht gezeigt) in fixierender Weise miteinander verbunden, wodurch die gebrochenen Knochenstücke b1 und b2 gebunden werden.
Der Stift P ist aus der Aluminiumoxidkeramik hergestellt, die ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99,95 % und unvermeidliche Verunreinigungen als restliches Material umfasst und eine Dichte von nicht weniger als 3,94 g/cm³ aufweist, jedoch kein Sintermittel enthält. Diese Aluminiumoxidkeramik, die den Stift P bildet, weist eine mechanische Festigkeit auf, die derjenigen einer Zirkoniumoxidkeramik äquivalent ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Demgemäß ist der Stift P gegenüber einer großen Belastung beständig.
Vorstehend wurden zwei erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung in beliebigen Formen ausgeführt werden kann, ohne vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in breiter Form als künstliche Elemente angewandt werden, die einen Beingelenksabschnitt, andere Knochen, knochenverstärkende Elemente oder dergleichen bilden.
Beispiel
Die Proben Nr. 1 bis 11 wurden durch Mischen von Aluminiumoxidpulver mit einem vorgegebenen Gewichtsprozentsatz an Aluminiumoxid, einem Polycarbonsäureammoniumsalz als Dispergiermittel, einem Acrylpolymer als organisches Bindemittel und Wasser mit einer Drehmühle zur Herstellung einer Aufschlämmung, Einbringen der Aufschlämmung in eine Form mit einer vorgegebenen Form und Anwenden einer Zentrifugalkraft von 15000 G auf die in die Form eingebrachte Aufschlämmung, um einen Körper herzustellen, Entnehmen des Körpers aus der Form und 2 Stunden Sintern des Körpers bei einer Temperatur von 1200°C bis 1500°C hergestellt. Die Proben Nr. 12 bis 16 wurden durch Herstellen der Aufschlämmung in einer Weise, die der Herstellung der Aufschlämmung für die Proben 1 bis 11 entspricht, Gießen der Aufschlämmung in eine Gipsform mit einer vorgegebenen Form und Sintern der Aufschlämmung für 2 Stunden bei einer Temperatur von 1250°C hergestellt. Den Proben Nr. 12 bis 16 wurde jedoch ein MgO-Sintermittel zugesetzt, wobei den Proben Nr. 1 bis 11 kein MgO-Sintermittel zugesetzt worden ist. Der jeweilige Gehalt an Aluminiumoxid, Sintermittel und unvermeidlichen Verunreinigungen der Proben Nr. 1 bis 16 ist in der Tabelle 1 gezeigt.
Jede Probe wurde mit einer Diamantschleifeinrichtung zu einer Größe von 3 mm × 4 mm × 40 mm geschliffen. Die Biegefestigkeit jeder Probe wurde mit dem Biegetest gemessen, der in JIS (JAPANESE INDUSTRIAL STANDARDS)-R-1601 vorgegeben ist. Die durchschnittliche Kristallkorngröße jeder Probe wurde gemäß ASTM-E112 gemessen und die Dichte jeder Probe wurde gemäß JIS-C-2141 gemessen. Zur Bewertung des Verschleißverlusts jeder Probe wurde ferner ein Verschleißtest für jede Probe mit einer pin-on-disk-Testvorrichtung durchgeführt, die nachstehend beschrieben ist. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
In dem Verschleißtest wurde für jede Probe ein Satz aus einem Stiftprüfkörper und einem Scheibenprüfkörper hergestellt. Der Stiftprüfkörper wurde in eine schlanke Form mit einem Außendurchmesser von 6 mm gebracht. Der Stiftprüfkörper wurde ferner mit einem kugelförmigen Abschnitt mit einem Radius von 500 mm an der Spitze ausgebildet. Der Spitzenabschnitt des Stiftprüfkörpers und der Scheibenprüfkörper wurden in dem gleichen Ausmaß abrasiv fertigbearbeitet, wie dies bei der Gleitoberfläche eines Schaftkopfs eines künstlichen Hüftgelenks der Fall ist. Der Scheibenprüfkörper wurde zu einem Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Dicke von 9 mm ausgebildet. Der Stiftprüfkörper und der Scheibenprüfkörper wurden aus der gleichen Aluminiumoxidkeramik ausgebildet, wie sie für jede Probe vorgegeben ist.
Der Aufbau der pin-on-disk-Verschleißverlustmessvorrichtung, die in diesem Beispiel verwendet worden ist, ist in der 4 veranschaulicht. Die Vorrichtung umfasst einen Drehhalter 14 und einen stationären Halter, der über dem Drehhalter 14 bereitgestellt ist. Der Drehhalter 14 weist eine geöffnete Kammer auf, in die ein scheibenförmiger Prüfkörper 12 eingesetzt und eine Schmiermittelflüssigkeit 16 eingebracht wird. Der Drehhalter 14 wird mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gedreht. Der stationäre Halter 13 ist zum Halten eines stiftförmigen Prüfkörpers 11 angepasst. An dem stationären Halter 13 ist ein Belastungselement 15 montiert, um einen Kontakt des stiftförmigen Prüfkörpers 11 mit dem scheibenförmigen Prüfkörper 12 bei einem konstanten Druck sicherzustellen. Bei dieser Vorrichtung wird der Verschleißverlust durch Berechnen der Differenz zwischen dem Gewicht eines ursprünglichen Prüfkörpers und dem Gewicht eines verschlissenen Prüfkörpers gemessen. Mit anderen Worten: Die Gewichtsdifferenz ist als Verschleißverlust des Prüfkörpers definiert.
In dem Verschleißtest wurde destilliertes Wasser als Schmierlösung zugesetzt und auf die Kontaktoberfläche wurde eine Kontaktbelastung von 210 N ausgeübt und dann wurde die Probe 30000 m bei einer Gleitgeschwindigkeit von 40 mm/s gleiten gelassen. Nach dem Abschluss des Verschleißtests wurde das Gewicht des Stifts erneut gemessen, um ein spezifisches Verschleißausmaß zu bestimmen.
Eine chemische Analyse des Sintermittels und der unvermeidlichen Verunreinigungen wurde mittels spektrochemischer ICP-Emissionsanalyse und Atomspektrometrie durchgeführt. Der Gehalt der Aluminiumoxidkeramik wurde durch Subtrahieren des gemessenen Gesamtgewichts des Sintermittels und der unvermeidlichen Verunreinigungen von dem Gesamtgewicht der Keramik erhalten.
Tabelle 1
Wie es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, weisen die Proben Nr. 1 bis 7 jeweils verglichen mit den Proben Nr. 12 bis 16, die das Sintermittel enthalten, eine hervorragende mechanische Festigkeit (d.h. eine hohe Biegefestigkeit) und ein hervorragendes Gleitvermögen (d.h. einen geringen Verschleißverlust) auf. Auch die Proben Nr. 1 bis 7 weisen jeweils eine bessere mechanische Festigkeit und ein besseres Gleitvermögen auf als die Proben Nr. 10 und 11, deren Dichte unter 3,94 g/cm³ liegt. Die Proben Nr. 8 und 9, die eine durchschnittliche Kristallkorngröße von mehr als 1,0 μm haben, weisen einen relativ höheren Verschleißverlust als die Proben Nr. 1 bis 7, jedoch eine hohe mechanische Festigkeit auf.

Claims

Biomedizinischer Gegenstand aus Aluminiumoxid-Keramik, erhältlich durch ein Zentrifugalverfahren, welches 10.000 G bis 20.000 G Zentrifugalkraft anwendet, wobei der biomedizinische Gegenstand ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von nicht weniger als 99,95 %, kein Sintermittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Oxid oder Oxiden von Ba, Sr, Sc, Y, La and Ce, unvermeidliche Verunreinigungen als restliches Material und eine Dichte von nicht weniger als 3,96 g/cm³ aufweist, wobei die Aluminiumoxid-Keramik eine durchschnittliche Kristallkorngröße von nicht mehr als 1,0 μm, eine Dreipunkt-Biegefestigkeit von nicht weniger als 750 MPa und einen Verschleißwiderstand mit einem Verschleißverlust von nicht mehr als 4,60 × 10^–3 mm³/Nm unter dem pin-on-disk-Test aufweist.
Biomedizinischer Gegenstand gemäß Anspruch 1, wobei die Aluminiumoxid-Keramik einen Verschleißwiderstand mit einem Verschleißverlust von nicht mehr als 1,0 × 10^–3 mm³/Nm unter dem pin-on-disk-Test aufweist.
Biomedizinischer Gegenstand gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, wobei der biomedizinische Gegenstand ein künstliches Gelenk ist.
Biomedizinischer Gegenstand gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, wobei der biomedizinische Gegenstand ein künstlicher Knochen ist.
Biomedizinischer Gegenstand gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, wobei der biomedizinische Gegenstand ein künstliches Knochenverstärkendes Element ist.