DE2134925B2 - Titanium alloy bone implant - Google Patents
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Description
Für chirurgische Implantate sind rostfreier Stahl (Normen: USA ASTM F 55, ASTM F 56; GB Brit. Standard 3531-1962), Kobalt-Legierungen der Zusammensetzung 0,4°o C, 0,3 % Si, 0,5 % Mn, 30,8 % Cr, 5,1% Mo, 0,7% Fe und Rest Co (Normen: USA ASTM F 54; British Standard 3531-1962), Titan (Normen: USA ASTM F 67-66; British Standard 3531-1962/1967) und eine Ti 6 Al 4 V-Legierung (Norm für klinische Teste in USA: ASTM 1968) bekannt.For surgical implants stainless steel (standards. USA ASTM F 55, ASTM F 56; GB Brit Standard 3531-1962), cobalt alloys of the composition 0.4 ° o C, 0.3% Si, 0.5% Mn , 30.8% Cr, 5.1% Mo, 0.7% Fe and the rest Co (standards: USA ASTM F 54; British Standard 3531-1962), titanium (standards: USA ASTM F 67-66; British Standard 3531 -1962/1967) and a Ti 6 Al 4 V alloy (standard for clinical tests in USA: ASTM 1968).
Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen der obengenannten Zusammensetzung und Legierungen der Zusammensetzung 0,1 % C, 1,1 % Si, 0,7 % Mn, 28,3 % Cr, 24,4% Ni und Rest Co werden auch für zahnärztliche Implantate verwendet.Cobalt-chromium-molybdenum alloys of the above Composition and alloys of the composition 0.1% C, 1.1% Si, 0.7% Mn, 28.3% Cr, 24.4% Ni and the balance Co are also used for dental implants.
Diese Implantate werden operativ subperiostal im Kiefer verankert und mit Gewebe überdeckt. An herausragenden Stiften tragen sie Prothesen. Wegen ungenügender Verträglichkeit fehlen Dauererfolge. Abstoßende Reaktionen und Entzündungen zeigen sich häufig. Bei Kontakt mit Metallen wird gewöhnlich auch Zahnfleischschwund beobachtet.These implants are surgically anchored subperiosteally in the jaw and covered with tissue. Outstanding They wear prostheses with pens. Long-term successes are lacking due to insufficient tolerance. Repulsive Reactions and inflammation are common. When in contact with metals it is common also observed gum recession.
Kobelt-Chrom-Molybdän-, Nickel-Chrom- und Gold-Legierungen sind Gußlegierungen. Forderungen an solche Materialien für Implantate und Prothetik sind: Niedriger Schmelzpunkt, gutes Fließverhalten, genügende mechanische Festigkeit, Härte und nicht geringe Duktilität, Gewebefreundlichkeit.Kobelt-Chromium-Molybdenum, Nickel-Chromium and Gold alloys are cast alloys. Requirements for such materials for implants and prosthetics are: low melting point, good flow behavior, sufficient mechanical strength, hardness and not low ductility, tissue friendliness.
Im lebenden Gewebe korrodieren alle Metalle mehr oder weniger stark, und auch bei nicht sichtbarem Angriff tritt eine Reaktion des Gewebes auf: Mit der Korrosion wird das Metall in Hydroxyde und Oxyde übergeführt, welche im Elektrolyt der Gewebeflüssigkeit dissoziieren und im Bereich der Gewebezellen eine lokale, jedem Metall spezifische Reaktion auslösen. Gewisse Metalle hemmen das Zellwachstum bis zur toxischen Reaktion, andere sind neutral.In living tissue, all metals corrode to a greater or lesser extent, even if they are not visible Attack occurs a reaction of the tissue: With the corrosion, the metal turns into hydroxides and oxides transferred, which dissociate in the electrolyte of the tissue fluid and in the area of the tissue cells trigger a local reaction that is specific to each metal. Certain metals inhibit cell growth up to the toxic reaction, others are neutral.
Von den Gußlegierungen ist folgendes bekannt:The following is known of the cast alloys:
Goldlegierungen weisen einen Schmelzpunkt, zwischen 900 und 10000C auf, haben eine Vickershärte von etwa 200 Kp/mm2, eine Dehnungsgrenze von 20% und zeigen in Körperflüssigkeit einen Korrosionsstrom von etwa 10-' A/cm2, entsprechend einem Angriff von etwa 10 μg/cm^ d.Gold alloys have a melting point between 900 and 1000 ° C., have a Vickers hardness of about 200 Kp / mm 2 , an elongation limit of 20% and show a corrosion current of about 10- 'A / cm 2 in body fluid, corresponding to an attack of about 10 µg / cm ^ d.
Die obenerwähnten Kobalt-Legierungen besitzen eine Schmelztemperatur von 1300 bis 1400° C, haben eine Vickershärte von etwa 250, eine Dehnungsgrenze von 8% und verursachen einen Korrosionsstrom von etwa 10_e A/cm2, entsprechend einem Angriff von etwa 0,1 μg/cmad.The above-mentioned cobalt alloys have a melting temperature of 1300 to 1400 ° C, have a Vickers hardness of about 250, an ultimate elongation of 8% and cause a corrosion current of about 10_ e A / cm 2, corresponding ug an attack of about 0.1 / cm a d.
Diese Zahlen zur Korrosion wurden elektrochemisch in vivo am Kaninchen gemessen. Das Metall war im Muskel implantiert. Nach Ende des Versuches von 3 bis 9 Wochen wurde das am Metall anliegende Gewebe histologiEch untersucht. Es zeigte sich in allen Fällen eine Abkapselung des Metalls durch Bindegewebe, also eine typische Fremdkörperreaktion.These corrosion figures were measured electrochemically in vivo on rabbits. The metal was in Implanted muscle. After the end of the experiment of 3 to 9 weeks, the tissue attached to the metal became histologically examined. In all cases, the metal was encapsulated by connective tissue, so a typical foreign body reaction.
Gleiche Versuche für Titan und Zirkonium ergaben Korrosionsströme von 10-10 A/cm2 und weniger, entsprechend einem Angriff von weniger 0,005 ^g/cm'-d. Die Histologie zeigte kein Abkapseln, nur ein feines lockeres Bindegewebe in der Axt einer Auffüllreaktion, und das am Metall anliegende Gewebe war auch vaskularisiert, d. h. von voller Vitalität.Similar tests for titanium and zirconium revealed corrosion currents of 10- 10 A / cm 2 or less, corresponding to a charge from less than 0.005 g ^ / C M'-d. The histology showed no encapsulation, just a fine, loose connective tissue in the ax of a replenishment reaction, and the tissue attached to the metal was also vascularized, ie of full vitality.
Titan und Zirkonium sind weiche Metalle (siehe z.B. A. D. McQuillan und M. K. McQ uillan: »Titanium«, Metallurgy of the Raser Metals, Vol. 4, Butterworths Scientific Publications, London 1956: G. L. Miller: »Zirkonium«, Metallurgy of the Raser Metals, Vol. 2, Butterworths Scientific Publications, London 1957). Den Festigkeitsanforderungen für Implantate der Materialien für Zahnprothetik genügen sie im gegossenen oder geglühten Zustand nicht. Auch sind die Gießverfahren wegen des hohen Schmelzpunktes und der Reaktivität nicht einfach.Titanium and zirconium are soft metals (see e.g. A. D. McQuillan and M. K. McQ uillan: "Titanium", Metallurgy of the Raser Metals, Vol. 4, Butterworths Scientific Publications, London 1956: G. L. Miller: "Zirconium", Metallurgy of the Raser Metals, Vol. 2, Butterworths Scientific Publications, London 1957). The strength requirements for implants of materials for dental prosthetics they are not sufficient in the cast or annealed state. Also, the casting process is because of the high Melting point and reactivity not easy.
Eine Ti-Zr-Legierung ist als Vorlegierung bekannt. Binäre Legierungen von Ti und Zr finden keine Anwendung, obwohl folgende Eigenschaften bekannt sind:A Ti-Zr alloy is known as a master alloy. Binary alloys of Ti and Zr do not find any Application, although the following properties are known:
Schmelzpunkt der Legierung 50Ti 50Zr (Gewichtsprozente) ist 1610° C, also etwa 100" niedriger als Ti und etwa 250° C niedriger als Zr. Sie weist höhere Festigkeiten als die Reinmetalle und gute Duktilität auf.The melting point of the alloy 50Ti 50Zr (percentages by weight) is 1610 ° C, about 100 "lower than Ti and about 250 ° C lower than Zr. It has higher strengths than pure metals and good ductility on.
Das Knochenimplantat nach der vorliegenden Erfindung, das sich für chirurgische und zahnärztliche Zwecke verwenden läßt, ist nun dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Ti-Zr-Legierung besteht, die in Gewichtsprozenten 25 bis 75%, vorzugsweise 50% Zr, Rest Titan und höchstens 3 % herstellungsbedingte Verunreinigungen und festigkeitssteigernde Zusätze enthält.The bone implant according to the present invention, which is useful for surgical and dental Purposes can be used, is now characterized in that it consists of a Ti-Zr alloy, which in percent by weight 25 to 75%, preferably 50% Zr, the remainder titanium and a maximum of 3% production-related Contains impurities and additives that increase strength.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1 294 029 ist eine Titan-Legierung aus 10 bis 50% Zirkonium, bis
zu 10% Eisen, Rest Titan, bekannt, die duktil, fest und sehr korrosionsbeständig ist. Aus der Beständigkeit
solcher Legierungen gegenüber Säuren ergibt sich noch kein direkter Hinweis für die Eignung solcher
Werkstoffe als Knochenimplantate, da hierbei andere Gesichtspunkte und komplexere Vorgänge eine Rolle
spielen. Insbesondere werden kleinste Korrosionsgeschwindigkeiten gefordert, wobei weniger die Zerstörung
als solche eine Rolle spielt, sondern daß die Korrosionsprodukte, welche auftreten, nicht toxisch
sind. Es ist bei der Wahl des Materials für die Implantate dafür zu sorgen, daß kein Metall in den
Körper gelangt, das als Fremdkörper mit latenter Inkompatibilität sich erweist.
Die folgende Tabelle gibt gemessene Eigenschaften, welche im Hinblick auf die Anwendung als Implantat
wichtig sind.The German Auslegeschrift 1 294 029 discloses a titanium alloy composed of 10 to 50% zirconium, up to 10% iron, the remainder titanium, which is ductile, strong and very corrosion-resistant. The resistance of such alloys to acids does not yet provide any direct indication of the suitability of such materials as bone implants, since other aspects and more complex processes play a role here. In particular, very low corrosion rates are required, with the destruction as such playing less of a role, but rather that the corrosion products which occur are nontoxic. When choosing the material for the implants, care must be taken that no metal gets into the body that turns out to be a foreign body with latent incompatibility.
The following table gives measured properties which are important with regard to the application as an implant.
Die Festigkeiten der Legierungen lassen sich durch Kaltverformen noch um etwa 30 kg/mm2 steigern, ohne daß die Dehnungen auf weniger als 15 % abfallen.The strength of the alloys can be increased by about 30 kg / mm 2 by cold working without the elongation dropping to less than 15%.
Die hohen Festigkeiten machen binäre Ti-Zr-Legierungen mit 25 bis 75% Zr hervorragend für Implantate geeignet, und zwar als geschmiedetes oder gegossenes Metall.The high strengths make binary Ti-Zr alloys with 25 to 75% Zr excellent for Suitable for implants, as forged or cast metal.
TiTi
Ti 15Zr Legierung (Gewichtsprozent)
Ti 35 Zr I TiSOZr | Ti 65 ΣTi 15Zr alloy (weight percent)
Ti 35 Zr I TiSOZr | Ti 65 Σ
Festigkeitsdaten des
warmgewalzten und
geglühten Metalls
α,,ιαχ in kg/mm2 ....
δ in % Strength data of the
hot rolled and
annealed metal
α ,, ιαχ in kg / mm 2 ....
δ in%
Elastizitätsmodul
in kg/mm2 modulus of elasticity
in kg / mm 2
Schmelzpunkt in 0C...Melting point in 0 C ...
Korrosion corrosion
G ewebeverträglichkeitTissue compatibility
55 4055 40
10 600 172010 600 1720
70 31 95
2370 31 95
23
100
21100
21
1130011300
j 1610
Legierung wie Reinmetalle
Legierung wie Reinmetallej 1610
Alloy like pure metals
Alloy like pure metals
95
2595
25th
16901690
70 2970 29
60 3260 32
11000 186011000 1860
Der niedrige Elastizitätsmodul ist von biomechanischen Zielen her von hoher Bedeutung; Implantate müssen neben genügender Festigkeil nämlich eine der Funktion des Knochens angepaßte Steifigkeit haben, und der gleichbleibend niedrige Elastizitätsmodul ermöglicht auch weniger steife Implantate, bei gleicher Festigkeit, zu machen.The low modulus of elasticity is of great importance for biomechanical goals; Implants In addition to a sufficient strength wedge, they must have a rigidity that is adapted to the function of the bone, and the consistently low modulus of elasticity also enables less stiff implants with the same Strength to make.
Das Minimum des Schmelzpunktes bei etwa 50% Zr erleichtert das Gießen des Materials, und es wurde auch gefunden, daß Legierungen mit 25 bis 75% Zr sehr »flüssig« sind und Gießformen sehr gut füllen. The minimum of the melting point at about 50% Zr facilitates casting of the material, and it has been also found that alloys with 25 to 75% Zr are very "liquid" and fill casting molds very well.
Das Korrosioi^verhalten und die Gewebeverträglichkeit der Legierungen sind ebenso hervorragend wie jene der Reinmetalle. Der Knoc'.en ist ebenso voll vital, sogar kann gelegentlich von einem eigentlichen Stimulieren der Knochenbildung gesprochen werden. Andererseits zeigte sich, daß die spanabhende Formgebung der Legierung vergleichbar zu Titan bleibt. Ebenso lassen sich gleichermaßen Oberflächenbehandlungen durchführen, wobei Oxyde, Nitride oder Karbide durch Behandlungen in der Wärme (Gas, Salze usw.) oder das Oxydieren anodisch geschieht. The corrosion behavior and the tissue compatibility the alloys are just as excellent as those of the pure metals. The Knoc'.en is also full vital, one can even occasionally speak of an actual stimulation of bone formation. On the other hand, it was found that the machining shape of the alloy remains comparable to that of titanium. Surface treatments can also be carried out in the same way, with oxides, nitrides or Carbides through treatments in heat (gas, salts, etc.) or the anodizing is done.
Technisch reines Titan enthält bis zu 3% die so Elemente Fe, O2, N2 ujw. als Verunreinigungen oder festigkeitssteigernde Zusätze. Solche Zusätze können in den erfindungsgemäßen Legierungen enthalten sein. Aus diesen Legierungen lassen sich Implantate der Knochenchirurgie, wie Platten, Schrauben, Knochennägel usw., herstellen, und zwar als Guß, du-?h Schmieden oder durch zerspanende Formgebung. Für die Zahnprothetik wird das Gußverfahren verwendet. Bei Implantaten der Zahnchirurgie können Gußverfahren oder Schmieden und zerspanende Formgebung angewandt sein; ein solches Implantat wird beispielsweise in den Knochen des Kiefers eingetrieben, wo es verwächst, oder an diesem verschraubt und bis auf herausragende Stummel mit Gewebe überdeckt, wobei an diesen darm Prothesen befestigt werden. Die geschmiedete Legierung hat den Vorteil, daß sie vollständig homogen ist, und die Korngröße, welche für die Dehnung wichtig sein kann, durch den Umformungsprozeß und Glüliungen einstellbar ist.Technically pure titanium contains up to 3% of the elements Fe, O 2 , N 2 and so on. as impurities or strength-increasing additives. Such additives can be contained in the alloys according to the invention. Bone surgery implants, such as plates, screws, bone nails, etc., can be produced from these alloys, specifically as casts, forging or by machining. The casting process is used for dental prosthetics. In the case of implants in dental surgery, casting processes or forging and machining can be used; Such an implant is driven, for example, into the bone of the jaw, where it grows together, or screwed to it and covered with tissue except for protruding stubs, prostheses being attached to these. The forged alloy has the advantage that it is completely homogeneous, and the grain size, which can be important for elongation, can be adjusted by the deformation process and annealing.
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