DE2818630A1 - Verfahren zum binden eines bioglases an metall und hierdurch hergestelltes produkt - Google Patents
Verfahren zum binden eines bioglases an metall und hierdurch hergestelltes produktInfo
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Description
Board ox Äe£ent.3 ox The university of Florida, Tallahassee,
Florida, V. 3t. v. A.
Verfahren zum Binden eines Bioglases an Metall und hierdurch je stellte s Produkt
Έ:: ict bereits vorgeschlagen worden, Metalle zum Bau von künstlichen
Prothesen wie orthopädiechen und Dentaleinrichtungen
zu verwenden. Die biologische Inaktivität von Metalloberflächen nacht eß jedoch unmöglich, eine zementfreie Implantation von
Metallprothecen zu erreichen, da Knochengewebe an diesen nicht
bindet oder auf diesen nicht wächst.
In neuerer Zeit sind verschiedene biologisch aktive G-läser
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zur Herstellung künstlicher Prothesen eingeführt worden. E"
ist "bekannt, daß Knochen und andere "biologische Gewebe an diesen
biologisch aktiven Gläsern bindet oder auf dienen wächst. Die Festigkeitseigenschaften der Gläser sind jedoch derart,
daß es unmöglich ist, aus ihnen genügend feste orthopädische oder Dentaleinrichtungen zu bauen.
Es ist vorgeschlagen worden, Metallsubstrate mit biologisch
aktiven Gläsern zu überziehen, um ausreichend feste orthopädische oder Dentaleinrichtungen zu schaffen, die an Knochengewebe
binden können. Hit der Bindung solcher Gläser an Metalloberflächen sind jedoch zahlreiche Schwierigkeiten verbunden.
Zum Beispiel sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls und der Gläser so unähnlich, sowohl bei den Schmelzpunkten
als auch Erweichungspunkten der Gläser, daß das Abkühlen de3
überzogenen Metallsubstrats zu extremen thermomechanischen Spannungen in den Glas- und Metallschichten führt, welche bei
Freisetzung in dem Glasüberzug Bisse und dergl. hervorrufen.
Die bisherigen Verfahren zum überziehen von Metallen mit Gläsern erfordern notwendigerweise die Verwendung von Gläsern und
Metallen, die im wesentlichen identische Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und jenen Temperaturen, bei denen das Glas fließt,
standhalten. Die bisherigen Verfahren der Technik sind insbesondere dann nachteilig, wenn man ein spezielles Metall mit
einem speziellen hochschmelzenden Glas zu überziehen iränscht,
um ein Produkt mit speziellen Eigenschaften zu erhalten. Die
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normalerweise in dienern ZjUsaEimenhang auftretenden Probleme
sind folgende:
1) übermäßige Zunderbildung des Hetallsubstrats bei den erhöhten
Temperaturen5
2) Verlust an zusammensetzungcmäßiger Eontrolle des Glases
infolge der langen Heizzeiten;
3) übermäßig starke Diffusion von Ketallionen in den Glaskörper;
4) Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten ist wegen der
Tatcache, daß die Auswahl von Glas und lie tall substrat infolge
der angestrebten Anwendung des Produkts festliegt, eigentlich unmöglich.
Es ist möglich, Ketallsubstrate mit (bezüglich der Wärmeausdehnungekoeffizienten)
nicht angepaßtem G-las durch !Flammsprühen
zu überziehen; diese Methode wirft ihrerseits jedoch andere !lachteile nuf, nämlich die starke Verflüchtigung und
Verlust an Giaskomponenten, die beschränkte Auswahl an Glaszusammensetzungen, äußerst hohe Arbeitstemperaturen und nachteilige
Oberflächenreaktionen auf dem Metallsubstrat.
Es ist vorgeschlagen worden, biologisch, aktive Gläser und Metalle
mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten einzusetzen;
diese Häherung beschränkt jedoch die Zahl und Vielfalt zulässiger Kombinationen drastisch.
Es ist ebenfalls vorgeschlagen worden, Metalloberflächen durch
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Aufbringen von Pulvergemischen des Glases und Anwendung langer Heizzeiten und multipler überzüge zu überziehen, um Übergangsschichten zwischen dem Metall und Glas mit Ausdehnungskoeffizientgradienten
herzustellen und hierdurch die thermomechanicchen Spannungen freizusetzen. Offensichtlich ist dies jedoch
eine teure und zeitraubende Prozedur, welche ihrer Ilatur nach die praktische Anwendbarkeit des Endprodukts stark einschränkt.
In der DE-PS 2326100 B2 wird ein glacüberzogenes Material für Protheseeinrichtungen beschrieben. Die DE-PS fordert
jedoch eine Zwischenschicht aus Glas geringer Reaktivität
zwischen dem Metallsubstrat und dem biologisch aktiven Glas.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines weniger teuren Verfahrens
zum Binden von biologisch aktivem Glas an Metall zur Bildung von künstlichen Prothesen sowie orthopädischen und
Dentaleinrichtungen, und die Bereitstellung eines entsprechenden
Verbundmaterials.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Binden einer Bioglasschicht
an einem Metallsubstrat vor, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß
1) ein Metallsubstrat mit einer angerauhten, oxidierten Oberfläche
auf annäherend eine Maximaltemperatur (T^) erhitzt
wird, wobei T. so ausgewählt vri.rd, daß die Gesamtvolumenexpansion
dieses Metalls im wesentlichen gleich ist derjenigen des Bioglases bei der Temperatur (To), bei der die
Temperaturabhängigkeit des Volumens dieses Bioglases nicht-
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linear wird;
2) ein Körper aus geschmolzenem Bioglas "bei der Temperatur T
vorgegeben wird, wobei Tr ausreichend hoch liegt, so daß
die "JGC Eioglas genügend fluid ist, um ein Eintauchen dieses
ruif rIL erhitzten Ketall,7 zu gestatten;
5) diese Metalloberfläche in diesen geschmolzene Bioglao für
oine erforderliche Minimalseit getaucht wird, um eine Schicht
der gewünschten Dicke aus diesem Bioglas an dieser Oberfläche nach Beendigung des Eintauchgangs haften zu lassen,
v;obei die Eintauchzeit von solcher Dauer ist, daß die Temperatur
dieser Metalloberfläche nicht wesentlich über T. steigt;
4) der Eintauchgang beendet wird;
5) diese Beschichtung rasch von T auf etwa T abkühlen ge-
w s
laooen wird, wodurch die thermomechanischen Spannungen in
diener Bioglasschicht rasch freigesetzt werden; und
6) dieses beschichtete Substrat weiter auf eine Temperatur unter etwa T0 abkühlen gelassen wird, wodurch die thermomechanischen
Spannungen in dieser Bioglasbeschichtung und dieser Metalloberfläche mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit
wegen der im wesentlichen linearen Wärmeausdehnungen derselben freigesetzt werden,
wobei diese Bioglasbeschichtung an dieser Metalloberfläche mittels Ionendiffusion durch diese oxidierte Oberfläche
hindurch gebunden wird.
Die Erfindung betrifft auch das nach obigem "Verfahren her-
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gestellte Produkt.
Der Erfindung liegt zugrunde, daß die BeSchichtungsoperation
so kontrolliert werden kann, daß eine biologisch aktive Glasbeschichtung auf einem Metallsubstrat in einfacher Weise geschaffen
werden kann, ohne thermomechanische Spannungen zu
verursachen, deren Freisetzung zu Blasen usw. in der Gießbeschichtung
führen würde.
Die Anwendbarkeit von erfindungsgemäß beschichteten Einrichtungen
ist nachgewiesen worden anhand einen Hüftknocheri-'-üotalersatzes
für Affen, eines Wadenknochensektion-Ersatzer. für Hunde, eines Beinersatzes für Ziegen und von KnochentestSektionen
für Ratten. Mechanische Testversuche mit den erfindungsgemäß beschichteten Metallimplantaten haben gezeigt, daß die Grenzfläche
zwischen der biologisch aktiven GIasbeschichtung und
Knochen so fest ist, wie sie sich zwischen Knochen und einheitlichen Bioglasimplantaten entwickeln. Außerdem ist die
Grenzfläche zwischen dem Metall und biologisch aktivem Glas gegenüber Körperflüssigkeiten widerstandsfähig und versagt
nicht bei Einwirkung mechanischer Spannungen, selbst nach mehr als drei Monaten bei Primaten nicht. Die Anwesenheit von erfindungsgemäß
aufgebrachten Beschichtungen auf Metallen hat zu einem Schutz des beschichteten Metalls gegen Korrosion geführt,
selbst wenn die Metall-Glas-Grenzfläche Chloridlösungen länger als 1 Jahr ausgesetzt wird.
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T.7io oben bemerkt, verwenden typische Verfahren der bisherigen
Technik multiple Lberzüge auc Glas auf MetallSubstraten, um
eine abgestufte Zusammensetzung in Bereich der Grenzflaiche
zu erhalten und thormomechanicche Jpannungeri freizusetzen.
jir. wurde jedoch gefunden, da.3 bei relativ niedrigen Temperaturen,
d. h. unterhalb etwa 7OC 0, die V/ärrio ausdehnung der
meisten Heteile eigentlich linear und die zur Ausdehnung des
Metall/; ex-forderliche Zeit verhältnismäßig lang ist (15 bis
■yO Minuten), vorglichen mit der Zeit, die für eine Oberflächenschicht
au" Glas sum abkühlen von dessen ochmelzzustand bis
etwa 7OO 0O benötigt wird (weniger al- etwa 60 .Sekunden).
maller können thermomechanisch^ Spannungen, die sich an einex1
Grenzfläche zwischen Heteilen und biologisch aktiven Gläsern
unterschiedliche;i" ./L'.mcausdohnuiigckoeffizienten entwickeln
könnten, verhindert worden, indem nan das Hetallsubstrat vor Beschichtung nurauf gene Tenperr.tur T. erhitzt, wobei T^
so gewählt wird, da2 dort die Gesamtvolumenaundehnung des
Metalls im wesentlichen gleich derjenigen des Gls.ses bei einer
Temperatur T„ i:-.t, und T^ die Tcmperatv.r dar;:tellt, bei welcher
die -JilrEicausdehnung des Glases nichtlinear wird. Durch
Eintauchen des erhitzten Katallsubstrats in ein geschmolzenes biologisch aktives Glas mit einer Temperatur T für eine relativ
kurze Zext.spanne, d.h. weniger als etwa 5 Sekunden, und
sofortiges Zurückziehen des Substrats aus dem geschmolzenen Glas wird auf dem Metallsubstrat eine Schicht aus geschmolzenem
Glas geschaffen, bevor die Metalltemperatur überhaupt
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eine Chance hat, wesentlich über S. zu steigen.
Die anhaftende Glassclmelzbe schichtung kühlt rasch a"b auf etwa
T,.. "Der I?luß des geschmolzenen Glases i;ctzt, wenn es sich teilweise
"verfestigt, Spannungen oder thermomechanicche Belastungen
schnell frei. Da.es Kompositraaterial kühlt dann langsamer
von Tc, auf Kaumtemperatur ab wegen der geringen Abkühl ungsgeschwindigkeit
dec. BasismetallG. Diese langoame Abkühlung erlaubt
eine allmähliche Kontraktion ce;.:· Iietalloub^tratc und der
Glaube.schichtung bei jpraktioch gleicher Geschwindigkeit wegen
der linearen Wärmeausdehnungen bei jener Temperatur. Diece
gleichen Kontraktionsgeschwindigkeiten erlauben die J?reicetzung
der thermomechaniüchen Beanspruchungen und Spannungen,
ohne die Pectigkeit des Verbunden zu beeinträchtigen.
Die biologisch aktiven Gläser, nachfolgend "Biogläser" genannt, schmelzen im Bereich von etwa 1250 ° bis etwa 1550 0C. Die
meisten Metalle haben einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bis zu etxira 700 0G. Das Abkühlen der geschmolzenen
Glasschicht von der erhöhten Schmelzpunkt-Temperatur bis herab auf etwa 700 0C kann rasch sein, weil die darin befindlichen
thermomechanischen Spannungen freigesetzt werden, wenn das
geschmolzene Glas während der Verfestigung fließt.
Jedes geeignete Bioglas, das an Knochen- oder anderem lebenden Gexvebe binden kann, kann für die Zwecke der Erfindung eingesetzt
werden.
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Bioglä^er unfasten jene Gläser mit folgender Zu-
G, in Gcvri-drbsprozent:
2 40-60 >u
Iia„0 10-32 %
OaO 10-52 '/ο
P2O5 0-12 ,ο
0-18 ίί
B9O- 0-20 >j
Zu speziellen Bioglänern zählen $ene der folgenden Zusammensetzungen:
Bioglas A
OiO2 45,0 ^
ITa2O 24,5
CaO 24,5 ρ
Ϊ2ΟΓ 6,0 ;ί>
Bioglaa B
oi02 42,94 %
Wa2O 23,37 ti
OaO 11,69 %
P2O5 5,72 %
16,26 c/o
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" 17 " 281863Q
Bioglas C
40,0 yo
24,5 70
CaO 24,5 ϊο
P2O5 6,0 %
B2O, 5,0 %
Zu geeigneten Metallen zählen Metalle, aus denen künstliche Prothesen oder orthopädische oder Dentaleinrichtungen gefertigt
werden können.
Zu geeigneten Metallen zählen Stähle, iile chirurgischer nichtrostender
Stahl und Kohlenstoffstahl; Kobalt-Chrom-Legierungen,
Titan und Titanlegierungen; Edelmetalle wie Platin; und Edelmetall egierungeii wie Platin (90 Vo)- Rhodium (10 ;>ό, jeweils
Gew.-;a) und Molybdän-Hickel-Kobalt-Chrom-Legierungen.
Die vorliegende Erfindung erreicht die Bildung eines Verbundes
zwischen dem Biogla;; und Metall ohne Bildung zui::chenzu.:;etzender
Übergangs- oder Gradient schicht en zwecks ji'reilöüung der
thermomechanisehen Spannungen.
Es hat sich als notx/endig erwiesen, eine angerauhte, oxidierte
Metalloberfläche zu verwenden, um einen ausreichend festen Verbund zwischen der Metalloberfläche und der Bioglanschicht
zu erhalten. Im allgemeinen ist eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 250 /um ausreichend. Es versteht sich jedoch, daß
jeder Grad an Rauhigkeit, der die wirksame Oberfläche des Me-
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tall cub "träte v/er; ent lieh erhöht, ohne zu einem mechanischen
Verbund zwischen dem Ketall und Glas zu führen, für die Zwecke
der Erfindung genügt, i/enn die !Rauhigkeit nicht geregelt wird,
kann zwischen dem Glas und Metall ein mechanischer Verbund
erzeugt werden, wodurch Spannungen in der Glasschicht beim Abkühlen indiiziert werden.
Die Biogläser ermöglichen die Bildung von festen Bindungen zwischen dem Glac und Metallen durch Ionendiffusion. Somit
bilden dac Glas und Metall durch Ionendiffusion an der Grenzfläche
einen Chornischen Verbund. Die Bildung einer oxidierten Oberfläche verstärkt den Ionendiffusion-Bindungsprozeß.
Auf der Metalloberfläche wird eine verhältnismäßig dicke Oxidationsfläche
erzeugt. Im allgemeinen sind Oxidationoschichten von etwa 0,5 bi;_! 2 /um Stärke ausreichend. Die Oxidation der
Oberfläche wird durch das Anrauhen der Metalloberfläche verstärkt.
Die Oberflächenrauhigkeit des MetallSubstrats sollte
jedoch nicht so weit reichen, daß eine mechanische Verblockung zwischen dem Metall und der fertigen Glasbeschichtung eintritt.
Ungeregelte rauhe Oberflächen führen zu verbleibenden thermomechanisehen Spannungen und Belastungen beim Abkühlen.
Eine Oxidationsatmosphäre, die eine chemische Reaktion initiieren kann, einschließlich eines Elektrontransfer-Prozesses
zwischen dem aktiven Oxidationsmittel in der Atmosphäre und dem Metall, kann zur Oxidation verwendet werden. Anscheinend
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variiert; der Oxidationsprozeß ge nach, dem speziell verwendeten
Metall und der Oxidationsatmosphäre. Es wurde jedoch gefunden, daß "bei Einwirkung von Luft bei etwa 800 0C auf nichtrostenden
Stahl, etwa 20 Minuten, eine ausreichend starke Oxidationsschicht erhalten wird, um die IonendiffusionsMndung
des Bioglases an der Metalloberfläche richtig zu verstärken.
Wie oben angemerkt wurde, muß das Metall auf jene Temperatur erhitzt werden, bei welcher die Volumenausdehnung des Metalls
derjenigen des Glases bei der Temperatur T gleich wird, wobei To die Temperatur ist, bei der die Volumenausdehnung des Glases
nichtlinear wird; das Metall wird demzufolge in ein geschmolzenes Bioglas für einen relativ kurzen Zeitraum getaucht, d. h.
weniger als etwa 5 Sekunden, um einen haftenden überzug auf der Metalloberfläche zu schaffen, wobei die Zeit jedoch nicht
ausreicht, eine wesentliche Aufheizung des Metallsubstrats über T^, zu erlauben. Die Tauchzeit kann so kurz wie etwa 2 Sekunden
sein.
Die Viskosität der geschmolzenen Bioglasmasse ist leicht zu regeln über ihren Alkaligehalt durch bloßes Variieren der Temperatur
derselben in Inkrementen von 10 0G bis 25 0C. Durch
Variierung der Viskosität des geschmolzenen Bioglases kann die Stärke des haftenden Überzugs auf dem Metallsubstrat wirksam
geregelt werden. Im allgemeinen wird das Verfahren so geregelt, daß eine Bioglasbeschichtungsstärke von etwa 0,2 mm bis etwa
2 mm auf dem Metallsubstrat geschaffen wird, je nach dem spe-
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ziellen Anwendungszweck des beschichteten Substrats.
Künstliche Prothesen und orthopädische oder Dentaleinrichtungen,
die aus den mit Bioglas beschichteten MetallSubstraten der
Erfindung konstruiert sind, finden Anwendung als zementfreie Implantate, die extrem fest und gegenüber Eörperflüssigkeiten
widerstandsfähig sind.
Eine als Ersatz für ein ganzes Hüftgelenk beim Affen bestimmte Struktur, die aus nichtrostendem Stahl der Zusammensetzung:
Gew. -%
G 0,03
Mn 1,5
Si o,5
Cr 18
Ki 15 Mo 2r25
Unreinheiten (P,S) <0,3 Eisen Eest
bestand, wurde durch Sandblasen mit 180 grit Aluminiumoxid bei
5,6 kp/cm gereinigt, um Fremdzunder zu entfernen und die Oberfläche
auf eine Oberflächigkeit von etwa 150 /um anzurauhen.
Das Anrauhen erhöht die wirksame Oberfläche des Metallsubstrats,
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indem melir Fläche für einen Diffusionaverbund zwischen dem
Glas und Metall geschaffen wird.
Die Einrichtung wird dreimal sorgfältig mit Ultraschall in Aceton gereinigt (mindestens 10 - Minuten-Zyklen). Die Einrichtung
wird dann in die Mitte eines rohrförmigen Oxidationsofens gehängt, der gegenüber der Atmosphäre offen ist und bei
800 0C (T^) gehalten wird. Die Einrichtung verbleibt 20 Minuten
im Ofen, um eine vollständige lineare Ausdehnung zu erreichen und eine Oxidstruktur in der angerauhten Metalloberfläche von
etwa 1-2 /um Stärke zu schaffen.
Ein biologisch aktives Glas mit der Zusammensetzung des Bioglases A wird in einem Platintiegel 1 Stunde bei 1325 0G geschmolzen.
Das Volumen des geschmolzenen Glases reicht aus, voll ständiges Eintauchen der Stahleinrichtung zu bewirken. Das
Glas ist bei dieser Temperatur sehr fluid und hat eine Viskosität von etwa 2 poise.
Die Metalleinrichtung und der das Bioglas enthaltende Tiegel
werden gleichzeitig aus den entsprechenden Öfen genommen. Die Metalleinrichtung wird sofort in das geschmolzene Bioglas mit
einer schnellen gleichmäßigen Bewegung getaucht und mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 cm/sek. zurückgezogen. Dies erzeugt
einen fließfähigen Glasüberzug von etwa 1 mm Stärke auf der Oberfläche der Einrichtung. Die gesamte Prozedur erfordert etwa
3-5 Sekunden. Offensichtlich können Variationen in der Stärke
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der Bioglasschicht dadurch, erreicht werden, daß man die Viskosität
des Glases, die Verweilzeit der Einrichtung im geschmolzenen Glas und die Geschwindigkeit des Zurückziehens
der Einrichtung aus dem Glas regelt.
Die glasüberzogene Einrichtung wird 20 bis 30 Sekunden an der
Luft gehalten, um die Oberflächentemperatur des Glases etwa 800 G erreichen zu lassen. Während dieses Zeitraums fließt
das Glas und gibt hierdurch irgendwelche induzierte Spannungen frei. Während dieses Zeitraums findet auch eine Diffusion von
Metall aus der dünnen Oxidschicht in die ersten wenigen (5) Mikrometer des Glases statt.
Nachdem die Temperatur der Oberfläche des Glases auf etwa 0C abgekühlt ist, wird die beschichtete Einrichtung in einen
Kühlofen gesetzt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, wodurch eine gleichmäßige Kontraktion des Glases und Metalls
ermöglicht wird.
Wahlweise kann die beschichtete Einrichtung erneut auf 500 700 0G erhitzt werden oder bei 500 - 700 0G nach Beschichtung
für eine vorbestimmte Zeitlang belassen werden, um eine teilweise
oder vollständige Kristallisation des Glases zu erreichen.
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Die obige Prozedur wurde "unter Verwendung einer ähnlichen,
aus dem gleichen nichtrostenden Stahl zusammengesetzten Einrichtung und eines Bioglases mit der Zusammensetzung des Bioglases
B befolgt. Die Temperatur des geschmolzenen Glases beträgt etwa 1150 °0. Die erhaltene beschichtete Einrichtung
war zur "Verwendung als Protheseeinrichtung geeignet.
Die obige Prozedur wurde angewendet unter Einsatz der Bioglas-Zusammensetzung
des Beispiels 1 und einer Titanmetalleinrichtung. Die Metalleinrichtung wurde anfangs auf 900 °0 in einer
Argonatmosphäre mit einem kleinen Partialdruck (<"1 mm ) Sauerstoff
vor dem Eintauchen erhitzt.
Die Atmosphärenzusammensetzung wird so geregelt, daß eine zu dicke Oxidschicht auf dem Metall vermieden wird.
Polierte Oberflächen der Grenzflächen zwischen den Metallsubstraten
und GlasbeSchichtungen der Beispiele 1, 2 und 3 wurden
durch Energiedispersionsröntgenstrahlen analysiert, die zeigten, daß sich eine echte chemische oder Diffusionsbindung zwischen
dem Glas und Metall entwickelt hatte.
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In den anliegenden Zeichnungen ist
Fig. 1 ein Diagramm, das zeigt, wie zwei Metalle unterschiedlicher
Zusammensetzung mit dem gleichen Glas beschichtet vrerden können, vgl. Beispiele 1 und 5· Das Eintauchen
findet bei der Arbeitstemperatur T statt (Temperatur des geschmolzenen Bioglases). Das Glas kühlt
schnell auf eine Temperatur in Mähe des Erweichungspunktes T3 ab. Die T^-Temperaturen für die Metalle
werden ^o gewählt, daß die VolumenauGdehnung sowohl für
Glas als auch Metall im wesentlichen gleich sind»
Wir:. 2 zeigt im Diagramm, wie ein Metall mit Bioglas unterschiedlicher
Zusammensetzungen beschichtet werden kann, siehe Beispiele 1 und 2.
Das Metall wird auf T^ bzw. T^' erhitzt, so daß die
Volumenexpansion sowohl auf Glas 1 und 2 abgestellt wird, entsprechend T^, und Tp.
Wie in Fig. 1 werden die- Temperaturen T^,' so gewählt,
daß sie in Einklang gebracht werden mit der Volumenausdehnung des Glases, wenn es T erreicht.
Fig. 5 zeigt den Diffusionsgrad der Elemente des Metalls und
Glases über die Grenzfläche aufgrund des Beschichtungsund Diffusionsbindungsverfahrens gemäß der in Beispiel 1
beschriebenen Arbeitsweise.
hierzu: 2 Blatt Zeichnungen
Dr.Eo/Za
Dr.Eo/Za
809847/0688
Leerseite
Claims (1)
1BERLlN 33 8MÜNCHEN80
Auguste-Viktoria-StraBe 65 n DIIOOUI/C i DADTMCD PienzenauerstraBe 2
Pat.-Anw. Dr. Ing. Ruschke Ur. KUbUMKt & KAK I NbK
8SÄBF141· PATENTANWÄLTE 5τ£3ΕΤι.«.
Tel. (030) 8 26 38 95/8 26 44 81 BERLIN -MÖNCHEN Tel. (089) 98 03 24 / 9β 72 68
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Quadratur Berlin Quadratur München
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B 1192
Patentansprüche
Prothese- oder chirurgisches Implantat zur zementfreien Bindung am Knochen, gekennzeichnet durch ein Metallsubstrat
ausreichender Festigkeit für die beabsichtigte Verwendung, das zumindest an den am Knochen des Rezipienten zu bindenden
Teilen mit einer Beschichtung von etwa 0,2 bis 2 mm Stärke aus biologisch aktivem Glas oder Glas-Keramik im wesentlichen
gleichförmiger Zusammensetzung und mit gleichmäßigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, das praktisch frei von Blasen
ist, die sich aus der Freisetzung thermisch-mechanischer Spannungen ergeben könnten, beschichtet ist, wobei die Oberfläche
dieses Substrats an dessen Grenzfläche zu dieser Glasbeschichtung ausreichend angerauht ist, so daß die wirksame
Oberfläche dieses Substrats wesentlich erhöht wird, ohne daß jedoch eine wesentliche mechanische Verblockung
zwischen dieser Metalloberfläche und dieser Glasbeschichtung
eintreten kann, und die Oberfläche oxidiert ist und
809847/0686 ORIGINAL INSPECTED
diese Glasbesch.ich.tung an der Oberfläche dieses Metallsubstrats
durch Ionendiffusion an der Grenzfläche gebunden ist.
2. Prothese- oder chirurgisches Implantat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallsubstrats und der Glas- oder Glas-Keramik-
-Beschichtung wesentlich verschieden sind.
3. Prothese- oder chirurgisches Implantat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Kobalt-Chrom
-Legierung ist.
4-. Prothese- oder chirurgisches Implantat nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch aktive Glas oder die Glas-Keramik in Gewichtsprozenten enthält:
SiO2 40-62 °/o
2O 10-32 %
OaO 10-32 %
P2O5 0-12 %
OaF2 0-18 %
B2O3 0-20 °/o .
5· Verfahren zur Herstellung des Produkts nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß man
1) ein Metallsubstrat mit einer angerauhten, oxidierten
Oberfläche etvja bis zu einer Maximaltemperatur (T,,) erhitzt,
809847/0686
wobei diese T,. so gewählt wird, daß die Gesamtvolumenexpansion
dieses Metalls im wesentlichen gleich derjenigen dieses Bioglases "bei der Temperatur (T ) ist, bei
welcher die Temperaturabhängigkeit des Volumens dieses Bioglases nichtlinear wird;
2) eine Masse aus geschmolzenem Bioglas bei der Temperatur T bereitet, wobei T ausreichend hoch liegt, so daß
WW <->
?
dieses Bioglas genügend fließfähig wird, um ein Eintauchen dieses auf die Temperatur Tx. erhitzten Metalls zu
ermöglichen;
3) diese Metalloberfläche in dieses geschmolzene Bioglas eine Minimalzeit lang eintaucht, die erforderlich ist,
um nach Beendigung des Eintauchgangs eine Schicht der
gewünschten Stärke dieses Bioglases an dieser Oberfläche haften zu lassen, wobei die Immersionszeit von solcher
Dauer ist, daß die Temperatur dieser Metalloberfläche nicht wesentlich über T^ steigt;
4) diesen Eintauchgang beendet;
5) diesen Überzug rasch von Tw auf etwa Tg abkühlen läßt,
wobei die thermisch-mechanischen Spannungen in dieser Bioglasschicht schnell freigesetzt werden; und
6) dieses überzogene Substrat weiter auf eine Temperatur
809847/0686
unter etv.'c i1,. at kühl ο η läßt, wobei die thermioch-mechani~chen
Spannungen in diener Bi ο glaube schichtung
und diec-er Metalloberfläche mit praktisch gleicher Geschwindigkeit
infolge der im weGentlichen linearen thermischen Ausdehnungen derselben freigesetzt werden;
wobei die.-e Bioglasbe,schichtung an diener Metalloberfläche
durch Ionendiffusion durch diese oxidierte Oberfläche hindurch gebunden wird.
6. Verfahren nach Anrpruch 55 dadurch gekennzeichnet, daß vor
dem Eintauchen eine vorgegebene Viskosität des geschmolzenen Bioglaaes durch Temperatureinstellung aufrechterhalten
wird, um die gewünsehte ,Stärke dieser anhaftenden
ochicht aus Bioglae an der Metalloberfläche zu regeln.
7· Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur d.es geschmolzenen Bioglases zwischen etwa 12500 und 1550% gehalten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7? dadurch gekennzeichnet
, daß T. über etwa 700 C liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 ΐ>ί§ 8, dadurch gekennzeichnet
, daß die Metalloberfläche einen Rauhigkeitsgrad auf v/eist, der unterhalb des Grades liegt, mit dem eine
mechanische Verblockung zwischen der Metalloberfläche und der Bioglasbeschichtung eintritt.
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-p-
281863Q
10. Verfahren nach, einem der Ansprüche 5 bic 9, dadurch gekennzelehnet,
daß es einen Schritt zur Oxidierung dieser angerauhten Metalloberfläche umfaßt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch, gekennzeichnet, daß
die Metalloberfläche oxidiert wird, indem man die Metalloberfläche
einer oxidierenden Atmosphäre bei erhöhter Temperatur aussetzt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall aus einem Stahl, einer Kobalt- -Ohrom-Legierung, Titan oder Titanlegierung, Edelmetall
oder Edelmetallegierung oder einer Molybdän-Hickel-Kobalt-
-Chrom-Legierung besteht.
13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Stahl ein nichtrostender Stahl ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Stahl ein Kohlenstoffstahl ist.
15· Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bioglas einen mäßig hohen Alkaligehalt aufxveist und im wesentlichen invert hinsichtlich
des Siliziumdioxidgehaltes ist.
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16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch f^ekenngeichnst, dai~>
da:-: Biogla-:; in Gewichtsprozent enthält:
JiO-. 40-62 ,j
Ua0G 10-32 ,o
OaO 10-52 ,*
P0G- 0-12 ,J
Gajj\ 0-18 ,<J
B-,O- 0-20 \,
17· Verfahren nach einem der Ansprüche 5 "bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daX das biologisch aktive Glas in Gewichtsprozent
enthält:
JiO2 45,0 ,j
1Ta0O 24,5 /J
CaO 24,5 \.j
I2O5 6,0 fo .
18. Verfahren nach einen der Ansprüche 5 ^i3 15? dadurch gekennzeichnet
, daß das "biologisch aktive Glao in Gewichtcprozent
enthält:
JiO2 42,94 ;i
Na2O 23,57 ,0
GaO 11,69 ;ό
P2O5 5,72 %
16,26 ;e
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- 7 - 281863Q
19· Vorfahren ncch. einem der Ansprüche 5 bis Ίρ, dadurch gekennzeichnet
, daß dac "biologisch, aktive Glas in Gewichtsprozent
enthält:
oi02 40,0 ';&
Ka^O 24,5 %
OaO 24,5 -;ö
P2O5 6,0 γό
B2O5 5,0 >ό
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 "bis 19? dadurch gekennzeichnet,
daß die Stärke der Bioglasbeschichtung etwa
0,2 bis 2 mm beträgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet
, daß die Immersionszeit x^eniger als etwa
oekunden beträgt.
22. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
das Metall ein Stahl ist und oxidiert wird, indem er Luft bei etwa 800 0O für etwa 20 Minuten ausgesetzt wird.
809847/0688
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