DE102007057917B3

DE102007057917B3 - Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik mittels Zirkonkorn und Verwendung von Zirkonkorn

Info

Publication number: DE102007057917B3
Application number: DE200710057917
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Moje; Jens Moje
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-01
Filing date: 2007-12-01
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik mittels Zirkonkorn und die Anwendung von Zirkonkorn aus einem Zirkonoxyd-Granulat zur Strahlbehandlung, wobei mit Zirkonoxyd-Implantaten auch Endoprothesen aus Zirkonoxydkeramik verstanden werden. Das Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik ist dadurch gekennzeichnet, dass es an vollständig geformten und vorgesinterten Implantaten mit Zirkonkorn erfolgt. Das Implantat wird mit folgenden Schritten behandelt: a) Einspannen des vorgesinterten Implantates in einer Spezialaufnahme gegenüber einer Strahldüse in einem abschließbaren Gehäuse; b) Einstellen des Abstandes der Strahldüse von der zu behandelnden Oberfläche des Implantates zwischen 5 und 20 cm; c) Auswahl der Düse mit einem Durchmesser zwischen 1 und 2 mm; d) Einstellen des Strahldrucks zwischen 3 bis 7 bar; e) Versetzen der Spezialaufnahme in Rotation zwischen 50 und 100 U/min, so dass die aufzurauende Fläche des vorgesinterten Implantates periodisch der Strahldüse zugewendet ist, aus der ein Strahl aus Zirkonkorn austritt, wobei der Abstand der Strahldüse, der Durchmesser der Düse, der Strahldruck, die Korngröße des Zirkonkorns und die Rotationsgeschwindigkeit der Spezialaufnahme auf die zu erzielende Rauigkeit abgestimmt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik mittels Zirkonkorn und die Anwendung von Zirkonkorn aus einem Zirkonoxyd-Granulat zur Strahlbehandlung, wobei mit Zirkonoxyd-Implantaten auch Endoprothesen aus Zirkonoxydkeramik verstanden werden.
In den letzten Jahren wurden Titanimplantate sowohl im Bereich der Wiederherstellung von Gelenken als auch in der Zahnmedizin zunehmend von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik abgelöst. Der Erfolg resultiert zum einen aus der hohen Festigkeit der Zirkonoxydkeramik und der ausgezeichneten Bioverträglichkeit und im Dentalbereich überzeugt vor allem die hohe Ästhetik der Implantate. Es wird deshalb versucht, ihre Anwendung zu sichern, da die Verwachsung mit dem Knochen bisher nicht zufriedenstellend ist.
Es hat sich gezeigt, dass die am Knochen anliegenden Teile des Implantates oder der Endoprothese um so besser mit dem Knochen verwachsen, je definierter sie an der am Knochen anliegenden Fläche aufgeraut sind. Es wurde festgestellt, dass aus der Oberfläche herausragende Spitzen oder flache Bereiche eine Anlagerung der Osteoblasten nicht ausreichend gewährleistet. In auftragenden Verfahren, in denen also Stoffe auf die Oberfläche aufgetragen werden, entstehen immer derartige Erhebungen, so dass sich auftragende Verfahren als unbrauchbar herausgestellt haben.
In der DE 101 59 683 A1 wird für ein Dentalimplantat vorgeschrieben, dass diese Flächen am gesinterten, also fertigen Implantat, zu mindestens teilweise durch subtraktives, abtragendes Verfahren vorbehandelt werden oder mit einer Beschichtung versehen werden. Es wird in diesem Dokument ausgesagt, dass abtragende Verfahren deshalb nur durch lasergestützte Verfahren möglich sind. Versuche haben jedoch gezeigt, dass abtragende Verfahren im gesinterten Implantat Schäden im Gefüge hervorruft, so dass das Implantat nur eine Standzeit von etwa 3 bis 4 Jahren besitzt.
In der DE 10 2004 027 959 A1 wird ein Dentalimplantat beschrieben, welches eine aufgeraute und zur Verwachsung mit dem Knochen ausgebildete Oberfläche besitzt, welche am Grünkörper, also vor dem Sintern der Zirkonoxydkeramik gebildet wird. Dieses Aufrauen wird durch Sandstrahlen bewirkt. Der aus Zirkonoxyd gepresste Körper ist jedoch so weich, dass er beim Sandstrahlen entweder verformt oder zerstört wird. Da der Grünkörper sehr weich ist, kann dieses Verfahren deshalb nur mit einer äußerst hohen Ausschussrate durchgeführt werden. Die mit diesem Verfahren herstellbaren Oberflächen besitzen außerdem eine unzureichende Rauigkeit.
In der EP 1 450 722 B1 wird ein Dentalimplantat bekannt, das am Verankerungsteil eine Rauigkeit von 4 μm bis vorzugsweise 6 μm bis 12 μm besitzt, die durch eine Strahlbehandlung mit Korund, Bohrcarbid-Partikel oder Hochdruckwasserstrahlen, oder durch Ätzen, mittels Phosphorsäure, Schwefelsäure, Salzsäure oder Mischungen dieser Säuren erzeugt werden soll. Diese Verfahren sind aus den dargelegten Gründen nicht am Grünkörper durchführbar. Eine Strahlbehandlung mit Korund, Bohrcarbid-Partikel oder Hochdruckwasserstrahlen am Keramik-Körper führt zu den bereits dargelegten Schäden.
Mit Hilfe der beschriebenen herkömmlichen Verfahren können definiert aufgeraute Oberflächen an Dentalimplantaten nicht hergestellt werden.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem an den an den Knochen anliegenden Oberflächen von Implantaten und Endoprothesen eine Rauigkeit erzielt werden kann, die geringer als die mit den bekannten Methoden erzielbaren Rauigkeit ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die Anwendung eines speziellen Strahlmittels wird im zweiten Anspruch benannt. Es handelt sich um ein Zirkonkorn, das durch die Merkmale des zweiten Anspruchs hergestellt wird.
Das Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik ist dadurch gekennzeichnet, dass es an vorgesinterten Implantaten mit den Schritten erfolgt:

a) Einspannen des vorgesinterten Implantates in einer Spezialaufnahme gegenüber einer Strahldüse in einem abschließbaren Gehäuse;
b) Einstellen des Abstandes der Strahldüse von der zu behandelnden Oberfläche des Implantates zwischen 5 und 20 cm;
c) Auswahl der Düse mit einem Durchmessers zwischen 1 und 2 mm,
d) Einstellen des Strahldrucks zwischen 3 bis 7 bar;
e) Versetzen der Spezialaufnahme in Rotation zwischen 50 und 100 U/min, so dass die aufzurauende Fläche des vorgesinterten Implantates periodisch der Strahldüse zugewendet ist, aus der ein Strahl aus Zirkonkorn austritt, wobei der Abstand der Strahldüse, der Durchmesser der Düse, der Strahldruck, die Korngröße des Zirkonkorns und die Rotationsgeschwindigkeit der Spezialaufnahme auf die zu erzielende Rauigkeit abgestimmt sind.

Das Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik erfolgt unter Verwendung von Zirkonkorn, das mit folgenden Schritten hergestellt wird:

a) Verpressen von tetragonalem Zirkondioxyd mit 0,25% Al₂O₃ und Binder bei 130 Mpa zu beliebigen kleinen Körpern, bei denen mindestens eine Dimension kleiner als 25 mm ist;
b) Entbindern und Vorsintern der kleinen Körper bei etwa 1100°C;
c) Zerspanen der vorgesinterten kleinen Körper mit einem Diamantfräser zu Zirkonspänen;
d) Beseitigen von durch die Bearbeitung eingebrachten Fremdstoffe aus den Zirkonspänen;
e) Sintern der Zirkonspäne bei einer Temperatur über 1350°C zu einem porösen Block;
l) Zermahlen des abgekühlten porösen Blocks mit Hilfe eines Mörsers oder einer Kugelmühle zu Pulver;
g) Fraktionieren des Pulvers in mindestens drei Fraktionen, wobei eine Fraktion alle Partikel > 100 μm, eine mittlere Fraktion die Partikel ≥ 40 und ≤ 100 μm und eine dritte Fraktion alle kleineren Partikel < 40 μm aufnimmt.

In der vorliegenden Erfindung wird ein Strahlmittel verwendet, das aus Zirkongranulat aus tetragonalem Zirkondioxyd mit 0,25% Al₂O₃ und Binder (Handelsbezeichnung TZ-3YSB-E) hergestellt wird. Das Zirkonoxyd-Granulat wird dazu zunächst zu kleinen Körpern verpresst. Mit kleinen Körpern ist gemeint, dass eine Ausdehnung der kleinen Körper nicht größer als 25 mm sein sollte. Diese Forderung ergibt sich aus den Erfordernissen des anschließenden Entbinderns und Vorsinterns der kleinen Körper, damit diese Prozesse mit einem vertretbaren zeitlichen Aufwand durchgeführt werden können. In dem dann folgenden Schritt werden die vorgesinterten kleinen Körper mit einem Diamantfräser zu Zirkonspänen zerspant. Wichtig ist, dass nach diesem Vorgang die Zirkonspäne gewissenhaft von Fremdstoffen befreit werden, da diese sich später auf der aufgerauten Fläche des Implantates ablagern würden und Abstoßungsreaktionen hervorrufen könnten. Danach können die Zirkonspäne über 1350°C gesintert und nach dem Abkühlen zu Pulver zermahlen werden. In einer anschließenden Fraktionierung wird das Pulver in mehrere Fraktionen getrennt, wobei eine Fraktion alle größeren Partikel > 100 μm, eine mittlere Fraktion die Partikel eines bestimmten Bereiches, z. B. zwischen ≥ 40 μm und ≤ 100 μm, und eine dritte Fraktion alle kleineren Partikel < 40 μm aufnimmt. Es ist aber auch möglich mehrere weitere Fraktionen abzutrennen. Die einzelnen Fraktionen werden dann in geschlossene Behälter abgefüllt.
Das Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik wird mit dem Zirkonkorn durchgeführt. Entscheidend ist die Wahl der Fraktion, durch die im wesentlichen die zu erzeugende Rautiefe der Oberfläche des Implantates bestimmt wird. Das Implantat wird gegenüber der Strahldüse auf einer rotierenden Spezialaufnahme angeordnet. Der Durchmesser der Düse, der Abstand der Düse von der zu bearbeitenden Oberfläche des Implantates, der Strahldruck und die Größe des Zirkonkorns werden so eingestellt, dass die gewünschte Rautiefe entsteht. Die Rotationsgeschwindigkeit der Spezialaufnahme liegt zwischen 50 und 100 U/min.
Der entscheidende Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass an Zirkonoxydkeramik-Implantaten Oberflächen mit einer definierten Rauigkeit hergestellt werden können. Die Oberflächen enthalten dabei ausschließlich Vertiefungen. Erhebungen an der Oberfläche, die ebenfalls eine Rauigkeit ergeben könnten, aber den Verwachsungsvorgang mit dem Knochen nur stören würden, treten nicht auf. An den aufgerauten Oberflächen befindet sich nur Zirkonoxyd, alle anderen Fremdstoffe, die zu Abstoßungsreaktionen oder zu Störungen im Verwachsungsprozess führen könnten wurden beseitigt. Es entstehen Oberflächen mit Vertiefungen bis in den Nanobereich, die sehr nahe nebeneinander liegen. Derartige Eigenschaften sind mit herkömmlichen Mitteln nicht zu erreichen.
Die Erfindung soll nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Ausführungsbeispiel 1:

Zirkonkorn: ≥ 40 μm bis ≤ 100 μm
Durchmesser der Düse: 1,5 mm
Strahldruck: 6 Bar

Es wurde an 5 Messpunkten auf der Oberfläche die mittlere Rautiefe gemessen, wobei jeweils eine Messstrecke S an der Oberfläche in 7 gleich große Einzelstrecken geteilt und an den fünf inneren Punkten die Rautiefe gemessen wurde. Aus den an diesen Punkten ermittelten Rautiefen wurde ein Mittelwert M gebildet. Die Messung wurde an fünf Stellen auf der Oberfläche mit einer Messstrecke von 0,25 mm und 0,8 mm durchgeführt:
S = 0,25 mm

M1 M2 M3 M4 MS

Probe 1 1,149 1,422 1,539 1,612 1,786 μm

Probe 2 1,355 1,526 1,431 1,491 1,385 μm

S = 0,8mm

M1 M2 M3 M4 MS

Probe 1 3,553 3,003 2,712 2,851 2,957 μm

Probe 2 1,885 1,770 2,057 2,188 2,317 μm
Ausfuhrungsbeispiel 2

Zirkonkorn: > 100 μm
Durchmesser der Düse: 2 mm
Strahldruck: 6 Bar

Es erfolgte eine Messung der mittleren Rautiefe wie in dem Ausführungsbeispiel 1 S = 0,25 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 3 0,763 0,539 0,425 0,408 0,625 μm

Probe 4 0,431 0,487 0,417 0,711 0,558 μm

S = 0,8 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 3 0,808 0,992 0,814 0,875 0,933 μm

Probe 4 0,967 0,928 0,830 0,841 0,797 μm
Ausführungsbeispiel 3

Zirkonkorn: > 100 μm
Durchmesser der Düse: 1,5 mm
Strahldruck: 6 Bar

Es erfolgte eine Messung der mittleren Rautiefe wie in dem Ausführungsbeispiel 1 S = 0,25 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 5 2,927 3,918 3,557 3,007 2,750 μm

S = 0,8 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 5 2,917 3,654 3,136 2,938 3,143 μm
Ausführungsbeispiel 4

Zirkonkorn: > 100 μm
Durchmesser der Düse: 1,5 mm
Strahldruck: 5 Bar

Es erfolgte eine Messung der mittleren Rautiefe wie in dem Ausführungsbeispiel 1 S = 0,25 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 6 2,551 3,209 3,282 3,024 2,792 μm

S = 0,8 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 6 2,359 2,264 2,480 2,630 2,684 μm
Ausführungsbeispiel 5

Zirkonkorn: < 40 μm
Durchmesser der Düse: 0,8 mm
Strahldruck: 5 Bar

Es erfolgte eine Messung der mittleren Rautiefe wie in dem Ausführungsbeispiel 1 S = 0,25 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 7 0.534 0,602 0,578 0,556 0,595 μm

S = 0,8 mm

M1 M2 M3 M4 M5

Probe 7 0,668 0,655 0,687 0,780 0,868 μm
Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, kann mit dem angegebenen Verfahren eine sehr feine Struktur im Nanobereich auf den Implantaten erzeugt werden. Die aufgeraute Oberfläche ist so gestaltet, dass nur kleine Vertiefungen dicht nebeneinander liegen, in denen sich die Osteoblasten einlagern können.

Claims

Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik, dadurch gekennzeichnet, dass es an vollständig geformten und vorgesinterten Implantaten mit Zirkonkorn erfolgt mit den Schritten: a) Einspannen des vorgesinterten Implantates in einer Spezialaufnahme gegenüber einer Strahldüse in einem abschließbaren Gehäuse; b) Einstellen des Abstandes der Strahldüse von der zu behandelnden Oberfläche des Implantates zwischen 5 und 20 cm; c) Auswahl der Düse mit einem Durchmesser zwischen 1 und 2 mm, d) Einstellen des Strahldrucks zwischen 3 bis 7 bar; e) Versetzen der Spezialaufnahme in Rotation zwischen 50 und 100 U/min, so dass die aufzurauende Fläche des vorgesinterten Implantates periodisch der Strahldüse zugewendet ist, aus der ein Strahl aus Zirkonkorn austritt, wobei der Abstand der Strahldüse, der Durchmesser der Düse, der Strahldruck, die Korngröße des Zirkonkorns und die Rotationsgeschwindigkeit der Spezialaufnahme auf die zu erzielende Rauigkeit abgestimmt sind.
Verwendung von Zirkonkorn zum Aufrauen von Oberflächen von Implantaten aus Zirkonoxydkeramik nach Anspruch 1, wobei das Zirkonkorn mit folgenden Schritten hergestellt wird, a) Verpressen von tetragonalem Zirkondioxyd-granulat mit 0,25% Al₂O₃ und Binder bei 130 Mpa zu beliebigen kleinen Körpern, bei denen mindestens eine Dimension kleiner als 25 mm ist; b) Entbindern und Vorsintern der kleinen Körper bei etwa 1100°C; c) Zerspanen der vorgesinterten kleinen Körper mit einem Diamantfräser zu Zirkonspänen; d) Beseitigen von durch die Bearbeitung eingebrachten Fremdstoffen aus den Zirkonspänen; e) Sintern der Zirkonspäne bei einer Temperatur über 1350°C zu einem porösen Block; f) Zermahlen des abgekühlten porösen Blocks mit Hilfe eines Mörsers oder einer Kugelmühle zu Pulver; g) Fraktionieren des Pulvers in mindestens drei Fraktionen, wobei eine Fraktion alle Partikel > 100 μm, eine mittlere Fraktion die Partikel ≥ 40 und ≤ 100 μm und eine dritte Fraktion alle kleineren Partikel < 40 μm aufnimmt.
Verfahren zum Aufrauen der Oberflächen von Implantaten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fraktion von Zirkonkorn verwendet wird.