DE2134925C3

DE2134925C3 - Knochenimplantat aus Titan-Legierung

Info

Publication number: DE2134925C3
Application number: DE19712134925
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Davos Perren; Samuel Prof. Dr. Liestal Steinemann
Original assignee: Institut Dr Ing Reinhard Straumann AG
Current assignee: Institut Dr Ing Reinhard Straumann AG
Priority date: 1970-07-13
Filing date: 1971-07-13
Publication date: 1974-09-12
Also published as: SE369201B; CA954727A; GB1305879A; DE2134925A1; DE2134925B2; CH544154A; IT968051B; FR2101599A5

Description

Τι

Legierung (Gewichtsprozent)
ΤΓΠ5ΖΓ j Ti35Zr [ TlSOZr | T565Zr

Tl 85Zr

Zr

Festigkeitsdaten des
warmgewalzten und
geglühten Metalls

Omax in kg/mm¹

din ·;

Elastizitätsmodul
in kg/mm^s

Schmelzpunkt in ' C...

Korrosion

Gewebeverträglichkeit

55
40

10600
1720

70
31

95
23

100
21

11300

650 1 610

Legierung wie Reinmetalle
Legierung wie Reinmetalle

95
25

1690

70
29

11000
1860

Der niedrige Elastizitätsmodul ist von biomechanischen Zielen her von hoher Bedeutung; Implantate müssen neben genügender Festigkeit nämlich eine der Funktion des Knochens angepaßte Steifigkeit haben, und der gleichbleibend niedrige Elastizitätsmodul ermöglicht auch weniger steife Implantate, bei gleicher Festigkeit, zu machen.

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.

Das Korrosionsverhalten und die Gewebeverträglichkeit der Legierungen sind ebenso hervorragend wie jene der Reinmetalle. Der Knochen 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
Technisch reines Titan enthält bis zu 3% die

Elemente Fe, O₁, Ni usw. 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, Knochen-

nägel usw., herstellen, und zwar als Guß, durch 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 dann Prothesen befestigt werden. Die ge-

schmiedete Legierung hat den Vorteil, daß sie vollständig homogen ist, und die Korngröße, welche für die Dehnung wichtig sein kann, durch den Umformungsprozeß und Glühungen einstellbar ist

Claims

Diese Zahlen zur Korrosion wurden elektrochemisch

** Patentansprüche: in vivo am Kaninchen gemessen. Das Metall war im

%, Muskel implantiert. Nach Ende des Versuches von

1, Knochenimplantat, dadurch ge kenn- 3 bis 9 Wochen wurde das am Metall anliegende Geze ichnet, daß es aus einer Titan-Zirkonium- 5 webe histologisch untersucht. Es zeigte sich in allen Legierung aus 25 bis 75 '/_a Zirkonium, Rest Titan Fällen eine Abkapselung des Metalls durch Binde- und höchstens 3 % herstellungsbedingten Ver- gewebe, also eine typische Fremdkörperreaktion,
unreinigungen und festigkeitssteigemden Zusätzen Gleiche Versuche für Titan und Zirkonium ergaben besteht- Korrosionsströme von 10"^I0 A/cm* und weniger, ent-
2. Knochenimplantat nach Anspruch 1, dadurch io sprechend einem Angriff von weniger 0,005 μ^αη^ά. gekennzeichnet, daß die Legierung aus 50% Titan Die Histologie zeigte kein Abkapseln, nur ein feines und 50% Zirkonium mit den herstellungsbedingten lockeres Bindegewebe in der Art einer Auffüllreaktion, Verunreinigungen besteht. und das am Metall anliegende Gewebe war auch

vaskularisiert, d. h. von voller Vitalität,
is Titan und Zirkonium sind weiche Metalle (siehe

z.B. A.D. McQuillan und M. K. McQuillan:

»Titanium«, Metallurgy of the Raser Metals, Vol.4, Butterworths Scientific Publications, London 1956; G. L. M i 11 e r: »Zirkonium«, Metallurgy of the

Für chirurgische Implantate sind rostfreier Stahl ao Raser Metals, VoI. 2, Butterworths Scientific PuWi-(Normen: USA ASTM F 55, ASTM F 56; GB Brit. cations, London 1957). Den Festigkeitsanforderungen Standard 3531-1962), Kobalt-Legierungen der Zu- für Implantate der Materialien für Zahnprothetik sammensetzungO,4%C,O,3%Si,O,5%Mn,3O,8%Cr, genügen sie im gegossenen oder geglühten Zustand 5,1% Mo, 0,7% Fe und Rest Co (Normen: USA nicht. Auch sind die Gießverfahren wegen des hohen ASTM F 54; British Standard 3531-1962), Titan as Schmelzpunktes und der Reaktivität nicht einfach.
(Normen: USA ASTM F 67-66; British Standard Eine Ti-Zr-Legierung ist als Vorlegierung bekannt

3531-1962/1967) und eine Ti 6 AI 4 V-Legierung(Norm Binäre Legierungen von Ti und Zr finden keine fur klinische Teste in USA: ASTM 1968) bekannt. Anwendung, obwohl folgende Eigenschaften bekannt

Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen der oben- sind:

genannten Zusammensetzung und Legierungen der 30 Schmelzpunkt der Legierung 50Ti 50Zr (Gewichts-Zusammensetzung 0,1 % C, 1,1 % Si, 0,7% Mn, 28,3% prozente) ist 1610° C, also etwa 100 niedriger als Cr, 24,4 ό Ni und Rest Co werden auch für zahn- Ti und etwa 25OC niedriger als Zr. Sie weist höhere ärztliche Implantate verwendet. Festigkeiten als die Reinmetalle und gute Duktilität

Diese Implantate werden operativ subperiostal im auf.

Kiefer verankert und mit Gewebe überdeckt. An her- 35 Das Knochenimplantat nach der vorliegenden ausragenden Stiften tragen sie Prothesen. Wegen Erfindung, das sich für chirurgische und zahnärztliche ungenügender Verträglichkeit fehlen Dauererfolge. Ab- Zwecke verwenden läßt, ist nun dadurch gekennstoBende Reaktionen und Entzündungen zeigen sich zeichnet, daß es aus einer Ti-Zr-Legierung besteht, die häufig. Bei Kontakt mit Metallen wird gewohnlich in Gewichtsprozenten 25 bis 75%, vorzugsweise 50y auch Zahnfleischschwund beobachtet. 40 Zr, Rest Titan und höchstens 3 % herstellungsbe-

Kobelt- Chrom -Molybdän-, Nickel-Chrom- und dingte Verunreinigungen und festigkeitssteigernde Gold-Legierungen sind Gußlegierungen. Forderungen Zusätze enthält.

an solche Materialien für Implantate und Prothetik Aus der deutschen Auslegeschrift 1294029 ist

sind: Niedriger Schmelzpunkt, gutes Fließverhalten, eine Titan-Legierung aus 10 bis 50% Zirkonium, bis genugende mechanische Festigkeit, Härte und nicht 45 zu 10% Eisen, Rest Titan, bekannt, die duktil, fest geringe Duktilität, Gewebefreundlichkeit. und sehr korrosionsbeständig ist. Aus der Beständig-

Im lebenden Gewebe korrodieren alle Metalle mehr keil solcher Legierungen gegenüber Säuren ergibt sich oder weniger stark, und auch bei nicht sichtbarem noch kein direkter Hinweis für die Eignung solcher Angriff tritt eine Reaktion des Gewebes auf: Mit der Werkstoffe als Knochenimplantate, da hierbei andere Korrosion wird das Metall in Hydroxyde und Oxyde so Gesichupunkte und komplexere Vorgänge eine Rolle übergeführt, weiche im Elektrolyt der Gewebeflüssig- spielen. Insbesondere werden kleinste Korrosionskeit dissoziieren und im Bereich der Gewebezellen geschwindigkeit^ gefordert, wobei weniger die Zereine lokale, jedem Metall spezifische Reaktion aus- störung als solche eine Rolle spielt, sondern daß die losen. Gewisse Metalle hemmen das Zellwachstum bis Korrosionsprodukte, welche auftreten, nicht toxisch zur toxischen Reaktion, andere sind neutral. 55 sind. Es ist bei der Wahl des Materials für die Im-

Von den Gußlegierungen ist folgendes bekannt: plantate dafür zu sorgen, daß kein Metall in den

Goldlegierungen weisen einen Schmelzpunkt zwi- Körper gelangt, das als Fremdkörper mit latenter sehen 900 und 100O⁰C auf, haben eine Vickershärte ^kompatibilität sich erweist,
von etwa 200 Kp/rnm*. eine Dehnungsgrenze von Die folgende Tabelle gibt gemessene Eigenschaften

2Ό /_o und zeigen in Körperflüssigkeit einen Korrosions- 6o welche im Hinblick auf die Anwendung als Implantat strom von etwa 10-' A/cm*, entsprechend einem An- wichtig sind,
griff von etwa 10ug/cm*d _Die Festigkeiten der Legierungen lassen sich durch

Die obenerwähnten Kobalt-Legierungen besitzen Kaltverformen noch um etwa 30 kg/mm¹ steigern eine Schmelztemperatur von 1300 bis 1400⁰C, haben ohne daß die Dehnungen auf weniger als 15% abfallen' eine Vickershärte von etwa 250, eine Dehnungsgrenze 6_S Die hohen Festigkeiten machen binäre Ti-Zr^von »/ο und verursachen einen Korrosionsstrom von Legierungen mit 25 bis 75% Zr hervorragend für etwa lü_ A/cm entsprechend einem Angriff von Implantate geeignet, und zwar als geschmiedetes oder etwa 0,1 μβ/ςΐη·α. gegossenes Metall.