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EP0348389A1 - Gleitschicht für gelenkendoprothesen und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Gleitschicht für gelenkendoprothesen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number
EP0348389A1
EP0348389A1 EP88900222A EP88900222A EP0348389A1 EP 0348389 A1 EP0348389 A1 EP 0348389A1 EP 88900222 A EP88900222 A EP 88900222A EP 88900222 A EP88900222 A EP 88900222A EP 0348389 A1 EP0348389 A1 EP 0348389A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
sliding
tio
sliding layer
joint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP88900222A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Gruner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plasmainvent AG
Original Assignee
Plasmainvent AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plasmainvent AG filed Critical Plasmainvent AG
Publication of EP0348389A1 publication Critical patent/EP0348389A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/38—Joints for elbows or knees
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28—Materials for coating prostheses
    • A61L27/30—Inorganic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/24—Materials or treatment for tissue regeneration for joint reconstruction

Definitions

  • the invention relates to a sliding layer made of TiO 2 applied directly to the sliding surface of a joint endoprosthesis or via an intermediate layer, and to a method for the production thereof.
  • the first group includes e.g. Bone cement with which an endoprosthesis is anchored in the bone tissue immediately during the operation.
  • the metallic endoprostheses themselves can also be assigned to the first group.
  • Body compatibility in connection with the required mechanical stability limit the metals suitable for endoprostheses to essentially stainless steel, CoCr alloys, titanium and titanium alloys.
  • joint endoprostheses e.g. artificial knee or hip joints
  • good sliding properties in the joint area are required, while maintaining body tolerance.
  • metals and suitable for endoprostheses are
  • Metal alloys not satisfactory sliding properties.
  • the titanium and titanium alloys which are preferred for reasons of weight and because of their good mechanical properties, are not sufficiently resistant to abrasion under the specific joint load.
  • the corrosive conditions in the human body intensify this effect, whereby metallic abrasion and corrosion products arise in the artificial joint capsule.
  • the toughness of the titanium alloys, their tendency to weld with the machining tool and their poor thermal conductivity also make it more difficult to produce suitable smooth sliding surfaces.
  • the combination of ceramic and plastic has proven to be an almost ideal joint design.
  • the state of the art is, for example, to provide a hip joint prosthesis made of Ti alloy with a joint head made of Al 2 O 3 ceramic and to combine this with a joint socket made of polyethylene as a joint partner, which in turn is inserted into a metallic joint socket.
  • knee joints for example, cannot be realized in this embodiment.
  • the metallic femur slides in one in an artificial knee joint plastic tibia attached to the tibia.
  • the much heavier CoCr alloy is preferred for the production of the metallic femur, which has relatively better, but poorer sliding properties compared to ceramic.
  • artificial shoulder or hip joints also require metallic joint balls in certain cases.
  • an Al 2 O 3 spray layer always consists of a mixture of ⁇ and Phase phases. Since the ⁇ phase dissolves in the body, the life of the injected is Al 2 O 3 - sliding surface limited. It is not possible to convert the ⁇ phase into the ⁇ phase by means of an annealing process after spraying, since the mechanical properties of the metallic carriers change unfavorably at the required temperatures.
  • TiO 2 has also already been produced on joint balls, firstly galvanically (Biomaterials 1981, pages 221 to 224) and secondly by anodic oxidation. Both types of layers are not dense enough or tend to flake off.
  • the invention is therefore based on the object of providing a sliding layer of the type described at the outset, which adheres very well to the metallic materials for endoprostheses, is absolutely tolerable to the body and corrosion-resistant, in particular does not dissolve in the body and has internal structural stability in order to achieve the necessary mechanical processing allow for the production of smooth sliding surfaces, which the
  • Ceramic should have sliding properties combined with its abrasion resistance.
  • the sliding layer sprayed onto the sliding area of the metallic joint endoprosthesis is a bioinert TiO 2 layer with a pore-free, particularly compact and pronounced lamellar structure, which is, however, only visible in the metallographic micrograph by etching.
  • a biotolerant Ti layer as an intermediate layer and is advantageous on the joint endoprosthesis Retainer and then immediately sprayed onto the bioinert TiO 2 layer.
  • a method according to the invention for producing such sliding layers is characterized in that, after a method of thermal spraying which enables very high particle speeds, TiO 2 powder particles are melted and used as
  • Liquid droplets with high kinetic energy are deposited on the surface of the joint endoprosthesis. They burst and form flat spray cakes, which build up the compact and pore-free spray layer in a lamella-like manner.
  • Vacuum plasma spraying (VPS) manufactured, taking advantage of the known advantages of this
  • Coating technology e.g. are described in DE-A-34 22 718. This coating technique is also preferred for reasons of hygiene.
  • This process allows the TiO 2 ceramic to be injected so that it is structurally stable and at the same time so thick that on the one hand the required surface smoothness is achieved by mechanical finishing, on the other hand enough layer as a grinding reserve is present, for example to minimize joint roundness values.
  • the layer porosity is well below 1%, which is very important for the surface quality that can be achieved.
  • the surface of the joint endoprosthesis to be coated is expediently degreased in the area of the sliding surface by sandblasting with pure cC-Al-O-. roughened, freed of oxide skin immediately before coating with a transferred arc and at the same time slightly warmed and degassed.
  • Ti wettable powder grain size must be limited to 40 ⁇ m so that a relatively smooth boundary with the subsequent TiO 2 layer is created.
  • the TiO 2 sprayed layer has a layer thickness of at least 50 ⁇ m, is preferably 0.1 mm thick and only exceeds 0.2 mm in special cases.
  • the TiO 2 layer is produced using wettable powder with a grain size of 5 to 25 ⁇ m.
  • the coating is preferably carried out at a chamber pressure of 100 mbar for the Ti layer and the TiO 2 layer as the actual sliding layer.
  • the Ti layer of the sliding layer according to the invention is sprayed on with a non-reducing plasma flame and the TiO 2 layer is sprayed on with a reducing plasma flame.
  • the Ti layer as an adhesive layer can be dispensed with, in particular if the TiO 2 layer does not exceed 100 ⁇ m.
  • Fig. 1 shows a section parallel to the femur axis in a schematic representation of a femoral prosthesis for an artificial knee joint.
  • Fig. 2 shows an enlarged view of the
  • FIG. 1 shows a joint endoprosthesis 1.
  • a femoral prosthesis was deliberately chosen, the uncoated, original sliding surface 2 of which was roughened by sandblasting with ⁇ -Al 2 O- 3 particles to an average roughness of approximately 30 ⁇ m, with the aid of a transferred electric arc immediately before the natural coating
  • the surface 2 to be coated is cleaned with the sliding layer at a chamber pressure of 100 mbar using a non-reducing plasma flame, preferably with an Ar / He gas mixture in the absence of H 2 .
  • a Ti layer 31 is first sprayed on tightly and firmly, the flame energy thus is set that all powder particles are melted.
  • the layer thickness of this first layer of the sliding layer 3 is less than 50 ⁇ -m, its surface 33 has an average roughness due to the selected Ti powder grain size less than 20 ⁇ m.
  • the chamber pressure corresponds to the pressure for surface cleaning.
  • the plasma gas composition and the flame energy are adjusted so that the injected powder particles melt completely and form a thick layer composite.
  • the TiO 2 layer is sprayed on as the actual sliding layer without interruption, with the chamber vacuum remaining constant, but with adaptation of the flame energy by regulating the arc current and the flame enthalpy by changing the Ar / He mixing ratio and adding H 2 .
  • Their structure is extra low in pores and compact. Due to the kinetic impact energy of the molten TiO 2 particles, the desired lamellar layer structure 35 is formed, which, however, is not visible in the pure micrograph. Due to the particle speed in the ArHeH 2 -
  • Vacuum plasma flame the residence time of the molten TiO 2 droplets above the process temperature critical for a loss of O 2 is much shorter than in comparable processes of thermal spraying.
  • the TiO 2 layer 32 produced according to the invention is harder and more stable and does not yet show the otherwise typical lamellar structure in the pure micrograph, which is caused by O 2 losses.
  • the layer thickness of the TiO 2 layer 32 is preferably 100 ⁇ m and exceeds 200 ⁇ m only in special cases.
  • the Ti layer 31 as an adhesive layer can be dispensed with.
  • the prerequisite for this is the mechanical preparation of the joint surface practically to the final dimension.
  • the sliding layer only has to be sprayed on so thick that only the TiO 2 layer 32 is always processed during the production of the surface quality, ie the Ti layer 31 or the carrier material is not worked out. In almost all cases, 100 ⁇ m TiO 2 thickness is sufficient for this.
  • TiO 2 powder with a grain size of 5 to 25 ⁇ m is preferably used for the TiO 2 layer 32.
  • the sliding layer surface 34 already has an average roughness of less than 10 ⁇ m, which means that the mechanical Postprocessing reduced.
  • the structural stability is improved by the finer spray cake 35, which favors the mechanical finishing.
  • Fine granularity of the spray powder in connection with the high flame temperature and particle speed extend the flight distance within which the injected particles have melted. Therefore, several joint endoprostheses are advantageously moved in the spray jet with special substrate holders so that their sliding surfaces are coated simultaneously and immediately one after the other.
  • the adhesive force of the sliding layer according to the invention made of TiO 2 , its spray layer density and internal structural stability and the surface quality thereby achieved in mechanical post-processing recommend its usability as a sliding surface in technical applications, for example for protecting a highly stressed propeller shaft.

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Description

GLEITSCHICHT FÜR GELENKENDOPROTHESEN UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft eine auf die Gleitfläche einer Gelenkendoprothese direkt oder über eine Zwischenschicht aufgebrachte Gleitschicht aus TiO2 und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Aufgrund der geforderten Körperverträglichkeit werden für Endoprothesen nur bestimmte Materialien zugelassen. Man unterscheidet dabei biotolerante, bioinerte und bioaktive Stoffe. Zur ersten Gruppe gehört z.B. Knochenzement, mit welchem eine Endoprothese unmittelbar bei der Operation im eingesetzten Knochengewebe verankert wird. Auch die metallischen Endoprothesen selbst sind der ersten Gruppe, zuzuordnen. Körperverträglichkeit in Verbindung mit der geforderten mechanischen Stabilität beschränken die für Endoprothesen geeigneten Metalle auf im wesentlichen Edelstahle, CoCr - Legierungen, Titan und Titanlegierungen.
Mit Hilfe von Beschichtungen wird versucht, biotoleranten Endoprothesen an ihrer Oberfläche bioinerte oder sogar bioaktive Eigenschaften zu verleihen. Ziel solcher Beschichtungen ist es, mit Hilfe spezieller Oberflächenstrukturen das Verwachsen mit dem Knochen günstig zu beeinflussen. Aus der DE-A-2 313 678 ist z.B. eine Beschichtung aus Titan, TiO2 und Al2O3 bekannt, mit einer durch Flammspritzen erzeugten porigen Struktur. Auch die WO 86/06617 beschreibt eine sehr rauhe und offenporige Schicht aus Titan und bioaktiven Materialien, wobei als äußerste Oberfläche ausdrücklich auch TiO2 vorgeschlagen wird.
Bei Gelenkendoprothesen, z.B. künstlichen Knie- oder Hüftgelenken, werden neben mechanischer Stabilität und spezieller Oberflächengestaltung zusätzlich gute Gleiteigenschaften im Gelenkbereich gefordert, unter Beibehaltung der Körperverträglichkeit. Leider zeigen die für Endoprothesen geeigneten Metalle und
Metall-Legierungen nicht befriedigende Gleiteigenschaften. Besonders die aus Gewichtsgründen und wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften bevorzugten Titan und Titan-Legierungen sind unter der spezifischen Gelenkbelastung zu wenig abriebfest. Die korrosiven Bedingungen im menschlichen Körper verstärken diesen Effekt, wobei metallischer Abrieb und Korrosionsprodukte in der künstlichen Gelenkkapsel entstehen. Die Zähigkeit der Titanlegierungen, ihre Neigung zum Verschweißen mit dem Bearbeitungswerkzeug und ihre schlechte Wärmeleitfähigkeit erschweren zusätzlich die Herstellung geeigneter glatter Gleitflächen.
Als nahezu ideale Gelenkgestaltung hat sich die Paarung Keramik mit Kunststoff erwiesen. Stand der Technik ist z.B., einen Hüftgelenkprothesenschaft aus Ti - Legierung mit einem Gelenkkopf aus Al2O3 - Keramik zu versehen und diesen mit einer Gelenkpfanne aus Polyethylen als Gelenkpartner zu kombinieren, welche ihrerseits in eine metallische Gelenkpfanne eingesetzt ist. Leider sind z.B. Kniegelenke nicht in dieser Ausführungsform realisierbar. Anstelle der Keramikoberfläche gleitet in einem künstlichen Kniegelenk der metallische Femur in einer auf der Tibia befestigten Gelenkpfanne aus Kunststoff. Deshalb wird für die Herstellung des metallischen Femurs die wesentlich schwerere CoCr - Legierung bevorzugt, welche reltiv bessere, im Vergleich zu Keramik aber schlechtere Gleiteigenschaften besitzt. Aber auch künstliche Schulteroder Hüftgelenke erfordern in bestimmten Fällen metallische Gelenkkugeln.
Schon frühzeitig wurde deshalb versucht, mittels Beschichtungen die Gleitfähigkeit der metallischen Träger zu verbessern. So ist z.B. bekannt, verschleißbeanspruchte Komponenten aus Titanwerkstoffen mit sehr hartem Titannitrid oder Titankarbid zu beschichten, welche ausgezeichnete Gleiteigenschaften besitzen. Leider sind solche aus der chemischen oder physikalischen Gasphase abgeschiedenen Schichten mit Schichtdicken imμm-Bereich nicht geeignet, mechanisch unzureichend vorbearbeitete Gleitflächen einzuglätten. Trotz ihrer Stabilität sind sie zu dünn, um die spezifische Belastung im Gelenkbereich lange zu überstehen.
Veranlaßt durch die guten Gleiteigenschaften von Keramik wurde versucht, die Gelenkoberfläche direkt mit einer Al2O3-Spritzschicht zu beschichten, wobei Flamm- und Plasma-Spritzen zur Schichtherstellung eingesetzt wurden. Solche Al2O3 - Schichten sind mechanisch nachbearbeitbar. In einem Schleif- und nachfolgenden Polierprozeß lassen sich sogar hinreichend glatte Oberflächen erzeugen. Leider besteht eine Al2O3 - Spritzschicht im Gegensatz zur Keramik-Vollkugel immer aus einer Mischung vonα - undɣ-Phase. Da sich dieɣ -Phase im Körper auflöst, ist die Lebensdauer der gespritzten Al2O3 - Gleitfläche beschränkt. Ein Umwandeln der ɣ -Phase in dieα-Phase durch einen Glühprozess nach dem Spritzen ist nicht möglich, da sich bei den erforderlichen Temperaturen die mechanischen Eigenschaften der metallischen Träger ungünstig verändern.
Auch TiO2 ist auf Gelenk-Kugeln schon erzeugt worden, einmal galvanisch (Biomaterials 1981, Seite 221 bis 224), zum anderen durch anodische Oxidation. Beide Schichttypen sind nicht dicht genug oder neigen zum Abplatzen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Gleitschicht der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche auf den metallischen Werkstoffen für Endoprothesen sehr gut haftet, absolut körperverträglich und korrosionsbeständig ist, sich insbesondere nicht im Körper auflöst und innere Strukturstabilität besitzt, um die notwendige mechanische Bearbeitung zur Herstellung glatter Gleitoberflächen zu gestatten, welche die
Gleiteigenschaften von Keramik besitzen sollen, verbunden mit deren Abriebsfestigkeit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf den Gleitbereich der metallischen Gelenkendoprothese aufgespritzte Gleitschicht eine bioinerte TiO2 - Schicht mit porenfreier, besonders kompakter und ausgeprägter Lamellenstruktur ist, welche im metallographischen Schliffbild allerdings erst durch eine Anätzung sichtbar wird.
Vorteilhaft ist auf die Gelenkendoprothese eine biotolerante Ti - Schicht als Zwischenschicht und Haltvermittler und unmittelbar anschließend die bioinerte TiO2 - Schicht aufgespritzt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung solcher Gleitschichten ist dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Verfahren des thermischen Spritzens, welches sehr hohe Partikelgeschwindigkeiten ermöglicht, TiO2 - Pulverpartikel aufgeschmolzen und als
Flüssigkeitströpfchen mit großer kinetischer Energie auf der Oberfläche der Gelenkendoprothese abgeschieden werden. Sie zerplatzen dabei und bilden flache Spritzfladen, welche die kompakte und porenfreie Spritzschicht lamellenartig aufbauen.
Zweckmäßig werden vor dem Aufschmelzen und Abscheiden der TiO2 - Pulverpartikel zunächst Ti - Pulverpartikel aufgeschmolzen und als Flüssigkeitströpfchen mit großer kinetischer Energie abgeschieden.
Vorteilhaft wird die Gleitschicht durch
Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) hergestellt, unter Ausnützung der an sich bekannten Vorteile dieser
Beschichtungstechnik, wie sie z.B. in der DE-A-34 22 718 beschrieben sind. Die Bevorzugung dieser Beschichtungstechnik erfolgt aber auch aus Gründen der Hygiene.
Dieses Verfahren erlaubt es, die TiO2 - Keramik so strukturstabil und gleichzeitig so dick zu spritzen, daß auf der einen Seite die geforderte Oberflächenglattheit durch mechanische Nachbearbeitung erreicht wird, auf der anderen Seite genügend Schicht als Schleifreserve vorhanden ist, um z.B. Gelenkkugelrundheitswerte zu minimalisieren.
Besonders vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gleitschicht und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 8 und 12 bis 16.
Insbesondere ist die Schichtporosität deutlich unter 1%, was für die erreichbare Oberflächengüte sehr wichtig ist.
Zweckmäßig wird die Oberfläche der zu beschichtenden Gelenkendoprothese im Bereich der Gleitfläche entfettet, durch Sandstrahlen mit reinemcC-Al-O-. aufgerauht, mit einem übertragenen Lichtbogen unmittelbar vor dem Beschichten von Oxidhäutchen befreit und dabei gleichzeitig leicht erwärmt und entgast.
Es ist empfehlenswert, zunächst eine Ti - Schicht als Haftvermittler aufzuspritzen, wobei die Schichtdicke unter 50 μm liegen sollte. Die Ti - Spritzpulverkörnung ist auf 40μ m zu begrenzen, damit eine relativ glatte Grenze zur nachfolgenden TiO2 - Schicht entsteht.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, die Gleitfläche vor dem Beschichten weitgehend auf Paßform zu bearbeiten, so daß die erfindungsgemäße Gleitschicht nur noch nachpoliert werden muß.
Die TiO2 - Spritzschicht hat eine Schichtdicke von wenigstens 50μm, ist bevorzugt 0,1 mm dick und übersteigt 0,2 mm nur in besonderen Fällen. In bevorzugter Ausführung erfolgt die Herstellung der TiO2 - Schicht unter Verwendung von Spritzpulver einer Körnung 5 bis 25μm.
Vorteilhaft werden bis zu sechs Gelenkendoprothesen mit Hilfe entsprechend ausgebildeter Substrathalter derart im Spritzstrahl bewegt, daß eine Simultanbeschichtung der Gleitflächen erfolgt.
Die Beschichtung erfolgt bevorzugt bei einem Kammerdruck von 100 mbar für die Ti - Schhicht und die TiO2 - Schicht als eigentliche Gleitschicht.
In bevorzugter Ausführung wird die Ti - Schicht der erfindungsgemäßen Gleitschicht mit einer nicht reduzierend wirkenden Plasmaflamme und die TiO2 - Schicht mit einer reduzierend wirkenden Plasmaflamme aufgespritzt.
In besonderen Fällen kann auf die Ti - Schicht als Haftschicht verzichtet werden, insbesondere wenn die TiO2 - Schicht 100μm nicht übersteigt.
Auf den Einbau einer sich aus Ti und TiO2 zusammensetzenden Zwischenschicht, unmittelbar nach der Ti - Haftschicht und unmittelbar vor der reinen TiO2 - Deckschicht aufgespritzt, wird bewußt verzichtet.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung und an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einem Schnitt parallel zur Femurachse in schematischer Darstellung eine Femurprothese für ein künstliches Kniegelenk. Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung die auf der
Gleitfläche aufgespritzte Gleitschicht im Detail A aus Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Gelenkendoprothese 1 dargestellt. Im gezeigten Beispiel wurde bewußt eine Femurproth.ese gewählt, deren unbeschichtete, ursprüngliche Gleitfläche 2 durch Sandstrahlen mitα-Al2O-3 - Partikeln auf eine mittlere Rauhigkeit von etwa 30μm aufgerauht ist, mit Hilfe eines übertragenen Lichtbogens unmittelbar vor der Beschichtung von der natürlichen
Oberflächenoxidationsschicht befreit wurde und dabei getrocknet, entgast und auf wenigstens 150° C aufgewärmt wurde. Diese Vorbereitung sichert die Haftkraft einer erfindungsgemäßen Gleitschicht 3 auch dann, wenn in einer speziellen Ausführungsform eine TiO2 - Schicht 32 ohne Ti - Schicht 31 als Unter- , Zwischen- oder Haftschicht aufgespritzt wird. Gleichzeitig wird durch diese Vorbehandlung eine sichere Sterilisation der zu beschichtenden Oberfläche erreicht.
Die Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche 2 mit der Gleitschicht erfolgt bei einem Kammerdruck von 100 mbar mit Hilfe einer nicht reduzierenden Plasmaflamme, bevorzugt mit einer Ar/He - Gasmischung unter Abwesenheit von H2. Dies ist besonders für Endoprothesen aus Ti oder Ti-Legierungen wichtig zur Vermeidung einer Wasserstoffversprödung der Oberfläche, was eine gefährliche Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften bewirken kann. Unmittelbar nach der Reinigung wird zunächst eine Ti - Schicht 31 dicht und fest haftend aufgespritzt, wobei die Flammenergie so eingestellt ist, daß alle Pulverpartikel aufgeschmolzen sind. Die Schichtdicke dieser ersten Lage der Gleitschicht 3 liegt unter 50^-tm, ihre Oberfläche 33 hat eine mittlere Rauhigkeit aufgrund der gewählten Ti - Pulverkörnung kleiner 20μm. Der Kammerdruck entspricht dem Druck für die Oberflächenreinigung. Die Plasmagas-Zusammensetzung und die Flammenergie sind so eingestellt, daß die injektierten Pulverpartikel vollständig aufschmelzen und einen dicken Schichtverbund ausbilden.
Ohne Unterbrechung, bei gleichbleibendem Kammerunterdruck, aber unter Anpassung der Flammenergie durch Regelung des Lichtbogenstromes und der Flammenthalpie durch Veränderung des Ar/He - Mischungsverhältnisses und Zugabe von H2, wird die TiO2 - Schicht als eigentliche Gleitschicht aufgespritzt. Ihre Struktur ist extra porenarm und kompakt. Aufgrund der kinetischen Auftreffenergie der geschmolzenen TiO2 - Partikel entsteht der gewünschte lamellare Schichtaufbau 35, welcher allerdings im reinen Schliffbild nicht sichtbar ist. Aufgrund der Partikelgeschwindigkeit in der ArHeH2 -
Vakuum-Plasmaflamme ist die Verweilzeit der geschmolzenen TiO2 - Tröpfchen oberhalb der für einen Verlust an O2 kritischen Prozeßtemperatur viel kürzer als bei vergleichbaren Verfahren des thermischen Spritzens. Trotz reduzierender Plasmaflamme ist die erfindungsgemäß hergestellte TiO2 - Schicht 32 härter und stabiler und zeigt im reinen Schliffbild noch nicht die sonst typische Lamellenstruktur, welche durch O« - Verluste verursacht wird. Diese Eigenschaften ermöglichen die mechanische Nachbearbeitung der Gleitschichtoberfläche 34 und die Herstellung der Oberfläche 36 mit mittlerer Rauhigkeit deutlich unter 0,1μm.
Aufgrund der genannten Erklärung für die spezifischen Eigenschaften der TiO2 - Gleitschicht liegt es nahe, auch andere Verfahren der thermischen Spritztechnik zu ihrer Herstellung zu nutzen, welche ebenfalls eine hohe Gas- und damit Partikelgeschiwindigkeit erzeugen, z.B. Beschichtung im Detonationsverfahren oder mit Hilfe von Flammspritzen mit Nachbeschleunigung der Gasflamme. Die Gründe der Schichthygiene, die Vorteile der Oberfläch-enreinigung und die Möglichkeit, die Ti - Schicht 31 als Haftschicht ohne O2 - Reaktion aufbringen zu können, machen die VPS-Technik zum bevorzugten und am besten geeignetsten Herstellverfahren für die erfindungsgemäße Gleitschicht.
Die Schichtdicke der TiO2 - Schicht 32 beträgt bevorzugt 100μ m und übersteigt 200μ m nur in Sonderfällen. Für Schichtdicken unter 100 μm kann auf die Ti - Schicht 31 als Haftschicht verzichtet werden. Voraussetzung hierfür ist die mechanische Vorbearbeitung der Gelenkfläche praktisch auf Endmaß. Die Gleitschicht muß nur so dick aufgespritzt werden, daß bei der Herstellung der Oberflächengüte sicher immer nur die TiO2 - Schicht 32 bearbeitet wird, die Ti - Schicht 31 oder das Trägermaterial also nicht herausgearbeitet werden. Dafür ist in fast allen Fällen 100 μm TiO2 - Dicke ausreichend.
Für die TiO2 - Schicht 32 wird bevorzugt TiO2 - Pulver der Körnung 5 bis 25μm verwendet. Zum einen besitzt dann die Gleitschichtoberfläche 34 schon eine mittlere Rauhigkeit von unter 10μm, wodurch sich die mechanische Nachbearbeitung vermindert. Zum andern ist die Strukturstabilität durch die feineren Spritzfladen 35 verbessert, was die mechanische Nachbearbeitung begünstigt.
Feinkörnigkeit der Spritzpulver in Verbindung mit der hohen Flammtemperatur und Partikelgeschwindigkeit erweitern die Flugstrecke, innerhalb der die injektierten Partikel geschmolzen sind. Vorteilhaft werden deshalb mit speziellen Substrathaltern mehrere Gelenkendoprothesen so im Spritzstrahl bewegt, daß ihre Gleitflächen gleichzeitig und unmittelbar nacheinander beschichtet werden.
Die Haftkraft der erfindungsgemäßen Gleitschicht aus TiO2, ihre Spritzschichtdichte und innere Strukturstäbilität und die dadurch erreichte Oberflächengüte in der mechanischen Nachbearbeitung empfehlen die Verwendbarkeit als Gleitfläche in technischen Applikationen, beispielsweise zum Schutz einer hochbeanspruchten Gelenkwelle.
Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen den Schutzbereich nicht einschränken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Auf die Gleitfläche (2) einer Gelenkendoprothese (1) direkt oder über eine Zwischenschicht aufgebrachte Gleitschicht (3) aus TiO2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die auf den Gleitbereich der metallisahen
Gelenkendoprothese (1) aufgespritzte Gleitschicht (3) eine bioinerte TiO2 - Schicht (32) mit porenfreier, besonders kompakter und ausgeprägter Lamellenstruktur ist.
2. Gleitschicht nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß auf die Gelenkendoprothese eine biotolerante Ti-Schicht (31) als Zwischenschicht und Haftvermittler und unmittelbar anschließend die bioinerte TiO2 -Schicht (32) aufgespritzt ist.
3. Gleitschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Porosität der TiO2 - Schicht (32) deutlich unter 1% liegt.
4. Gleitschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die TiO2 - Schicht (32) eine Schichtdicke von wenigstens 50μm und vorzugsweise von 0,1 mm hat.
Gleitschicht nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die TiO2 - Schicht (32) eine Schichtdicke von über 0,2 mm hat.
6. Gleitschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die TiO2 - Schicht (32) unter Verwendung von Spritzpulver einer Körnung 5 bis 25μ m hergestellt ist.
1. Gleitschicht nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ti - Schicht (31) eine Schichtdicke von weniger als 50 μm hat.
8. Gleitschicht nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ti-Schicht (31) unter Verwendung von Spritzpulver einer Körnung von höchstens 40 μm hergestellt ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer auf die Gleitfläche (2) einer Gelenkendoprothese (1) aufgebrachten Gleitschicht (3) aus TiO2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß nach einem Verfahren des thermischen Spritzens TiO2 - Pulverpartikel aufgeschmolzen und als Flüssigkeitströpfchen mit großer kinetischer Energie auf der Oberfläche der Gelenkendoprothese (1) abgeschieden werden.
10. Verfahren nach Anspuch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß vor dem Aufschmelzen und Abscheiden der TiO2 - Pulverpartikel zunächst Ti - Pulverpartikel aufgeschmolzen und als Flüssigkeitstropfchen mit großer kinetischer Energie abgeschieden werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gleitschicht (3) durch Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Oberfläche der zu beschichtenden Gelenkendoprothese (1) im Bereich der Gleitfläche (2) entfettet, durch Sandstrahlen mit reinemα-Al2O3 aufgerauht, mit einem übertragenen Lichtbogen unmittelbar vor dem Beschichten von Oxidhäutchen befreit und dabei gleichzeitig erwärmt und entgast wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch g e k e n n z e i ch n e t, daß die Gleitfläche (2) vor dem Beschichten weitgehend auf Paßform bearbeitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß bis zu sechs Gelenkendoprothesen (1) mit Hilfe entsprechend ausgebildeter Substrathalter derart im Spritzstrahl bewegt werden, daß eine Simultanbeschichtung der Gleitflächen (2) erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gleitschicht (3) bei einem Kammerdruck von 100 mbar aufgespritzt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Ti - Schicht (31) als Haftschicht der Gleitschicht (3) mit einer nicht reduzierend wirkenden Plasmaflamme und eine TiO2 - Schicht (32) als Deckschicht der Gleitschicht (3) mit einer reduzierend wirkenden Plasmaflamme aufgespritzt wird.
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