DE60110197T2

DE60110197T2 - Künstliches gelenk aus einer zirkonium-aluminiumverbundkeramik

Info

Publication number: DE60110197T2
Application number: DE60110197T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Nawa; Tomiharu Matsushita; Moriyoshi Kobe-shi KANAMARU; Takashi Kyoto-shi NAKAMURA
Original assignee: Nakamura Takashi Kyoto; Kobe Steel Ltd; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Nakamura Takashi Kyoto; Kobe Steel Ltd; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2021-08-07
Also published as: EP1228774B1; WO2002011780A1; DE60110197D1; EP1228774A4; CN1386067A; CN1226053C; KR100506469B1; EP1228774A1; US20020198602A1; TW537907B; KR20020059603A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein künstliches Gelenk, das aus einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik hergestellt ist, welche eine ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit und eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, und sorgt für eine lange Zeitperiode mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit für eine gute Gelenkbewegung und -funktion.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In der Vergangenheit sind künstliche Gelenke benutzt worden, um die Gelenkbewegung und -funktion von Patienten mit beschädigten Gelenken oder arthritischen Gelenken wiederherzustellen. Zum Beispiel ist ein herkömmliches künstliches Hüftgelenk zusammengesetzt aus einer acetabularen Pfanne aus einem Polyethylen ultrahohen Molekulargewichts und einem Knochenelement aus einer Kobalt-Chrom-Legierung oder aus einer Keramik wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid. Das Knochenelement besitzt einen Kopf von im wesentlichen kugelförmiger Form, welcher gleitend mit einer inneren Fläche der acetabularen Pfanne in Verbindung steht, um für eine Gelenkbewegung des künstlichen Hüftgelenks zu sorgen. Wenn die Kombination aus Polyethylen und dem Metall oder dem keramischen Material gewählt wird, ist die Abnutzung des Polyethylens viel stärker als die des Metalls oder des keramischen Materials. In den letzten Jahren ist berichtet worden, daß die Verwendung von keramischem Material und insbesondere von Zirkoniumdioxid wirkungsvoll ist, um die Abnutzung des Polyethylens zu verringern.
Auf der anderen Seite werden, wenn das künstliche Gelenk für eine lange Zeitperiode benutzt wird, feine Abriebteilchen von dem künstlichen Gelenk erzeugt. Wenn zum Beispiel große Mengen an Polyethylen-Abriebteilchen erzeugt werden, ruft dies ein ernstes Problem hervor, das im folgenden beschrieben wird. Da nämlich die Polyethylen-Abriebteilchen aus feinen Pulvern mit einer Partikelgröße im Submikronen- bis Mikronenbereich sind, werden sie zu einer Ursache für Osteolyse, also Auflösungserscheinungen von Knochen, die in vivo um das künstliche Gelenk herum hervorgerufen werden. Außerdem wird durch den Abriebverlust von Polyethylen an dem künstlichen Gelenk eine Lockerung bewirkt. Als Folge muß das benutzte künstliche Hüftgelenk etwa 10 bis 15 Jahre nach der ursprünglichen medizinischen Operation durch ein neues ersetzt werden.
Als ein herkömmliches künstliches Gelenk offenbart zum Beispiel US-Patentschrift 6,241,773 einen biomedizinischen Gegenstand, der aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt ist. Diese Aluminiumoxidkeramik enthält Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,95 % oder mehr und 100 ppm oder weniger Kalziumoxid oder Magnesiumoxid. Diese Aluminiumoxidkeramik weist eine ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit und eine hohe Dreipunkt-Biegefestigkeit von 600 MPa oder mehr auf. Es herrscht jedoch die allgemeine Ansicht, daß die Variationen in den mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxidkeramiken sehr groß sind. Deswegen gibt es hinsichtlich der Aussichten, eine stabile Gelenkbewegung mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit für eine lange Zeitperiode bereitzustellen, immer noch viel Spielraum für Verbesserungen. Außerdem besteht das Problem, daß es schwierig ist, die oben erwähnte Aluminiumoxidkeramik mit verbesserten Produktionserträgen beständig zu liefern.
Auf der anderen Seite schlugen die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung in der Japanischen (Frühen) Patentveröffentlichung 11-228221 einen Sinterkörper aus einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik für eine biologische Verwendung vor. Dieser keramische Sinterkörper ist aus einer ersten Phase aus Zirkoniumdioxidkörnern, die Cerdioxid und Titandioxid als Stabilisatoren für das tetragonale Zirkoniumdioxid enthält, und einer zweiten Phase aus Aluminiumoxidkörnern zusammengesetzt. Dieser keramische Sinterkörper ist von poröser Struktur und weist ein Elastizitätsmodul von 150 GPa und eine hohe Biegefestigkeit (170 MPa) auf, verglichen mit herkömmlichem Apatit. Um jedoch für eine erhöhte Abnutzungsbeständigkeit und eine geschmeidige Gelenkbewegung bei der Benutzung des künstlichen Gelenks in vivo für die lange Zeitperiode zu sorgen, besteht viel Spielraum für weitere Verbesserungen des herkömmlichen künstlichen Gelenks.
Dokument WO 99/27871 beschreibt künstliche Gelenke von Prothesen, wobei ein Sintermaterial bereitgestellt wird, welches Zirkoniumoxid mit einem Zusatz von 0,1 bis 40 Gew.% Aluminiumoxid enthält.
Dokument EP 0 435 677 A2 beschreibt ein Sinterprodukt aus einem Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Verbundstoff, welches eine kristalline Zirkoniumdioxidphase, die hauptsächlich aus tetragonalem Zirkoniumdioxid zusammengesetzt ist, und eine kristalline Aluminiumoxidphase umfaßt.
Dokument EP-0 834 484 A1 beschreibt ein keramisches Material auf Zirkoniumdioxidbasis und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das Material umfaßt eine erste Phase von ZrO₂-Körnern, die CeO₂ als Stabilisator enthalten.
Aus US 4,690,911 ist eine Zirkoniumdioxidkeramik und ein Verfahren zur Herstellung derselben bekannt, wobei die Zirkoniumdioxidkeramik ZrO₂, CeO₂ und Al₂O₃ in Form tetragonaler Kristalle umfaßt.
Dokument DE-195 40 452 A1 beschreibt ebenfalls ein keramisches Material auf Zirkoniumdioxidbasis, das 0,5 bis 50 Vol.% Al₂O₃ enthält.
JP-A-11228221 beschreibt eine Cerdioxid- und Titandioxid-stabilisierte Zirkoniumdioxidkeramik, die darin dispergierte Aluminiumoxidpartikel aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein künstliches Gelenk bereitzustellen, das aus einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik hergestellt ist, welches die Fähigkeit besitzt, eine geschmeidige Gelenkbewegung mit einem geringen Reibungskoeffizienten zu erreichen, während die Abnutzungsbeständigkeit durch Verbessern der Struktur eines keramischen Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundmaterials erhöht wird, um die erzeugte Menge an Abriebteilchen zu verringern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein künstliches Gelenk gemäß Anspruch 1, Ansprüche 2 bis 4 sind bevorzugte Ausführungsformen des erfinderischen künstlichen Gelenks nach Anspruch 1.
Das heißt, das künstliche Gelenk der vorliegenden Erfindung umfaßt ein erstes Knochenelement und ein zweites Knochenelement, welches mit einem Teil des ersten Knochenelementes gleitend in Verbindung steht, so daß ein Gelenkbereich gebildet wird. Mindestens eines der ersten und zweiten Knochenelemente ist aus der Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik hergestellt. Diese Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik umfaßt eine Matrixphase aus Zirkoniumdioxidkörnern und eine zweite Phase aus Aluminiumoxidkörnern, die in der Matrixphase dispergiert sind. Die Zirkoniumdioxidkörner der Matrixphase enthalten Cerdioxid als Stabilisator in solcher Menge, daß die Matrixphase im wesentlichen aus tetragonalem Zirkoniumdioxid besteht. Die Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ihre durchschnittliche Korngröße innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 0,35 μm liegt.
In dem oben beschriebenen künstlichen Gelenk sind sowohl das erste als auch das zweite Knochenelement aus der Verbundkeramik hergestellt, und der Gelenkbereich wird durch einen Gleitkontakt zwischen den Verbundkeramiken gebildet. In diesem Fall verringert das künstliche Gelenk, wenn es für eine lange Zeitperiode in vivo benutzt wird, besonders wirkungsvoll die erzeugte Menge an Abriebteilchen und verhindert das Phänomen der Osteolyse.
Es wird bevorzugt, daß ein Anteil der zweiten Phase in der oben beschriebenen Verbundkeramik innerhalb eines Bereichs von 25 bis 40 Vol.% liegt.
In dem oben beschriebenen künstlichen Gelenk wird darüber hinaus bevorzugt, daß Teile der Aluminiumdioxidkörner im Inneren der Zirkoniumdioxidkörner dispergiert sind.
Weitere Merkmale und Effekte, die durch die vorliegende Erfindung hervorgebracht werden, sind deutlicher zu verstehen anhand der besten An, die Erfindung auszuführen, die im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erklärt wird.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines künstlichen Gelenks einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine rasterelektronenmikroskopische Fotografie, die eine Struktur der Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik zeigt; und
3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Fotografie (hohe Vergrößerung), die eine Struktur der Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik zeigt.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im folgenden wird ein künstliches Gelenk, das aus einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, detailliert erklärt.
Eine Ausführungsform des künstlichen Gelenks der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Dieses künstliche Gelenk umfaßt einen Kopf 20 (erstes Knochenelement) von kugelförmiger Form und einen Fuß 10, dessen eines Ende in eine Öffnung 21 eingefügt werden kann, die in einem unteren Bereich des Kopfes 2 gebildet ist, um den Kopf aufzunehmen, eine innere Pfanne 30 (zweites Knochenelement) mit einem ersten konkaven Bereich 31, der eine hochglanzpolierte Fläche als innere Oberfläche aufweist, Schrauben 42, die auf der äußeren Oberfläche herausragen, welche verwendet werden können, um das künstliche Gelenk in vivo zu befestigen, und eine äußere Pfanne 40 mit einem zweiten konkaven Bereich 41, in welchem die innere Pfanne 30 untergebracht werden kann. Die äußere Oberfläche des Kopfes, welche die hochglanzpolierte Oberfläche ist, steht gleitend mit dem ersten konkaven Bereich 31 der inneren Pfanne 30 in Verbindung, um einen Gelenkbereich zu bilden. In 1 kennzeichnen die Ziffern 12 und 43 poröse Bereiche, die in der äußeren Oberfläche des Fußes 10 und der äußeren Pfanne 40 gebildet sind. Die porösen Bereiche verbessern die Haftung zwischen dem künstlichen Gelenk und dem Knochen durch einen Ankereffekt.
Sowohl das erste Knochenelement, wie z.B. der oben beschriebene Kopf 20, als auch das zweite Knochenelement, wie z.B. die oben beschriebene innere Pfanne 30, ist aus einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik hergestellt, die eine Matrixphase aus Zirkoniumdioxidkörnern und eine zweite Phase aus Aluminiumoxidkörnern enthält, die in der Matrixphase dispergiert sind.
Ein Anteil der Matrixphase in der Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung liegt bei 50 Vol.% oder mehr. Die Zirkoniumdioxidkörner der Matrixphase bestehen im wesentlichen aus tetragonalem Zirkoniumdioxid. Konkret beträgt eine Menge an tetragonalem Zirkoniumdioxid in der Matrixphase 90 Vol.% oder mehr und insbesondere 95 Vol.% oder mehr. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist es möglich, die Festigkeit der Verbundkeramik gemäß einer spannungsinduzierten Phasenumwandlung von tetragonalem Kristall zu monoklinem Kristall zu verbessern.
Um die Matrixphase bereitzustellen, die im wesentlichen aus tetragonalem Zirkoniumdioxid besteht, enthalten die Zirkoniumdioxidkörner Cerdioxid als Stabilisator. Um insbesondere die oben beschriebene Menge an tetragonalem Zirkoniumdioxid zu erhalten, liegt der Anteil an Cerdioxid innerhalb eines Bereichs von 8 bis 12 mol.% und insbesondere 10 bis 12 mol.%, bezogen auf die Gesamtmenge an Zirkoniumdioxid. Wenn der Anteil weniger als 8 mol.% beträgt, erhält man keine ausreichende Menge des tetragonalen Kristalls, der eine metastabile Phase darstellt. Als Folge kann, da sich der Anteil des monoklinen Kristalls relativ zu dem tetragonalen Kristall vergrößert, der Effekt des Verbesserns der mechanischen Festigkeit, der durch die spannungsinduzierte Phasenumwandlung erbracht wird, absinken. Auf der anderen Seite beginnt, wenn der Anteil mehr als 12 mol.% beträgt, ein kubischer Kristall aufzutreten, der bei hoher Temperatur eine stabile Phase darstellt. Als Folge kann, da sich der Anteil des kubischen Kristalls relativ zu dem tetragonalen Kristall vergrößert, der Effekt der spannungsinduzierten Phasenumwandlung wie im Fall des monoklinen Kristalls absinken.
Wenn erforderlich kann die Matrixphase ferner wenigstens ein Element aus der Gruppe enthalten, die aus Titandioxid, Kalziumoxid und Magnesiumoxid besteht.
Da Titandioxid als Stabilisator für tetragonales Zirkoniumdioxid fungiert, erhöht sich der kritische Spannungswert, der benötigt wird, um die spannungsinduzierte Phasenumwandlung zu bewirken. Als Folge trägt es dazu bei, die Festigkeit der Verbundkeramik weiter zu verbessern. Außerdem hat Titandioxid auch den Effekt, das Kornwachstum der Zirkoniumdioxidkörner zu beschleunigen. Deswegen können größere Mengen der Aluminiumoxidkörner im Inneren der Zirkoniumdioxidkörner dispergiert sein, wie später beschrieben wird. Dies bewirkt, daß die Festigkeit der Verbundkeramik weiter erhöht wird.
Um die obigen Effekte zu erzielen, liegt zum Beispiel der Anteil an Titandioxid innerhalb eines Bereichs von 0,02 bis 4 mol.% und insbesondere von 0,05 bis 1 mol.%, bezogen auf die Gesamtmenge an Zirkoniumdioxid. Wenn der Anteil an Titandioxid weniger als 0,02 mol.% beträgt, kann kein ausreichender Effekt, der durch das Kornwachstum des Zirkoniumdioxids hervorgebracht wird, erhalten werden. Wenn auf der anderen Seite der Anteil an Titandioxid mehr als 4 mol.% beträgt, dann tritt leicht ein abnormes Kornwachstum der Zirkoniumdioxidkörner auf. Als Folge besteht die Befürchtung, da sich die mechanische Festigkeit und die Abnutzungsbeständigkeit der Verbundkeramik verrigert, daß eine stabile Gelenkbewegung in vivo über eine lange Zeitperiode nicht gewährleistet werden kann. Deswegen ist es erforderlich, besonders auf einen oberen Grenzwert des Titandioxidanteils zu achten.
Magnesiumoxid und Kalziumoxid fungieren als Stabilisator für das tetragonale Zirkoniumdioxid und tragen zu Verbesserungen der Festigkeit und Zähigkeit der Verbundkeramik bei. Außerdem besteht, da die Harmonisierung der Korngrenze zwischen den Zirkoniumdioxidkörnern der Matrixphase und den Aluminiumoxidkörnern der zweiten Phase verbessert wird, der Vorteil, daß die Korngrenzenfestigkeit der Verbundkeramik erhöht wird.
Um die oben beschriebenen Effekte zu erhalten, wird zum Beispiel bevorzugt, daß der Anteil von wenigstens einem von Magnesiumoxid und Kalziumoxid innerhalb eines Bereichs von 0,005 bis 0,1 mol.% liegt und insbesondere von 0,05 bis 0,1 mol.%. Wenn der Anteil weniger als 0,005 mol.% beträgt, können die Wirkungen des Stabilisators nicht in ausreichendem Maß erhalten werden. Wenn auf der anderen Seite der Anteil 0,1 mol.% oder mehr beträgt, besteht die Befürchtung, daß die Stabilisierung des tetragonalen Zirkoniumdioxids verhindert wird. Wenn insbesondere Magnesiumoxid verwendet wird, erscheinen längliche Kristalle eines komplexen Oxids, das Magnesium enthält, als eine dritte Phase, so daß die Festigkeit durch das abnorme Kornwachstum der länglichen Kristalle verringert werden kann. Deswegen ist es erforderlich, besonders auf einen oberen Grenzwert der zugesetzten Menge von Magnesiumoxid zu achten.
Die Aluminiumoxidkörner der zweiten Phase sind in der Korngrenze und/oder dem Inneren der Zirkoniumdioxidkörner der Matrixphase dispergiert. Wenn insbesondere die Aluminiumoxidkörner im Inneren der Zirkoniumdioxidkörner dispergiert sind, dann werden die Zirkoniumdioxidkörner verstärkt, so daß sie die Festigkeit der Verbundkeramik verbessern. Dieser Effekt zeigt sich in ausreichendem Maße, wenn der Anteil der Anzahl der Aluminiumoxidkörner im Inneren der Zirkoniumdioxidkörner relativ zu den gesamten Aluminiumoxidkörnern in der Verbundkeramik 2 % oder mehr beträgt.
Es wird bevorzugt, daß der Anteil der zweiten Phase in der Verbundkeramik 0,5 Vol.% oder mehr und 50 Vol.% oder weniger beträgt, und insbesondere 25 bis 40 Vol.%. Wenn der Aluminiumoxidgehalt weniger als 0,5 Vol.% beträgt, besteht die Befürchtung, daß die Effekte der Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit der Verbundkeramik und der Erhöhung der Festigkeit der Zirkoniumdioxidkörner nicht in ausreichendem Maße erhalten werden. Wenn auf der anderen Seite der Gehalt 40 Vol.% übersteigt, dann besteht eine Neigung dazu, daß die Aluminiumoxidkörner aneinander gesintert werden. Als Folge können die Variationen in der Festigkeit der Verbundkeramik größer werden. Außerdem besteht, wenn der Gehalt 50 Vol.% überschreitet, die Matrixphase der Verbundkeramik aus den Aluminiumoxidkörnern. In solch einem Fall kann wegen einer erheblichen Verringerung der Festigkeit das künstliche Gelenk mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit der vorliegenden Erfindung nicht erhalten werden.
Um die Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung, in welcher die zweite Phase der Aluminiumoxidkörner und die Matrixphase der Zirkoniumdioxidkörner wesentliche Komponenten sind, auf künstliche Gelenke anzuwenden, haben die Erfinder herausgefunden, daß es dafür sehr wichtige Faktoren gibt, andere als die oben beschriebenen Zusammensetzungen. Dies ist, wie in 2 und 3 gezeigt, daß die Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung eine Struktur aufweist, in welcher äußerst feine Zirkoniumdioxid- und Aluminiumdioxid-Kristallkörner einheitlich dispergiert sind. Speziell liegt eine durchschnittliche Korngröße der Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik für die künstlichen Gelenke innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,35 μm.
Wenn das erste Knochenelement mit dem zweiten Knochenelement im Gelenkbereich des künstlichen Gelenks gleitend in Verbindung steht, wird ein Verfahren des Polierens der gleitenden Oberflächen der obigen Verbundkeramik benötigt, um Superspiegel-Oberflächen (z.B. eine Oberflächenrauhheit von 0,005 μm Ra oder weniger) zu erhalten, um eine geschmeidige Gelenkbewegung und -funktion zu erreichen. Wenn die durchschnittliche Korngröße 1 μm überschreitet, wird es schwierig, die Superspiegel-Oberflächen zu erhalten, weil die Zirkoniumdioxidkörner oder die Aluminiumoxidkörner leicht herausfallen. Außerdem tritt, wenn jene Körner aus dem künstlichen Gelenk, das in vivo über eine lange Zeitperiode benutzt wird, herausfallen, das Phänomen auf, daß die Abnutzungsbeständigkeit schnell verringert wird. Wenn die durchschnittliche Korngröße 0,8 μm oder weniger beträgt, wenigert sich das Herausfallen jener Körner an den gleitenden Oberflächen des künstlichen Gelenks, welche die Superspiegel-Oberflächen darstellen, merklich. Deswegen ist es möglich, eine Verbundkeramik mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit als ein Material für künstliche Gelenke bereitzustellen, die stabile mechanische Eigenschaften aufweisen. Wenn die durchschnittliche Korngröße weniger als 0,1 μm beträgt, wird es schwierig, die Rohmaterialpulver im Herstellungsprozeß zu handhaben und auch die Verbundkeramik ausreichend zu verdichten.
Als nächstes wird eine Ausführungsform des Verfahrens der Herstellung des künstlichen Gelenks der Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung erklärt. Zuerst wird als Ausgangsmaterial ein gemischtes Pulver aus Zirkoniumdioxid- und Aluminiumdioxidpartikeln derart vorbereitet, daß die oben beschriebenen Mischungsmengen erreicht werden. Wenn nötig, können innerhalb der obigen Mischungsmengen Titandioxid, Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid zugefügt werden. Es gibt keine Einschränkung hinsichtlich der Herstellungsgeschichte des Ausgangsmaterials und der Zerkleinerungs- und Mischbedingungen. Es ist jedoch erforderlich, die durchschnittliche Korngröße des gemischten Pulvers zu steuern, so daß ein Sinterkörper, den man durch Sintern des gemischten Pulvers unter geeigneten Bedingungen erhält, die oben beschriebene durchschnittliche Korngröße aufweist.
Nachdem das gemischte Pulver durch uniaxiales Pressen und/oder isostatisches Pressen geschmolzen worden ist, um ein Formteil mit der benötigten Form zu erhalten, wird für das Formteil ein druckloses Sintern bei einer Temperatur von 1400 °C oder mehr und 1600 °C oder weniger unter atmosphärischem Druck durchgeführt. Der Grund, warum die Temperatur von 1400 °C oder mehr angewendet wird, ist, daß es bei einer Temperatur von weniger als 1400 °C einer sehr langen Sinterzeit bedarf, um einen dichten Sinterkörper zu erhalten, oder es besteht die Befürchtung, daß man am Ende keinen dichten Sinterkörper erhalten kann. Da bei der Temperatur von 1600 °C oder mehr leicht das Kornwachstum auftritt, wird es außerdem schwierig, den Sinterprozeß zu steuern und dabei die durchschnittliche Korngröße bei weniger als 1 μm zu belassen. Insbesondere besteht eine Neigung dazu, daß lokal ein abnormes Kornwachstum der Zirkoniumdioxidkörner auftritt. Der erhaltene Sinterkörper wird zu einer gewünschten Form verarbeitet, und die gleitenden Oberflächen des Gelenkbereichs des künstlichen Gelenks werden hochglanzpoliert. Auf diese Weise kann das künstliche Gelenk der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Die Zubereitung der Rohmaterialpulver und die Steuerung der Sintertemperatur sind im übrigen sehr wichtig, um die Verbundkeramik mit einer durchschnittlichen Korngröße innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,35 μm zu erhalten. Im Hinblick auf die Schmelzbarkeit des gemischten Pulvers wird empfohlen, das gemischte Pulver der Zirkoniumdioxidpartikel mit einer spezi fischen Oberfläche von etwa 15 m²/g und die Aluminimoxidpartikel mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwa 0,2 μm zu verwenden.
Auf der anderen Seite kann, sogar wenn eine Sintertemperatur innerhalb des Bereichs von 1500 °C bis 1600 °C gewählt wird, die Verbundkeramik mit der durchschnittlichen Korngröße von 1 μm oder weniger erhalten werden. Wenn es jedoch erwünscht ist, die Verbundkeramik mit einer feinen durchschnittlichen Korngröße innerhalb des Bereichs von 0,1 μm bis 0,35 μm zu erzeugen, dann wird eine Sintertemperatur aus dem Bereich von 1400 °C oder mehr und 1500 °C oder weniger gewählt. Es ist daher durch Anwenden der geeigneten Kombination aus Zubereitung der Rohmaterialpulver und Steuerung der Sintertemperatur möglich, die Verbundkeramik beständig mit einer ultrafeinen Struktur zu liefern.
In dem künstlichen Gelenk der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eines des ersten und zweiten Knochenelements aus der oben beschriebenen Verbundkeramik hergestellt. Wenn zu Beispiel eines des ersten und zweiten Knochenelements aus der Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, kann das andere aus einem Polyethylen ultrahohen Molekulargewichts hergestellt sein oder aus einer Oxidkeramik, die hauptsächlich Aluminiumoxid umfaßt. Wenn die Kombination aus der Verbundkeramik und Polyethylen angewendet wird, wird der Gelenkbereich des künstlichen Gelenks durch einen Gleitkontakt zwischen der Verbundkeramik und Polyethylen gebildet. In ähnlicher Weise wird, wenn die Kombination aus der Verbundkeramik und der Oxidkeramik angewendet wird, der Gelenkbereich des künstlichen Gelenks durch einen Gleitkontakt zwischen der Verbundkeramik und der Oxidkeramik gebildet.
Wenn sowohl das erste als auch das zweite Knochenelement aus der Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, dann ist die Abnutzungsmenge, die im Gelenkbereich durch Benutzen des künstlichen Gelenks in vivo über eine lange Zeitperiode bewirkt wird, sehr gering, verglichen mit dem Fall, daß Polyethylen benutzt wird. Dadurch ist es möglich, das Problem der Osteolyse zu vermeiden. Da die Verbundkeramik überdies eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit aufweist, besteht der Vorteil, daß die Zuverlässigkeit weiter verbessert wird, verglichen mit dem Fall, daß die Oxidkeramik benutzt wird, die hauptsächlich Aluminiumoxid umfaßt. Es ist daher zu erwarten, daß als künstliche Knie-, Schulter- und Ellenbogengelenk, die in vivo unter strengeren Gleitbedingungen verwendet werden, anders als beim künstlichen Hüftgelenk das künstliche Gelenk mit dem ersten und zweiten Knochenelement aus der Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Da das künstliche Gelenk der Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit aufweist, kann außerdem die Lebensdauer sehr verlängert werden. Deswegen ist es möglich, die medizinische Operation des Ersetzens des gebrauchten künstlichen Gelenks durch ein neues etwa 10 bis 15 Jahre nach der letzten Operation zu vermeiden.
BEISPIELE
(Beispiel 1 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3)
Ein tetragonales Zirkoniumdioxidpulver (Gehalt an tetragonalem Zirkoniumdioxid: 98 Vol.%), das 10 mol.% Cerdioxid, 0,05 mol.% Titandioxid und 0,05 mol.% Kalziumoxid enthielt, bezogen auf die Gesamtmenge an Zirkoniumdioxid, wurde mit 30 Vol.% eines Aluminiumoxidpulvers, bezogen auf das Gesamtvolumen einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik, vermischt, um ein gemischtes Pulver zu erhalten. Nachdem dieses gemischte Pulver durch uniaxiales Pressen oder isostatisches Pressen geschmolzen worden war, um ein Formteil mit einer benötigten Form zu erhalten, wurde für dieses Formteil ein druckloses Sintern bei 1400 °C für 5 Stunden unter atmosphärischem Druck durchgeführt. Als Ergebnis wurde die Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik aus Beispiel 1 mit der durchschnittlichen Korngröße von 0,22 μm erhalten. Um die Abnutzungsbeständigkeit und den Reibungskoeffizienten dieser Verbundkeramik auszuwerten, wurde in Anwesenheit von destilliertem Wasser als Gleitflüssigkeit ein Stift-Scheiben-Abnutzungstest durchgeführt.
Als Vergleichsbeispiel 1 wurde ein Aluminiumdioxid-Sinterkörper mit der durchschnittlichen Korngröße von 1,43 μm verwendet. Außerdem wurde ein tetragonaler Zirkoniumdioxid-Sinterkörper mit der durchschnittlichen Korngröße von 0,19 μm, enthaltend als Stabilisator 3 mol.% Yttriumoxid, bezogen auf die Gesamtmenge an Zirkoniumdioxid, als Vergleichsbeispiel 2 verwendet. Außerdem wurde eine Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik mit der durchschnittlichen Korngröße von 1,38 μm, welche erhalten wurde durch druckloses Sintern eines gemischten Pulvers mit derselben Zusammensetzung wie in Beispiel 1 bei 1530 °C für 5 Stunden, als Vergleichsbeispiel 3 verwendet. Die durchschnittliche Korngröße wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops durch das Schnittpunkte-Verfahren gemessen, ohne eine Unterscheidung zwischen Zirkoniumdioxid und Aluminiumdioxid zu machen, nachdem eine Hitzebehandlung auf eine polierte Oberfläche des erhaltenen Sinterkörpers angewendet worden war.
Als nächstes wird nun eine Form des Probestücks für den Stift-Scheiben-Test erklärt. Der Stift ist ein Zylinderkörper mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 15 mm, und auf einem oberen Bereich des Zylinderkörpers wird ein kreisförmiger Kegel mit einem brechenden Winkel von 30° bereitgestellt. Das obere Ende des kreisförmigen Kegels ist mit einer flachen Spiegelfläche mit einem Durchmesser von 1,5 mm ausgeformt, welche als Gleitfläche verwendet wird. Die Oberflächenrauhheit dieser Gleitfläche beträgt 0,005 μm Ra oder weniger. Auf der anderen Seite weist eine Scheibe einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 8 mm auf. Eine Gleitfläche der Scheibe, die mit dem Stift in Kontakt kommen soll, ist eine hochglanzpolierte Oberfläche mit einer Oberflächenrauhheit von 0,005 μm Ra oder weniger. Der Stift und die Scheibe sind aus einem keramischen Material derselben An hergestellt. In Beispiel 1 zum Beispiel wurden ein Stift und eine Scheibe, die aus der Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung hergestellt waren, benutzt, um den Stift-Scheiben-Test durchzuführen.
Nachdem der Stift auf einem Umkreis mit einem Radius von 22 mm vom Scheibenmittelpunkt auf der Scheibe angeordnet worden war, wurde der Stift-Scheiben-Test bei verschiedenen Rotationsgeschwindigkeiten der Scheibe (60 mm/sec, 120 mm/sec) und unter verschiedenen Belastungen (20N, 40N, 60N, 80N, 120N) durchgeführt, wie in Tabelle 1 aufgelistet. Die Gleitdistanz war konstant (25 km). Da der Durchmesser des oberen Endes des Stiftes 1,5 mm beträgt, betragen die anfänglichen Reibungsdrücke auf dem oberen Ende des Stiftes 11 MPa (20N ), 22 MPa (40N), 33 MPa (60N), 44 MPa (80N), 66 MPa (120N). Für jede der Testbedingungen wurde der Test dreimal wiederholt. Deswegen wurde in die Daten ein Durchschnittswert der drei Testergebnisse übernommen. Die erhaltenen Testergebnisse sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1
Nachdem unter Verwendung eines Gravimeters mit einer kleinsten Maßeinteilung von 0,01 mg eine Gewichtsverringerung des Stiftes gemessen worden war, wurde eine spezifische Abnutzungsrate (Wf) über die folgende Gleichung errechnet. Wf = (W1 – W2)/P·L·ρwobei

Wf: Spezifische Abnutzungsrate (mm³/Nm)
W1: Trockengewicht (g) des Stiftes vor dem Test
W2: Trockengewicht (g) des Stiftes nach dem Test
P: Belastung (N)
L: Gleitdistanz (m)
ρ: Dichte (g/mm³) des Probestücks

Nach Durchführung einer Ultraschallreinigung für den Stift in destilliertem Wasser für 10 Minuten und dann in Ethanol für 10 Minuten und anschließendem ausreichenden Trocknen des Stiftes in einem Exsikkator für 5 Tage wurde das Trockengewicht des Stiftes gemessen. Außerdem wurden als Dichte jedes der Probestücke Werte verwendet, die nach der Archimedes-Methode in Wasser gemessen wurden, nämlich 5,56 × 10^–3 g/mm³ (Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 3), 6,02 × 10^–3 g/mm³ (Vergleichsbeispiel 1) und 3,93 × 10^–3 g/mm³ (Vergleichsbeispiel 2).
Außerdem wurde der Reibungskoeffizient durch die folgende Gleichung errechnet. Cf = F/Twobei

F:: Reibungskraft (g) (ein Wert, der erhalten wurde durch Messen einer Belastung, die auf einen Träger zur Aufnahme des Stiftes angewendet wurde, mit einer Belastungsmeßvorrichtung)
T:: Gesamtbelastung (g) (Gesamtbelastung der angewendeten Belastung und des Trägers zur Aufnahme des Stiftes)

Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 1 zu sehen ist, wurden in Beispiel 1 unter allen Bedingungen der angewendeten Belastung und der Rotationsgeschwindigkeit in den obigen Tests äußerst niedrige spezifische Abnutzungsraten von weniger als 1 × 10^–8 erhalten. Außerdem war auch der Reibungskoeffizient klein. Daher ist es im Fall des Gleitkontakts zwischen den Verbundkeramiken des Beispiels 1 möglich, eine äußerst geschmeidige Gleitverbindung zu erhalten. Auf der anderen Seite wurden in Vergleichsbeispiel 2 relativ niedrige spezifische Abnutzungsraten innerhalb eines Bereichs von 1 × 10^–7 bis 1 × 10^–8 unter allen Bedingungen der angewendeten Belastung und der Rotationsgeschwindigkeit in den obigen Tests erhalten. Diese spezifischen Abnutzungsraten im Vergleichsbeispiel 1 sind jedoch größer als die spezifischen Abnutzungsraten in Beispiel 1. Außerdem wurden im Vergleichsbeispiel 2 unter Bedingungen der angewendeten Belastung von bis zu 60 N und der Rotationsgeschwindigkeit von 60 mm/sec äußerst niedrige spezifische Abnutzungsraten erhalten, welche im wesentlichen dieselbe Größenordnung wie in Beispiel 1 aufweisen. Unter der Bedingung der angewendeten Belastung von 80 N jedoch trat plötzlich eine erhebliche Abnutzung im Maßstab von 1 × 10^–5 auf.
Außerdem trat unter den Bedingungen der angewendeten Belastung von 60 N oder weniger und der Rotationsgeschwindigkeit von 120 mm/sec wie im obigen Fall eine erhebliche Abnutzung auf.
Unter den Testbedingungen, die in Vergleichsbeispiel 2 zu der erheblichen Abnutzung führten, erhöhte sich die Temperatur des destillieren Wassers als Gleitflüssigkeit, und eine große Menge an Wasser verdampfte. Deswegen ist anzunehmen, daß an den Gleitflächen durch die Reibung erhebliche Wärme erzeugt wurde. Außerdem wurde durch Raman-spektroskopische Analyse eine Kristallumwandlung des tetragonalen Kristalls zum monoklinen Kristall festgestellt. Deswegen wird in Betracht gezogen, daß ein thermischer Phasenübergang stattfand, basierend auf einem Abbau bei niedriger Temperatur, der für Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid eigentümlich ist. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Verbundkeramik des Vergleichsbeispiels 2 unter Verwendung von Yttriumoxid als Stabilisator eine geringe Zuverlässigkeit aufweist und nicht für Anwendungen in künstlichen Knie- und Schultergelenken, welche unter strengen Gleitbedingungen benutzt werden, empfohlen werden kann, um für die Gelenkbewegungen zu sorgen.
Außerdem weist die Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik des Vergleichsbeispiels 3 dieselbe Zusammensetzung wie das Beispiel 1 auf, aber eine von Beispiel 1 verschiedene durchschnittliche Korngröße. Unter den Testbedingungen, daß die angewendete Belastung relativ klein ist, lag die Abnutzungsbeständigkeit im wesentlichen in derselben Größenordnung wie bei Beispiel 1. Wenn jedoch die angewendete Belastung 80 N oder mehr erreichte, trat plötzlich wie im Fall des Vergleichsbeispiels 2 eine erhebliche Abnutzung auf. Als ein Grund für diese erhebliche Erhöhung der Abnutzungsmenge wird angenommen, daß sich, da die Verbundkeramik des Vergleichsbeispiels 3 von einer durchschnittlichen Korngröße (= 1,38 μm) größer als 1 μm ist, die Grenzflächenfestigkeit zwischen den Zirkoniumdioxid- und den Aluminiumoxidkörnern verringert, so daß diese Körner durch die Reibung leicht herausfielen. Aus dem Vergleich der Testergebnisse zwischen Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 ist es daher möglich, zu verstehen, daß die durchschnittliche Korngröße der Zirkoniumdioxid-Aluminiumoxid-Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung einen sehr großen Einfluß auf deren Abnutzungsbeständigkeit ausübt.
(Beispiele 2 bis 5 und Vergleichsbeispiel 4)
Ein tetragonales Zirkoniumdioxidpulver (Anteil an tetragonalem Zirkonium: 98 Vol.%), das 10 mol.% Cerdioxid und 0,05 mol.% Titandioxid enthielt, bezogen auf die Gesamtmenge an Zirkoniumdioxid, wurde mit 35 Vol.% eines Aluminiumoxidpulvers, bezogen auf das Gesamtvolumen einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik, vermischt, um ein gemischtes Pulver zu erhalten. Nachdem dieses gemischte Pulver durch uniaxiales Pressen oder isostatisches Pressen geschmolzen worden war, um ein Formteil mit einer benötigten Form zu erhalten, wurde für das Formteil ein druckloses Sintern bei verschiedenen Temperaturen, die in Tabelle 2 dargestellt sind, für eine Sinterzeit von 5 Stunden unter atmosphärischem Druck durchgeführt. Als Ergebnis wurden die Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramiken der Beispiele 2 bis 5 und das Vergleichsbeispiel 4 erhalten. Im Vergleichsbeispiel 4 beträgt, da die Sintertemperatur 1600 °C beträgt, die durchschnittliche Korngröße der erhaltenen Verbundkeramik 1,65 μm, was nicht der Verbundkeramik der vorliegenden Erfindung entspricht. Die durchschnittliche Korngröße wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops durch das Schnittpunkte-Verfahren gemessen, ohne eine Unterscheidung zwischen Zirkoniumdioxid und Aluminiumdioxid zu machen, nachdem eine Hitzebehandlung auf eine polierte Oberfläche des erhaltenen Sinterkörpers angewendet worden war.
Ein Stift-Scheiben-Test wurde mit den erhaltenen Verbundkeramiken in ähnlicher Weise wie bei Beispiel 1 durchgeführt, und dann wurde die spezifische Abnutzungsrate und der Reibungskoeffizient errechnet. Die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe betrug konstant 60 mm/sec. Außerdem betrug die angewendete Belastung konstant 60 N. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt, zusammen mit der durchschnittlichen Korngröße der Verbundkeramik.
Tabelle 2
Wie aus den Ergebnissen der Tabelle 2 zu sehen ist, hängt die spezifische Abnutzungsrate der Verbundkeramik sehr von deren durchschnittlicher Korngröße ab. In den Beispielen 2 bis 3 wurden äußerst niedrige spezifische Abnutzungsraten erhalten. In Beispiel 5 jedoch, in dem die Verbundkeramik eine durchschnittliche Korngröße nahe 1 μm aufweist, vergrößerte sich die spezifische Abnutzungsrate auf 1,53 × 10^–7. In Vergleichsbeispiel 4, in dem die Verbundkeramik eine durchschnittliche Korngröße von 1,65 μm aufweist, war die spezifische Abnutzungsrate mehr als etwa zwanzigmal so groß wie in Beispiel 5, und die spezifische Abnutzungsrate vergrößerte sich plötzlich. Die Abnutzungsmenge dieses Vergleichsbeispiels 4 ist im wesentlichen gleich der eines herkömmlichen künstlichen Gelenks mit einer Kombination aus Polyethylen und einer Keramik. Als ein Grund für solch einen Abfall der Abnutzungsbeständigkeit der Verbundkeramik mit der durchschnittlichen Korngröße von 1 μm oder mehr wird angenommen, daß eine Verringerung der Festigkeit der Grenzflächenstruktur zwischen den Zirkoniumdioxid- und Aluminiumoxidkörnern eine erhebliche Zunahme der Mengen an herausfallenden Körnern bewirkt.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Da wenigstens eines der ersten und zweiten Knochenelemente des künstlichen Gelenks der vorliegenden Erfindung aus einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid-Verbundkeramik hergestellt ist, die eine erste Phase aus Zirkoniumdioxidkörnern, welche Cerdioxid als Stabilisator enthält und welche im wesentlichen aus tetragonalem Zirkoniumdioxid besteht, und eine zweite Phase aus darin dispergierten Aluminiumoxidkörnern umfaßt, und die durchschnittliche Korngröße der Verbundkeramik innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,35 μm liegt, weist die Verbundkeramik wie oben beschrieben eine erhöhte Abnutzungsbeständigkeit ebenso wie eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit auf. Deswegen ist es möglich, ein ausgezeichnetes künstliches Gelenk mit einer erhöhten Lebensdauer bereitzustellen und dadurch die medizinische Operation des Ersetzens des gebrauchten künstlichen Gelenks durch ein neues etwa 10 bis 15 Jahre nach der ursprünglichen Operation zu vermeiden. Insbesondere sind auch Anwendungen in künstlichen Knie- und Schultergelenken zu erwarten, da das künstliche Gelenk der vorliegenden Erfindung eine gute Abnutzungsbeständigkeit unter strengeren Bedingungen, verglichen mit dem Fall der Verwendung eines herkömmlichen künstlichen Gelenks, beibehalten kann.

Claims

Ein künstliches Gelenk, das ein erstes Knochenelement und ein zweites Knochenelement umfaßt, welches mit einem Teil des ersten Knochenelementes gleitend in Verbindung steht, so daß ein Gelenkbereich gebildet wird, wobei sowohl das erste als auch das zweite Knochenelement aus einer Zirkoniumdioxid-Aluminiumdioxid Verbindung hergestellt ist, die umfaßt: eine Matrixphase aus Zirkoniumdioxid Körnern, die 8 bis 12 mol. % Zerdioxid und 0,02 bis 4 mol. % Titandioxid im Verhältnis zur Gesamtmenge der Zirkoniumdioxid Körner umfaßt, so daß die Matrixphase im wesentlichen aus tetragonalem Zirkoniumdioxid besteht; und eine zweite Phase aus Aluminiumdioxidkörnern, die in dieser Matrixphase dispergiert sind; wobei ein Anteil der zweiten Phase in dieser Verbundkeramik innerhalb eines Bereichs von 25 bis 40 Vol. % liegt, und eine durchschnittliche Korngröße dieser Verbundkeramik innerhalb eines Bereiches von 0,1 bis 0,35 μm liegt.
Künstliches Gelenk nach Anspruch 1, wobei Teile der Aluminiumdioxid Körner im Inneren der Zirkoniumdioxid Körner dispergiert sind.
Künstliches Gelenk nach Anspruch 1, wobei die Matrixphase ferner wenigstens ein Element aus der Gruppe umfaßt, die Kalziumdioxid und Magnesiumdioxid umfassen.
Künstliches Gelenk nach Anspruch 1, wobei die Matrixphase 10 bis 12 Mol. % Zerdioxid umfaßt.