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DE20218703U1 - Werkstoff, insbesondere für medizinische Instrumente oder Implantate - Google Patents

Werkstoff, insbesondere für medizinische Instrumente oder Implantate

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DE20218703U1
DE20218703U1 DE20218703U DE20218703U DE20218703U1 DE 20218703 U1 DE20218703 U1 DE 20218703U1 DE 20218703 U DE20218703 U DE 20218703U DE 20218703 U DE20218703 U DE 20218703U DE 20218703 U1 DE20218703 U1 DE 20218703U1
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metal hydride
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Description

BESCHREIBUNG
Werkstoff, insbesondere für medizinische Instrumente oder Implantate
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff, insbesondere für medizinische Instrumente oder Implantate.
Es liegt dabei die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff bereitzustellen, welcher vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein hochschmelzendes Kunststoffmaterial, welches mittels eines Metallhydrids aufgeschäumt ist, gelöst.
Durch den Einsatz von Metallhydriden wie Titanhydrid oder Zirkonhydrid lassen sich thermoplastische Polymere mit einer Erweichungstemperatur insbesondere oberhalb 25O0C aufschäumen. Die Aufschäumung erfolgt durch eine Zersetzung des Metallhydrids unter Bildung von gasförmigem Wasserstoff, wobei durch den gasförmigen Wasserstoff eine Porenstruktur in dem Werkstoff erzeugt wird. Es wird somit ein chemisches Treibmittel verwendet, so daß sich unter geringem maschinentechnischen Aufwand Formteile herstellen lassen.
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Diese Formteile lassen sich bei Materialeinsparung mit reduziertem Gewicht herstellen; es ist möglich, größere Wandstärken herzustellen, wobei dann die entsprechenden Werkstücke weniger Einfallstellen und weniger Verzugsneigung aufweisen.
Werden solche Werkstoffe bei medizinischen Instrumenten eingesetzt, dann ergibt sich aufgrund der entsprechenden geringeren Wärmekapazität im Vergleich zu einem Vollmaterial ein verbessertes Trocknungsverhalten, womit sich wiederum die Sterilisation eines entsprechenden medizinischen Instrumentes einfacher und sicherer durchführen läßt. Da sich auch Wandstärken verringern lassen, kann Wärme aus dem Material schneller nach außen geführt werden, um so wiederum schneller eine vollständige Trocknung des Instrumentes zu erreichen. Dieser Effekt wird auch noch durch die Metallanteile aufgrund des Metallhydrids in dem Werkstoff verbessert.
Implantate, welche aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellt sind, lassen sich mit hoher Struktursteifigkeit bei verringertem Gewicht ausbilden. Insbesondere bei der Verwendung von Titanhydrid als Metallhydrid wird das Anwachsverhalten von Knochen an das Implantat verbessert, da fein dispergierte Titanpulverablagerungen an dem Implantat vorhanden sind. Die Metallmenge wiederum läßt sich dabei so gering halten, daß eine gute Diagnose mit bildgebenden Verfahren durch das mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellte Implantat nach Einpflanzung in den Körper sichergestellt ist. Außerdem weist das entsprechende Implantat eine hohe Biokompatibiiität auf.
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Der Metallanteil in dem erfindungsgemäßen Werkstoff läßt sich so gering halten, daß die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffmaterials im Vergleich zum unmodifizierten Basismaterial nicht wesentlich beeinflußt sind.
Es kann vorgesehen sein, daß das polymere Kunststoffmaterial mittels Titanhydrid aufgeschäumt ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Implantat hergestellt werden soll, da sich fein dispergierte Titanablagerungen oder -einlagerungen ergeben, die das Anwachsverhalten von Knochen an das Implantat verbessern.
10
Es kann auch vorgesehen sein, daß das Polymer mittels Zirkonhydrid aufgeschäumt ist.
Insbesondere liegt dabei die Erweichungstemperatur des polymeren Materials oberhalb 2500C (Hochtemperaturthermoplast). Mittels der Verwendung von Metallhydrid als Treibmittel läßt sich bei Hochtemperaturthermoplasten insbesondere aus der PAEK-Gruppe mit Schmelzpunkten im Bereich zwischen 3000C und 4000C (wie PEEK oder PEK) ein Aufschäumen mit Porenbildung erreichen.
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Es ist insbesondere vorgesehen, daß der Gewichtsanteil an Metall des Metallhydrids im Werkstoff unterhalb 20 % liegt, um so die mechanischen Eigenschaften durch den Metallanteil nicht wesentlich zu beeinflussen. Ferner läßt sich dadurch sicherstellen, daß bei Implantaten eine gute Diagnose mit bildgebenden Verfahren durch das Implantat hindurch möglich ist. Insbesondere
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liegt der Gewichtsanteil an Metall unterhalb 5 %. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel liegt der Gewichtsanteil bei ca. 3 %.
Weiterhin günstig ist es, wenn die Dichte des Werkstoffes zwischen 10 % und 95 % und insbesondere zwischen 30 % und 80 % des ungeschäumten (kompakten) Polymermaterials liegt. Bei einem Ausführungsbeispiels aus PEEK, bei dem Titanhydrid mit einem Gewichtsanteil von ca. 3 % zugegeben wurde, wurde die Dichte auf 65 % gegenüber dem Kompaktmaterial herabgesetzt. Erfindungsgemäß läßt sich auch eine offenporige Struktur herstellen.
Weiterhin ist es günstig, wenn die mittlere Porengröße im Bereich zwischen 50 &mgr;&idiagr;&eegr; und 5000 &mgr;&idiagr;&eegr; liegt und beispielsweise zwischen 100 &mgr;&idiagr;&eegr; und 500 &mgr;&idiagr;&eegr; bei einer geschlossenporigen Struktur verteilt liegt. Je nach Herstellungsbedingungen kann eine räumlich homogene Porenverteilung oder eine inhomogene oder einen definierten Gradienten aufweisende Verteilung hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein medizinisches Instrument, welches mindestens ein Teil aufweist, welches aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellt ist. Beispiele solcher Instrumente sind Klammern, Zangen, Scheren usw.
Ferner betrifft die Erfindung ein medizinisches Implantat, welches mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellt ist.
Die Vorteile solcher medizinischen Instrumente und Implantate wurden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff bereits beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird Metallhydrid zur Aufschäumung eines thermoplastischen Kunststoffes verwendet. Durch den Einsatz von Metallhydrid, welches sich bei Wärmebehandlung zersetzt, so daß gasförmiger Wasserstoff abgespalten wird, lassen sich auch Hochtemperaturthermoplaste wie beispielsweise aus der PAEK-Gruppe mit einer Erweichungstemperatur oberhalb 2500C chemisch aufschäumen, so daß sich Formteile mit geringem maschinentechnischen Aufwand herstellen lassen.
Insbesondere läßt sich der erfindungsgemäße Werkstoff zur Herstellung eines medizinischen Instrumentes oder eines medizinischen Implantates verwenden.
Es ist dabei vorgesehen, daß dem Kunststoffmaterial ein Metallhydrid zugegeben wird und daß ein Erwärmungsvorgang zur thermischen Zersetzung des Metallhydrids und Aufschäumung des Kunststoffmaterials durchgeführt wird.
Es läßt sich dann ein Formteil aus einem aufgeschäumten Kunststoffmaterial herstellen, welches verbesserte Eigenschaften aufweist, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff erläutert wurden. Alternativ ergibt sich die Möglichkeit, ein Halbzeug herzustellen und dieses dann unter Wärmebehandlung unter Zersetzung des Metallhydrids aufzuschäumen und damit zu expandieren, um so das Werkstück herzustellen.
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Insbesondere wird dabei der Erwärmungsvorgang zur Zersetzung des Metallhydrids oberhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffmaterials durchgeführt. Das Kunststoffmaterial weist dann in diesem Temperaturbereich eine viskose Konsistenz auf. Durch Entstehung von gasförmigem Wasserstoff bei der Zersetzung des Metallhydrids wird dann eine Aufschäumung des Kunststoffmaterials erreicht, wobei sich Poren in diesem bilden. Das Kunststoffmaterial expandiert dabei, so daß die Dichte reduziert wird.
Der Erwärmungsvorgang zur thermischen Zersetzung des Metallhydrids kann bei der Formgebung des Werkstückes durchgeführt werden und insbesondere direkt bei der Formgebung des Werkstückes, beispielsweise bei einem Extrusionsvorgang.
Es ist aber auch alternativ oder zusätzlich möglich, daß der Erwärmungsvorgang nach Herstellung eines Halbzeugs durchgeführt wird. Das hergestellte Halbzeug wird dann der Wärmebehandlung unterzogen und das Teil expandiert dabei.
Günstigerweise wird dem Ausgangs-Kunststoffmaterial Metallhydrid mit einem Volumenanteil von höchstens 20 % zugegeben. Um einen kompakten Werkstoff zu erhalten, hat sich eine Zugabe von höchstens 3 Volumen-% an Metallhydrid als vorteilhaft erwiesen.
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Ferner ist es günstig, wenn Metallhydrid in einem Gewichtsanteil von höchstens 20 % zugegeben wird und vorzugsweise in einem Gewichtsanteil von höchstens 5 % zugegeben wird. Dadurch läßt sich erreichen, daß das Metall in dem Werkstück dessen mechanische Eigenschaften nur gering beeinflußt.
Als Metallhydrid kann beispielsweise Titanhydrid und/oder Zirkonhydrid zugegeben werden.
Es kann dabei vorgesehen sein, daß Kunststoffmaterial beispielsweise in der Form von Granulat oder Pulver Metallhydridpulver zugegeben wird und diese Mischung dann verarbeitet wird, indem beispielsweise ein Preßkörper hergestellt wird, der dann versintert wird, oder indem die Mischung erhitzt wird und ein Extrusionsvorgang oder ein Spritzvorgang durchgeführt wird. Die Aufschäumung kann auch in einem Kalander erfolgen.
Es kann auch vorgesehen sein, daß zumindest teilweise direkt ein metallhydridhaltiges Kunststoffmaterial verwendet wird, das heißt daß das Ausgangsmaterial bereits vorgemischt ist.
Es ist möglich, beim Sintervorgang die Wärmebehandlung zur Zersetzung des Metallhydrids durchzuführen. Da beim Sintern eines Preßkörpers dieser erhitzt werden muß, beispielsweise in einem Ofen, läßt sich auf fertigungstechnisch einfache Weise die Expansion des Werkstoffes des Preßkörpers erreichen.
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Es ist auch möglich, daß ein hergestelltes Halbzeug der Wärmebehandlung zur Zersetzung des Metallhydrids unterzogen wird. Es wird dann ein Vor-Formkörper hergestellt, der unter Wärmebehandlung zur endgültigen Herstellung des Formteiles expandiert wird. Es ist auch möglich, gleich bei einem Extrusionsvorgang die Wärmebehandlung zur Zersetzung des Metallhydrids durchzuführen. Insbesondere ist dann bei einem Spritzgußvorgang in einer Form eine direkte Herstellung eines Werkstückes aus dem aufgeschäumten Kunststoffmaterial möglich.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn insbesondere bei Materialien aus der PAEK-Gruppe wie PEEK als Kunststoffmaterial eine Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 3000C und 45O0C durchgeführt wird. Es haben sich dadurch räumlich homogene Porenstrukturen in dem Werkstoff erreichen lassen.
Die nachfolgende Beschreibung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt die einzige
Figur 1 eine REM-Aufnahme eines Werkstücks, welches mittels PEEK-
Pulver und Titanhydrid als Treibmittel hergestellt ist; an der Probe wurde ein Titan-Mappingvorgang durchgeführt und
Titaneinlagerungen zeichnerisch hervorgehoben.
Der erfindungsgemäße Werkstoff wird mittels eines hochschmelzenden Polymer-Kunststoffmaterials und einem oder mehreren Metallhydriden hergestellt. Die Erweichungstemperatur des Kunststoffmaterials liegt dabei oberhalb
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2500C. Ein geeignetes Kunststoffmaterial ist beispielsweise Polyetherertherkerton (PEEK) als Hochtemperaturthermoplast. Als Metallhydrid kann beispielsweise Titanhydrid und/oder Zirkonhydrid eingesetzt werden. Das Metallhydrid wirkt als Treibmittel zur Aufschäumung des Kunststoffmaterials.
5
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird einem Granulat des Kunststoffmaterials Metallhydridpulver zugemischt. Der Volumenanteil des Metallhydridpulvers liegt dabei unter 4 % und vorzugsweise unter 2 %. Der Gewichtsanteil des Metallhydridpulvers liegt unter 10 %.
Dieses Material wird dann beispielsweise extrudiert. Es wird dabei eine Wärmebehandlung durchgeführt unter einer derartigen Temperatur, daß das Metallhydrid sich unter Bildung von gasförmigem Wasserstoff zersetzt. Die Abspaltung des Wasserstoffs führt zum Aufschäumen des Kunststoffmaterials, welches unter einer Temperatur oberhalb seiner Erweichungstemperatur steht. Bei dem Aufschäumungsprozeß hat das Kunststoffmaterial damit eine viskose Konsistenz, die eine Expansion des Materials erlaubt.
Es ist auch möglich, daß anstatt der Zumischung von Metallhydridpulver zu dem Kunststoffgranulat ein bereits vorgemischtes metallhydridhaltiges Granulat verwendet wird.
Neben Extrudieren kann der erfindungsgemäße Werkstoff beispielsweise durch Spritzgießen, Presssintern, Kalandrieren hergestellt und/oder verarbeitet werden.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein extrudiertes oder spritzgegossenes Halbzeug aus dem Kunststoffmaterial hergestellt, wobei in dem Halbzeug das Metallhydrid noch nicht zersetzt ist. Es wird dann an dem Halbzeug eine nachträgliche Wärmebehandlung durchgeführt, welche zur Expansion des Kunststoff materials führt. Bei PEEK als Kunststoffmaterial hat sich eine Erwärmung auf 3000C bis 4500C als günstig erwiesen.
Es ist auch möglich, ein Pulvergemisch aus dem Kunststoffmaterial und dem Metallhydrid zu verpressen und dann in einem Ofen zu sintern. Bei dem Sinterungsvorgang in dem Ofen wird gleichzeitig eine Wärmebehandlung durchgeführt, welche zur Zersetzung des Metallhydrids unter der Bildung von gasförmigem Wasserstoff führt. Die Probe, welche in der Figur 1 in einer REM-Aufnahme gezeigt ist, wurde mittels PEEK unter Zugabe von Titanhydrid hergestellt, wobei 3 Gewichts-% Titanpulver hinzugegeben wurden. Es wurde dann ein Preßkörper unter einer Kraft von 30 kl\l hergestellt, welcher eine zylinderförmige Gestalt hat mit einem Durchmesser von 25 mm. Dieser Preßkörper wurde bei einer Temperatur von 4500C expandiert. (PEEK hat eine Schmelztemperatur von ca. 3400C.)
PEEK als Kompaktmaterial (Basismaterial) hat eine Dichte von 1,3 g/cm3. Der wie eben beschrieben hergestellte erfindungsgemäße Werkstoff, welcher auf Metallhydrid-geschäumten PEEK basiert, hat eine Dichte von 0,85 g/cm3.
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Der erfindungsgemäße Werkstoff weist Poren 10 auf, die durch die Zersetzung des Wasserstoffs im Metallhydrid und Abspaltung des gasförmigen Wasserstoffs entstanden sind. Typische Porengrößen liegen verteilt zwischen 100 &mgr;&idiagr;&eegr; bis 500 &mgr;&eegr;&eegr;. Bei PEEK als Kunststoffausgangsmaterial hat sich eine Erwärmung auf oberhalb 2500C und insbesondere 3000C bis 4500C als günstigster Temperaturbereich herausgestellt.
Aus der Figur 1 sind über einen Titan-Mappingvorgang (EDX) sichtbar gemachte Titanablagerungen bzw. -einlagerungen 12 erkennbar. Diese beruhen auf fein dispergiertem Titanpulver in dem Werkstoff.
Mittels des erfindungsgemäßen Werkstoffes lassen sich Werkstücke und insbesondere Formteile herstellen, welche verbesserte Eigenschaften aufweisen. Durch den Aufschäumungsprozeß mit einem Metallhydrid wie Titanhydrid oder Zirkonhydrid als Treibmittel kann ein Werkstück definierter Form hergestellt werden, wobei die Dichte gegenüber dem Kunststoffmaterial als Kompaktmaterial herabgesetzt ist. Der maschinentechnische Aufwand zur Herstellung des Formteils ist gegenüber der Herstellung eines Formteils aus einem Kompaktmaterial nicht wesentlich erhöht. Es läßt sich bei entsprechender Auswahl der Verarbeitungsparameter eine gewünschte Porengröße erreichen und sich die Porengröße entsprechend einstellen, und so insbesondere die Porosität einstellen.
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Es lassen sich dann Werkstücke mit geringerem Gewicht und unter Materialeinsparung herstellen. Ferner lassen sich Werkstücke aus Hochtemperaturthermoplasten mit größeren Wandstärken, weniger Einfallstellen und weniger Verzugsneigung herstellen.
5
Entsprechende Werkstoffe lassen sich vorteilhaft einsetzen im medizinischen Bereich, um beispielsweise medizinische Instrumente oder medizinische Implantate herzustellen:
Medizinische Instrumente, welche aus einem Kunststoffmaterial herstellbar sind, sind beispielsweise in den deutschen Gebrauchsmustern Nr. 201 12 920.5, 201 12 540.4, 201 13 018.1, 201 13 020.3, 201 13 017.3, 201 12 541.2 oder 201 12 838.1 der gleichen Anmelderin beschrieben. Auf die Gebrauchsmusterschriften wird ausdrücklich vollinhaltlich Bezug genommen.
Bei der Herstellung dieser Instrumente oder mindestens eines Teils für solche Instrumente ergeben sich die oben genannten Vorteile.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffes ergeben sich insbesondere Vorteile bei der Sterilisation eines solchem medizinischen Instruments, da aufgrund der Porenstruktur ein Instrumententeil, welches aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellt ist, eine geringere Wärmekapazität aufweist als ein aus Vollmaterial hergestelltes Teil. Dadurch wiederum ergibt sich ein besseres Trocknungsverhalten; es läßt sich dadurch bei der Sterilisation nach dem Autoklavieren sicherstellen, daß das entsprechende Bauteil des
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medizinischen Instrumentes (oder das ganze medizinische Instrument, wenn es aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellt ist) vollständig getrocknet ist.
Durch die Schaumstruktur des erfindungsgemäßen Werkstoffes lassen sich die entsprechenden Teile für das medizinische Instrument mit geringerer Wandstärke herstellen, so daß auch hierüber die Wärme aus dem Material schneller nachgeführt werden kann, um so eine vollständige Trocknung zu erreichen. Darüber hinaus verstärkt der Metallanteil aus dem zersetzten Metallhydrid in dem Kunststoffmaterial die Wärmeabfuhr aus dem Teil.
Bei der Herstellung eines medizinischen Implantats mittels des erfindungsgemäßen Werkstoffes, wie beispielsweise einem Wirbelkörperimplantat, läßt sich eine hohe Struktursteifigkeit bei geringem Gewicht erreichen. Bei Verwendung eines geeigneten Kunststoffmaterials wie beispielsweise PEEK mit Titanhydrid als Treibmittel läßt sich eine hohe Biokompatibilität des hergestellten Implantats erreichen. Durch fein dispergierte Titanablagerungen (siehe Figur 1; dort durch zeichnerische Nachbearbeitung hervorgehoben und mit dem Bezugszeichen 12 angedeutet) wird das Anwachsverhalten von Knochen an das Implantat stark verbessert. Eine Porenstruktur an der Oberfläche sorgt zusätzlich für eine Verankerung am Knochen. Diese Porenstruktur an der Oberfläche läßt sich direkt herstellen, indem ein offenporiger Schaum erzeugt wird, oder indirekt, indem eine Oberflächenbearbeitung eines aus einem geschlossenporigen Schaum hergestellten Implantat durchgeführt wird. Da eine relativ geringe Metallhydridmenge genügt, um ein Aufschäumen des Kunststoffmaterials
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bei der Herstellung zu erreichen, ist sichergestellt, daß eine Diagnose bei implantiertem Implantat mit bildgebenden Verfahren durch das Implantat hindurch möglich ist, das heißt die Metallmenge läßt sich so gering halten, daß das Metall die Diagnose nicht stört.
5
Durch das beschriebene Verfahren läßt sich ein Werkstoff herstellen, welcher vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Metallhydrid wird dabei als Treibmittel für ein polymeres Kunststoffmaterial verwendet, um dieses aufzuschäumen. Der relativ geringe Metallanteil im Kunststoffmaterial nach dem Aufschäumen beeinflußt dabei die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Werkstückes nur unwesentlich.
Der erfindungsgemäße Werkstoff läßt sich vorteilhaft verwenden für medizinische Instrumente oder medizinische Implantate.
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Claims (9)

1. Werkstoff, insbesondere für medizinische Instrumente oder Implantate, gekennzeichnet durch ein hochschmelzendes Kunststoffmaterial, welches mittels eines Metallhydrids aufgeschäumt ist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial mittels Titanhydrid aufgeschäumt ist.
3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial mittels Zirkonhydrid aufgeschäumt ist.
4. Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweichungstemperatur des Kunststoffmaterials oberhalb 250°C liegt.
5. Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil an Metall des Metallhydrids im Werkstoff unterhalb 20% liegt.
6. Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Werkstoffes zwischen 10% und 95% des ungeschäumten Kunststoffmaterials liegt.
7. Werkstoff nach dem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Porengröße im Bereich zwischen 50 µm und 5000 µm liegt.
8. Medizinisches Instrument, welches mindestens ein Teil aufweist, welches mit dem Werkstoff gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
9. Medizinisches Implantat, welches mit dem Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.
DE20218703U 2002-11-26 2002-11-26 Werkstoff, insbesondere für medizinische Instrumente oder Implantate Expired - Lifetime DE20218703U1 (de)

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DE20218703U DE20218703U1 (de) 2002-11-26 2002-11-26 Werkstoff, insbesondere für medizinische Instrumente oder Implantate

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