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Title:
PROCESS FOR MANUFACTURING A WEAR-RESISTANT SLIDING SURFACE IN JOINT ENDOPROSTHESES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1990/014447
Kind Code:
A1
Abstract:
Um bei einem Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Gleitfläche bei Gelenkendoprothesen aus Reintitan oder einer Titanlegierung eine besonders widerstandsfähige, nacharbeitbare, ausreichend dicke und wirtschaftlich vertretbare Gleitschicht zu erzeugen, wird vorgeschlagen, daß man die Gleitflächen mittels eines Laserstrahles abrastert und dadurch das Titan oder die Titanlegierung der Prothese oberflächlich aufschmilzt und daß man gleichzeitig dem aufgeschmolzenen Titan oder der aufgeschmolzenen Titanlegierung mindestens einen Reaktionspartner zufügt und somit eine Legierung des Titans oder der Titanlegierung mit dem mindestens einen Reaktionspartner bildet.

Inventors:
Fink, Ulrich (Semmelweißstraße 1, Tuttlingen, D-7200, DE)
Application Number:
PCT/EP1990/000714
Publication Date:
November 29, 1990
Filing Date:
May 04, 1990
Export Citation:
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Assignee:
AESCULAP AG (Möhringer Straße 125, Tuttlingen, D-7200, DE)
International Classes:
B23K35/32; C23C24/10; C23C26/02; (IPC1-7): A61F2/30; C23C24/10; C23C26/02
Foreign References:
GB2201972A1988-09-14
EP0246828A11987-11-25
US4212900A1980-07-15
FR2452528A11980-10-24
FR2385810A11978-10-27
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 6, Nr. 31 (C-92)(909), 24. Februar 1982; & JP-A-56150183 (Hitachi Seisakusho K.K.) 20. November 1981
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 10, Nr. 335 (C-384)(2391), 13. November 1986; & JP-A-61139682 (Mazda Motor Corp.) 26. Juni 1986
See also references of EP 0473620A1
Attorney, Agent or Firm:
Böhme, Ulrich (Hoeger, Stellrecht & Partner Uhlandstrasse 14c, Stuttgart, D-70182, DE)
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Claims:
P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Gleitfläche bei Gelenkendoprothesen aus Reintitan oder einer Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gleitfläche mit¬ tels eines Laserstrahles abrastert und dadurch das Titan oder die Titanlegierung der Prothese oberfläch¬ lich aufschmilzt und daß man gleichzeitig dem aufge¬ schmolzenen Titan oder der aufgeschmolzenen Titanle¬ gierung mindestens einen Reaktionspartner zufügt und somit eine Legierung des Titans oder der Titanlegie¬ rung mit dem mindestens einen Reaktionspartner bil¬ det.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Gleitfläche aus Titan oder aus einer Titanlegierung eine Beschichtung aufbringt und das Material der Beschichtung zusammen mit dem darunter¬ liegenden Titan oder der Titanlegierung durch Abra¬ stern mit dem Laserstrahl aufschmilzt und so eine Auflegierung des Titans oder der Titanlegierung er¬ zeugt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Beschichtungsmaterial Graphit, Pt, Fe, AI, Au oder Ag verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß während des AufSchmelzvorganges durch Abrastern der Gleitfläche mittels eines Laserstrahles nur Edelgase Zutritt zur reaktiven Schmelzoberfläche haben.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des AufSchmelzvorganges durch Abrastern der Gleitfläche mittels eines Laser¬ strahles reaktive Gase Zutritt zur reaktiven Schmelz Oberfläche haben.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als reaktive Gase Stickstoff, Sauerstoff, Me¬ than, Acethylen, Borane oder Silane verwendet, denen gegebenenfalls Edelgase zugesetzt sind.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die einmal von einem Laser abgerasterte Gleitfläche wiederholt mittels ei¬ nes Lasers abrastert und dadurch mehrmals aufschmilzt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeschmolzene Ober flächenschicht 0,1 bis 0,7 mm dick ist.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberflachen schicht nach der Erstarrung mechanisch nachbearbeitet.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zum lokalen Auf¬ schmelzen einen Cθ2~Laser oder einen Nd:YAGLaser verwendet.
Description:
B E S C H R E I B U N G

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER VERSCHLEISSFESTEN

GLEITFLACHE BEI GELENKENDOPROTHESEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Gleitfläche bei Gelenkendoprothesen aus Reintitan oder einer Titanlegierung.

Aufgrund der hervorragenden Körperverträglichkeit von Ti¬ tan und Titanlegierungen werden diese Werkstoffe häufig für Endoprothesen verwendet. Der Einsatz dieser Materiali¬ en ist jedoch durch ihr äußerst ungünstiges Verschleißver¬ halten begrenzt. Dies gilt insbesondere für den Bereich der tribologisch beanspruchten Gleitflächen in Gelenken.

Es ist üblich, Glei flächen aus Titan oder Titanlegierun¬ gen mit Gleitpartnern aus ultrahochmolekularem Nieder- druckpolyethylen zu kombinieren. Dabei entstehen bei bei¬ den Partnern Verschleißpartikel, die bei der Abfuhr aus der Gelenkkapsel Probleme verursachen können. Im Falle des Titans und der Titanlegierungen handelt es sich dabei um schwarze Abriebprodukte.

Es ist daher bekannt, die Titanoberfläche zu härten, um bessere Verschleißeigenschaften zu erhalten. Beispielswei¬ se verwendet man zur Härtung die Verfahren der anodischen oder thermischen Oxidation oder PVD- oder CVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition; Chemical Vapour Deposition), mit denen zum Beispiel Titannitrid-Schichten auf das Ti¬ tan-Grundmaterial aufgebracht werden können. Allerdings erhält man dabei nur eine kurzzeitige Verbesserung des Verschleißverhaltens, da die Schichten nur eine Schicht¬ dicke von 3 bis 5 Mikrometern haben und da das Grundmate¬ rial so weich ist, daß die Schichten bei hoher Flächen¬ pressung durchbrechen.

Mit den genannten Methoden können dickere Schichten nicht aufgebracht werden. Es ist auch bereits bekannt, auf Titan Schichten aus Tiθ2, Al 2 0g, Zr0 2 oder C^O durch Plasma¬ spritzen aufzutragen. Dabei lassen sich dickere Schichten ausbilden. Jedoch setzt das Plasmaspritzverfahren eine außerordentlich aufwendige Apparatur voraus, so daß sich ein sehr teures und kompliziertes Besσhichtungsverfahren ergibt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstel¬ lung der Gleitfläche bei Gelenkendoprothesen anzugeben, mit dem einerseits eine ausreichend dicke, widerstandsfä¬ hige Gleitschicht erzielt werden kann und bei dem ande¬ rerseits der Herstellungsaufwand relativ gering bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge¬ nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Gleitfläche mittels eines Laserstrahles abrastert und dadurch lokal das Titan oder die Titanlegierung der Prothese oberflächlich aufschmilzt und daß man gleichzei¬ tig dem aufgeschmolzenen Titan oder der aufgeschmolzenen Titanlegierung zumindestens einen Reaktionspartner hinzu¬ fügt und somit eine Legierung des Titans oder der Titanle¬ gierung mit dem mindestens einen Reaktionspartner bildet.

Die Gleitfläche wird also von dem Laserstrahl rasterförmig abgefahren, wobei der Laserstrahl beim Auftreffen einen lokal eng begrenzten Bereich des Titans oder der Titanle¬ gierung aufschmilzt, und zwar mit einer relativ großen Eindringtiefe in der Größenordnung von beispielsweise 0,1 bis 0,7 mm, so daß nach dem Erstarren des Materials in dem lokal aufgeschmolzenen Bereich in diesem eine Legierungs¬ schicht gebildet wird. Das Abrastern der Gleitfläche mit¬ tels des Laserstrahles erfolgt so, daß die gesamte Gleit¬ fläche in dieser Weise lokal nacheinander aufgeschmolzen wird, so daß sich auf der gesamten Gleitfläche eine derar¬ tige Legierungsbildung einstellt.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird auf die Gleit¬ fläche aus Titan oder aus einer Titanlegierung eine Be¬ schichtung aufgebracht und das Material der Beschichtung anschließend durch Abrastern mit einem Laserstrahl mit dem Titan oder der Titanlegierung legiert. Dabei verwendet man vorzugsweise als Beschichtungsmaterial Graphit, Pt, Fe, AI, Au oder Ag. Der Aufschmelzvorgang kann dabei so ge-

führt werden, daß während des Abrasterns der Gleitfläche zusätzlich nur Edelgase Zutritt zur reaktiven Schmelzober¬ fläche haben, so daß die genannten Beschichtungsmateria- lien sich mit dem aufgeschmolzenen Titan beziehungsweise der aufgeschmolzenen Titanlegierung vermischen, ohne daß Gaszusätze zusätzlich in die Legierung eingefügt werden.

Es ist aber auch möglich, daß während des Aufschmelzvor¬ ganges durch Abrastern der Gleitfläche reaktive Gase Zu¬ tritt zur reaktiven Schmelzoberfläche haben, beispielswei¬ se Stickstoff, Sauerstoff, Methan, Acethylen, Borane oder Silane, denen gegebenenfalls noch Edelgase beigefügt wer¬ den können, beispielsweise Helium oder Argon. In diesem Falle ergeben sich Legierungen, die neben dem Titan oder der ursprünglichen Titanlegierung Bestandteile des Be- schichtungsmaterials und Bestandteile des reaktiven Gases enthalten.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Prothese aus Titan oder einer Titanlegierung nicht mit einem festen Beschichtungsmaterial versehen, sondern beim Abrastern mittels des Laserstrahles erfolgt eine Legierung aus¬ schließlich durch die Zufuhr reaktiver Gase.

Die Oberflächenschicht wird in der Regel nach der Erstar¬ rung mechanisch nachgearbeitet, wobei durch die Ausbildung einer Legierung die Nachbearbeitung erheblich vereinfacht wird, da die gehärtete Oberflächenschicht nicht wie das Titan-Grundmaterial bei der mechanischen Bearbeitung zum Schmieren neigt.

Zum lokalen Aufschmelzen kann man vorzugsweise einen CO2- Laser oder einen Nd:YAG-Laser verwenden.

Die nachfolgende Beschreibung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Die Zeichnung zeigt schematisch das Abrastern einer Oberfläche mit einem Laser unter gleichzeitiger Zufuhr eines Gases.

In der Zeichnung ist lediglich schematisch ein Substrat 1 dargestellt, das einen Ausschnitt aus der Gleitfläche ei¬ ner in der Zeichnung nicht näher dargestellten Endoprothe- se darstellt. Dieses Substrat besteht entweder aus Reinti¬ tan oder einer Titanlegierung.

Um die Oberfläche dieses Substrates mit einer gehärteten Oberflächenschicht zu versehen, wird an das Substrat ein Laserstrahl 2 gerichtet, der zeilenweise über das Substrat bewegt wird, wobei sich benachbarte Zeilen 3 überlappen. Gleichzeitig wird über eine Zufuhrlei ung 4, die im Auf- treffbereich des Laserstrahles auf das Substrat 1 endet, ein reaktives Gas zugeführt, beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Methan, Acethylen, Borane oder Silane, denen gegebenenfalls Edelgase zugesetzt sind, beispielsweise He¬ lium oder Argon. Im Auftreffbereich 5 des Laserstrahles 2 wird das Substratmaterial aufgeschmolzen. In das aufge¬ schmolzene Substratmaterial gelangt durch die Zufuhrlei¬ tung 4 reaktives Gas, das sich mit der Schmelze vermischt und somit eine Legierung bildet, die nach der Weiterbewe¬ gung des Laserstrahles 2 längs der Substratoberfläche wieder erstarrt.

Auf diese Weise ergibt sich eine flächendeckende Legierung aus dem Substratmaterial einerseits und den zugeführten reaktiven Gasen andererseits.

Es ist möglich, das Verfahren mehrfach zu wiederholen, das heißt die Oberfläche mehrfach mit dem Laserstrahl raster- förmig zu überfahren.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, wird auf das Substrat 1 vor dem rastermäßigen Überstreichen der Substratoberflä¬ che, eine zusätzliche Beschichtung aufgebracht, beispiels¬ weise aus Graphit, Pt, Fe, AI, Au oder Ag. Diese Materia¬ lien werden gleichzeitig mit dem darunterliegenden Sub¬ stratmaterial im Auftreffbereich 5 aufgeschmolzen, so daß in diesem Bereich eine Legierung des Substratmaterials mit diesen Beschichtungsmaterialien erfolgt. Durch die Zufuhr¬ leitung 4 kann dabei entweder nur Edelgas zugeführt wer¬ den, beispielsweise Helium oder Argon, oder es können ebenso wie bei dem oben beschriebenen Verfahren zusätzlich reaktive Gase zugeführt werden, beispielsweise die oben genannten. Auch in diesem Falle ergibt sich eine Legierung der Beschichtungsbestandteile mit dem Substratmaterial und gegebenenfalls der reaktiven Gaspartner.

Die nach einem der oben beschriebenen Verfahren erzielte Legierungsschicht auf der Oberfläche des Substrates kann eine Dicke von 0,1 bis 0,7 mm aufweisen. Nach dem Erstar¬ ren wird diese Oberflächenschicht mechanisch nachgearbei-

tet, um die erforderliche geringe Rauhigkeit zu erzielen. Bei der oben genannten Schichtdicke läßt sich dies ohne weiteres durchführen, ohne daß dabei eine zu geringe Schichtdicke auftritt.

Im Rahmen dieser Anmeldung wird Schutz begehrt nicht nur für das Herstellungsverfahren, sondern auch für Endopro- thesen, die mittels dieses Verfahrens hergestellte Gleit¬ flächen aufweisen.