DE69831976T2

DE69831976T2 - Poröser gegenstand aus einer nickel-titan legierung

Info

Publication number: DE69831976T2
Application number: DE69831976T
Authority: DE
Inventors: Victor Gjunter
Original assignee: Biorthex Inc
Current assignee: Biorthex Inc
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: DE69831976D1; CA2315724A1; WO1999034845A1; AU1865999A; ATE306949T1; EP1047460A1; US5986169A; ES2251789T3; CA2315724C; EP1047460B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft einen porösen Artikel aus einer Nickel-Titan-Legierung mit medizinischen und nicht-medizinischen Anwendungsmöglichkeiten.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Nickel-Titan-Legierungen sind bekannte Formgedächtnislegierungen, die zur Verwendung in verschiedenen Bereichen einschließlich der Robotertechnik und in Gedächtnisvorrichtungen medizinischer Implantate vorgeschlagen worden sind.
Die sowjetische Patentbeschreibung 1,381,764 von 1982 schlägt Implantate für die Gesichtsrekonstruktion vor, die aus einer Nickel-Titan-Legierung hergestellt sind, mit einer Porosität von 8–60 %, aber die Offenbarung ist sehr begrenzt und es gab keine kommerzielle Entwicklung des beschriebenen Materials.
Die US-Patente 4,206,516; 4,101,984; 4,017,911 und 3,855,638 beschreiben jeweils Verbundstoffimplantate, die ein festes Substrat mit einer dünnen porösen Oberflächenbeschichtung aufweisen. US-Patent 3,852,045 beschreibt ein Knochenimplantatelement mit einer porösen Struktur, in der die Poren mittels fester expandierbaren hohlraumbildender Elemente entwickelt wurden, wobei die Poren in einem ausgewählten Raummuster in einer Formkavität angeordnet sind; metallische Teilchen sind um die hohlraumbildenden Elemente gepackt; das Gemisch wird verdichtet, die hohlraumbildenden Elemente werden entfernt, wie beispielsweise durch Verdampfen, und die metallischen Partikel werden gesintert.
Die Suche nach Materialien, die zur Herstellung medizinischer Implantate geeignet sind, und nach Materialien mit verbesserten physikalischen Merkmalen dauert an.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung versucht, einen porösen Artikel aus einer Nickel-Titan-Legierung bereitzustellen, der in biomedizinischen und anderen Anwendungen nützlich ist.
Gemäß der Erfindung wird ein poröser Artikel auf Basis einer Nickel-Titan-Legierung bereitgestellt, wobei der Artikel eine Porosität von wenigstens 40 % bis 90 % aufweist, und wobei die Porosität durch ein Netzwerk von miteinander verbundenen Durchgängen, die sich durch den Artikel erstrecken, definiert ist, das Netzwerk eine Durchlässigkeit für fluides Material aufweist, die effektiv ist, um eine vollständige Wanderung des fluiden Materials durch das Netzwerk zu erlauben, und wobei der Artikel elastisch deformierbar ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
i) Poröser Legierungsartikel
Der poröse Legierungsartikel der Erfindung besitzt eine Porosität von mindestens 40 % bis 90 % und im Besonderen umfasst er einen porösen gesinterten Pulverkörper, in dem die Porosität sich durch den gesamten Körper erstreckt. Insbesondere kann der Körper mit einer kontrollierbaren und variablen Porosität geformt werden.
Bevorzugt beträgt die Porosität nicht mehr als 80 %.
Bevorzugt ergibt sich die Durchlässigkeit aus einer Kapillarität in dem Netzwerk von Durchgängen, welche die Porosität definieren.
Diese Kapillarität kann in dem Artikel erzeugt werden, indem zahlreiche Poren mit feiner Größe darin eingeschlossen werden, welche sich miteinander verbinden, um kapillare Durchgänge zu erzeugen.
Kapillarität ist insofern von Vorteil, als sie die Wanderung eines gewünschten fluiden Materials in das Netzwerk von Durchgängen und das Zurückhalten des fluiden Materials in dem Netzwerk fördert, ohne dass äußere hydraulische Kräfte angewendet werden müssen.
Im Allgemeinen weist das Netzwerk einen Durchlässigkeitskoeffizienten von 2 × 10^–13 bis 2 × 10^–5 auf, und die Permeabilität ist isotrop.
Die Kapillarität und der isotrope Charakter werden insbesondere dann erzielt, wenn das Netzwerk, welches die Porosität definiert, Poren mit unterschiedlicher Porengröße aufweist, wobei die Porengrößenverteilung wie folgt ist:

Porengröße in Mikrometer Menge

10^–2–10^–1 1–5 %

10^–1–10 5–10 %

10–100 10–20 %

100–400 20–50 %

400–1000 10–50 %

über 1000 Rest bis 100 %
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Porengrößenverteilung wie folgt:

Porengröße in Mikrometer Menge

10^–2–10 5–15 %

10–400 15–70 %

400–1000 10–70 %

über 1000 Rest bis 100 %
Die Porosität eines Materials beeinflusst dessen physiko-mechanische Qualitäten, beispielsweise die mechanische Beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Superelastizität und Wechselverformungsfestigkeit.
Der erfindungsgemäße poröse Artikel erlaubt einen breiten Anwendungsbereich des Artikels, ohne dass die biomechanische und biochemische Kompatibilität verändert wird.
Die Größe der Poren, die Richtung der Durchlässigkeit und der Benetzungskoeffizient für biologische Fluide, sowie Faktoren wie beispielsweise ein differenzieller hydraulischer Druck in dem gesättigten und ungesättigten porösen Artikel bestimmen die Geschwindigkeit und Adäquanz der Eindringung des biologischen Fluids in den porösen Artikel.
Es ist davon auszugehen, dass eine optimale Porengröße eine Durchlässigkeit für das Fluid und einen effektiven Kontakt für die Bindung von Komponenten in dem Fluid mit den inneren Porenoberflächen des Artikels bieten wird; die Fläche dieser Oberflächen hängt von den Porengrößen und der Porengrößenverteilung ab.
Wenn die Porengröße verringert wird, verändert sich die Durchlässigkeit auf eine nicht vorhersagbare Weise, da einerseits der hydraulische Druck ansteigt, während andererseits der Kapillareffekt bei einer bestimmten kleinen Porengröße auftritt, wobei der Kapillareffekt die Permeabilität erhöht.
Die Porengröße ist auch ein wichtiger Faktor bei dem Wachstum von Gewebe oder biologischen Aggregaten. Zumindest einige der Poren müssen eine Größe aufweisen, um die Entwicklung oder das Wachstum biologischer Aggregate, die aus den Komponenten des Fluids synthetisiert werden, beispielsweise Osteone im Fall von Knochengewebe, zu erlauben.
Außerdem verringert sich der Kapillareffekt wenn die Porengröße erhöht wird, und auch die Beständigkeit des porösen Artikels wird verringert. Für jede Art von lebendem Gewebe gibt es optimale Parameter der Durchlässigkeit, Porosität und Porengrößenverteilung in dem porösen Artikel für eine effiziente Verwendung des porösen Artikels als Implantat. Der erfindungsgemäße poröse Artikel funktioniert gut über eine breite Vielfalt von lebendem Gewebe und erlaubt so einen breiten Anwendungsbereich.
ii) Nickel-Titan-Legierung
Die poröse Legierung auf Nickel-Titan-Basis kann geeigneterweise 2 bis 98 Atomgew.-% Titan und 2–98 Atomgew.-% Nickel bis insgesamt 100 % umfassen; bevorzugt 40 bis 60 Atomgew.-% Titan und 60–40 Atomgew.-% Nickel bis insgesamt 100 %; und weiter bevorzugt 48 bis 52 Atomgew.-% Titan, 48 bis 52 Atomgew.-% Nickel, weniger als 2 Atomgew.-% Molybdän, weniger als 2 Atomgew.-% Eisen und kleinere Mengen oder Spuren andere Elemente bis insgesamt 100 %. Es ist wünschenswert, dass die Legierung Molybdän und Eisen jeweils in einer Menge von mehr als 0 Atomgew.-% und weniger als 2 Atomgew.-% beinhaltet.
Legierungen auf Nickel-Titan-Basis weisen bei biomedizinischen Anwendungen signifikante Vorteile im Vergleich zu anderen Materialien auf. Sie zeigen insbesondere ein hohes Maß an Inertheit oder Biokompatibilität und sie besitzen eine hohe mechanische Festigkeit und ermöglichen so eine lange Lebensdauer, wenn sie für die Herstellung von Implantaten verwendet werden.
Lebendes Gewebe weist eine Elastizität auf, welche es gegenüber einer permanenten Verformung elastisch macht, wenn es Belastungen und Schwingungen ausgesetzt ist. Wenn Material, das in einem Implantat, das mit solchem Gewebe in Kontakt kommt, verwendet wird, andere Merkmale als das Gewebe besitzt, so wird es die Erfordernisse für eine biomechanische Kompatibilität in einem Implantat nicht erfüllen und die Lebensdauer wird kurz sein. Es wurde herausgefunden, dass der erfindungsgemäße Artikel aus poröser Nickel-Titan-Legierung ein mechanisches Verhalten zeigt, das sehr ähnlich zu demjenigen von lebendem Gewebe ist und daher eine hohe biomechanische Kompatibilität zeigt.
iii) Artikel
Verschiedene poröse Artikel können gemäß der Erfindung hergestellt werden.
Eine besonders bevorzugte Klasse von Artikeln der Erfindung sind biomedizinische Implantate.
Der Artikel aus poröser Legierung kann als ein Implantat oder eine Endoprothese hergestellt sein, um einen Körperteil lokal oder vollständig zu ersetzen, beispielsweise um Geburtsdefekte oder Defekte, die von einer Verletzung oder Erkrankung herrühren, zu korrigieren.
Daher kann der Artikel aus poröser Legierung als Spacer hergestellt werden, um einen Teil eines zerschmetterten menschlichen Knochens zu ersetzen und um eine Brücke für die Verbindung von Knochenteilen, die aufgrund der Zerschmetterung des ursprünglichen Knochens getrennt sind, bereitzustellen.
Legierungen auf Nickel-Titan-Basis besitzen ein hohes Maß an Biokompatibilität mit menschlichem Gewebe und die Kapillarität des erfindungsgemäßen Artikels aus poröser Legierung ermöglicht das Eindringen menschlicher biologischer Fluide in den Artikel unter der Kraft der Kapillarwirkung. Somit wird bei einem aus dem porösen Artikel der Erfindung hergestellten porösen Spacer biologisches Fluid von dem Knochen in das Netzwerk der Durchgänge des in Kontakt stehenden porösen Spacers gezogen und das Fluid wandert unter der Kapillarwirkung durch das Netzwerk. Lebendes Gewebe in dem Fluid wächst in den Poren des Netzwerks und haftet an den Porenoberflächen, wodurch eine chemische Bindung oder Vereinigung mit der Legierung auf Titan-Nickel-Basis bereitgestellt wird.
Wenn das Wachstum des Gewebes, beispielsweise des Knochens, abgeschlossen ist, so wird sowohl eine chemische Bindung zwischen dem neu gewachsenen Knochen und dem Titan-Nickel-Spacer als auch eine mechanische Verbindung durch den neu gewachsenen Knochen mit den getrennten Knochenteilen, welche der Spacer verbrückt, bereitgestellt.
Der poröse Artikel kann auch in anderen Anwendungen, beispielsweise in einem Flammenbrenner eingesetzt werden, bei dem der poröse Artikel als Brennerkopf ausgebildet ist, um eine gewünschte Flammenbildung bereitzustellen. Eine weitere Anwendung ist als Arbeitselement für ein chirurgisches Werkzeug, bei dem die poröse Struktur als Reservoir für eine Kühlflüssigkeit dienen kann, wenn das Werkzeug in der Kryochirurgie eingesetzt wird. Wenn es sich bei dem Arbeitselement um eine Schneidkante oder Spitze handelt, so kann die Kühlflüssigkeit in der porösen Struktur ein lokales Gefrieren an einer Stelle ermöglichen, an der ein Schnitt oder ein Einstich, wie beispielsweise bei einer Warzenentfernung, erfolgt.
Andere Anwendungen des porösen Artikels schließen ein deformierbares Filterelement für flüssige und gasförmige Umgebungen ein.
iv) Verfahren
Der poröse Artikel wird mit einer kontrollierten und variablen Porengrößenverteilung wie oben angegeben hergestellt. Der poröse Artikel kann insbesondere gemäß der in der russischen Veröffentlichung „Medical Materials and Implants with Shape Memory Effect", 1998, Tomsk University, S. 460 bis 463, Gunther V. et al. hergestellt werden. Zusammengefasst kann diese Legierung durch Pulvermetallurgieverfahren mittels des so genannten SHS (selbstablaufende Hochtemperatursynthese, Self-Propagating High-Temperature Synthesis) Verfahrens unter Verwendung zweier unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden:

1. Schichtweise Verbrennungs-SHS: Hitze wird durch anfängliche Zündung erzeugt. Anschließend steigt die Temperatur der benachbarten Schichten der Substanz durch die thermische Leitfähigkeit an, wodurch darin eine Reaktion hervorgerufen wird, und was zu einer räumlichen Versetzung der Reaktionszone in dem Volumen führt. Die Reaktion erfolgt nur in einer dünnen Schicht, die als Verbrennungsfront bezeichnet wird.
2. Wärmeschock-SHS: Bei diesem Verfahren wird der Wärmeschock durch Erwärmen eines Gemisches verschiedener Pulver auf die Temperatur, bei der die selbstablaufende chemische Reaktion und der Wärmefreisetzungseffekt stattfinden, durchgeführt. Auf Grund des selbsterwärmenden Vorgangs erwärmt sich das Gemisch auf höhere Temperaturen, so dass das Gemisch der Pulver in eine Legierung umgewandelt wird.

Die beiden Verfahren werden im Folgenden ausführlicher erläutert:
Die selbstablaufende Hochtemperatursynthese (SHS) beruht auf der Ausnutzung der Wärme, die unter der Wechselwirkung (exothermen Reaktion) der verschiedenen Elemente, insbesondere unterschiedlicher Metalle, emittiert wird. Es gibt zwei unterschiedliche Verfahren: SHS unter den Bedingungen einer schichtweisen Verbrennung und SHS unter den Bedingungen eines Wärmeschocks.
Gemäß der schichtweisen Verbrennung wird die Wärme in einem bestimmten lokalen Volumen der Substanz durch die Anregung der exothermen Reaktion emittiert. Diese Wärme lässt durch die thermische Leitfähigkeit die Temperatur der benachbarten Schichten der Substanz ansteigen und so wird darin eine Reaktion hervorgerufen, und dies führt zu einer räumlichen Versetzung der Reaktionszone in dem Volumen. Bei einer schichtweisen Verbrennung läuft die Reaktion nicht in dem gesamten Volumen der Substanz gleichzeitig ab. Sie erfolgt nur in der dünnen Schicht, die als die Verbrennungsfront bezeichnet wird.
Bei der SHS gemäß dem Wärmeschockverfahren führt der Anstieg der Temperatur in dem gesamten Volumen des Reaktionssystems zu einem zeitlich ausgedehnten selbsterwärmenden Vorgang, der mit einer thermischen Explosion vergleichbar ist.
Die SHS in schichtweiser Verbrennung wird wie folgt durchgeführt. Ein Rohling mit einer vorbestimmten Form, z.B. zylindrisch, wird aus einem Gemisch der Pulver der verschiedenen Metalle (Legierungen) gepresst. Ein thermischer Impuls wird auf einen oberen oder unteren Abschnitt zugeführt, wodurch der Zylinder gezündet wird. Die chemische Reaktion wird in einer oberflächlichen Schicht initiiert und schreitet spontan in der Form der Verbrennungsfront, die entlang der Achse des Rohlings wandert, fort. Diese Verbrennungsfront lässt ein verfestigtes kaltes Produkt hinter sich (Legierung).
SHS unter den Bedingungen eines Wärmeschocks wird durchgeführt, indem ein Gemisch verschiedener Pulver auf die Temperatur erwärmt wird, bei der die selbstablaufende chemische Reaktion und der Wärmefreisetzungseffekt stattfinden. Aufgrund des selbsterwärmenden Vorgangs wird das Gemisch auf eine hohe Temperatur erwärmt und das Gemisch der Pulver wird in eine Legierung umgewandelt.
Während der Titan-Nickel-Synthese unter den Bedingungen eines Wärmeschocks und einer schichtweisen Verbrennung sind die Maximaltemperaturen der Reaktionszone ähnlich und sie werden durch die energetischen Eigenschaften des Systems bestimmt. Diese Temperaturen können niedriger, gleich oder etwas höher als die Schmelztemperatur der Titan-Nickel-Legierung sein.
Bei schichtweisen Bedingungen und Wärmeschockbedingungen werden die SHS-Hauptparameter der Titan-Nickel-Herstellung durch thermodynamische Analyse unter Verwendung der Gesetze und Bildungsmechanismen von Titan-Nickel unter nicht-exothermen Bedingungen ermittelt. Die am besten geeigneten Parameter, um die Synthese zu kontrollieren, sind die anfängliche Temperatur des Verfahrens, die Zeit für die die anfängliche Zusammensetzung bei einer bestimmten Temperatur gehalten wird, das Ausmaß der Vermischung der Zusammensetzung für ein Endprodukt und die Art der ursprünglichen Pulver. Durch diese Parameter wird die Porengrößenverteilung in dem porösen Material kontrolliert. Zwei Arten von Produkten, der Titan-Nickel-Barren und gesintertes poröses Titan-Nickel können erhalten werden, indem die genannten Parameter variiert werden. Es ist anzumerken, dass die Reaktionsdurchführung im Fall von Barren höher ist.
Die optimalen Bedingungen, um Nickel-Titan-Legierungen durch das SHS-Verfahren über eine schichtweise Verbrennung und Wärmeschock zu erhalten, sind wie folgt:

i) die anfängliche Synthesetemperatur bei den Bedingungen einer schichtweisen Verbrennung, um das poröse Brikett herzustellen, beträgt geeigneterweise 500 bis 900 °K;
ii) die anfängliche Synthesetemperatur bei Wärmeschockbedingungen liegt in der Nähe des Schmelzpunkts des niedrigschmelzenden Eutektikums (1200 K);
iii) der Inertgasdruck in einem geschlossenen Reaktor beträgt 1 bis 2 × 10⁵ Pa;
iv) die Inertatmosphäre ohne Druck liegt in dem Reaktor des offenen Typs vor;
v) die Gaszufuhrrate beträgt etwa 0,2–0,4 atm/Min.;
vi) die Verweildauer der anfänglichen Gemische bei der Synthesetemperatur oder in der Nähe der Synthesetemperatur hängt von der Art der verwendeten Pulver und von dem Durchmesser des Rohlings (oder gesinterten Blocks) ab und beträgt üblicherweise 0,5–2 Stunden;
vii) wenn der Durchmesser des Rohlings erhöht wird und die anderen Parameter konstant bleiben, sollte die Synthesetemperatur erniedrigt werden;
viii) die Erhöhung der Dichte des anfänglichen Gemischs erfordert eine Erniedrigung der anfänglichen Synthesetemperatur;
ix) der minimale Durchmesser des Rohlings beträgt 10 mm (entsprechend dem Zweck, die Wärmeverluste zu reduzieren und adiabatische Verbrennungsbedingungen zu erreichen);
x) die anfängliche Porosität des Rohlings beträgt etwa 30–60 % (hier wird der Rohling leicht gezündet und die Verbrennung schreitet auf eine stabile Weise fort);
xi) der niedrigere Porositätsgrad kann zu einer Unterbrechung des Verbrennungsvorgangs aufgrund einer wesentlichen Wärmefreisetzung aus der Synthesezone führen, der höhere Porositätsgrad kann zu einer geringeren mechanischen Festigkeit des Rohlings führen;
xii) die verbleibenden Parameter wie beispielsweise Partikelgrößen und Art der anfänglichen Pulver, Konzentration der Haupt- und Legierungselemente werden je nach Herstellungszweck eines Materials mit vorbestimmter Zusammensetzung und Eigenschaften variiert. Geeigneterweise beträgt die Partikelgröße der Pulver 5 bis 100 μ.

Die technologische Herstellung von Nickel-Titan-Legierungen erfolgt geeigneterweise über drei Stufen.
Stufe 1. Herstellung des Rohlings, der für das SHS-Verfahren verwendet werden soll.

a) Trocknen der Pulver. Üblicherweise werden die pulverisierten Bestandteile in einer Vakuumkammer bei einer Temperatur von 350–360 °K getrocknet. Es ist ausreichend, die Pulver für etwa 7 Stunden bei dieser Temperatur zu halten, um die Feuchtigkeit zu entfernen, und um eine verlässliche Zündung und weitere Verbrennung des Gemischs zu erreichen.
b) Zumessen der Bestandteile. Die Hauptbestandteile werden mit einer Genauigkeit von ± 20 mg zugemessen, für die Legierungsbestandteile liegt dieser Wert geeigneterweise innerhalb einer Genauigkeit von ± 0,1 mg. Standardwägeausstattungen können verwendet werden, wenn eine relativ große Anzahl von Gemischen hergestellt wird.
c) Mischen. Die Pulver werden entsprechend üblicher Vorgehensweise in einem Standardmischer für 6–8 Stunden vermischt. Bei Hochenergiemischern (Attritormühlen) ist die Mischungsdauer wesentlich geringer.
d) Briquettherstellung. Die zylindrischen Briketts werden mit einer hydraulischen Pressmaschine in den Pressformen gepresst. Es können auch die Formpakete, die mit dem Pulvergemisch befüllt sind, verwendet werden.

Stufe 2. Selbstablaufende Hochtemperatursynthese.

a) Beladen und Präparieren des Reaktors, um das SHS-Verfahren durchzuführen. In einer einfachen Ausführungsform wird ein Reaktor verwendet, der eine aus rostfreiem Stahl hergestellte Röhre mit Anschlüssen für Inertgase und Thermoelemente umfasst. An einer seitlichen Öffnung dieser Röhre ist eine elektrische Spirale angebracht, um das Gemisch zu zünden. Um Briketts mit einer bestimmten Größe oder Verbrauchselektroden herzustellen, wird der Reaktor mit einem Gemisch der Metallpulver befüllt, das während des Beladens komprimiert wird. Die gepressten Briketts werden in dem Reaktor platziert. Der Reaktor wird mit Inertgas belüftet.
b) Vorheizen und Zündung. Wenn das SHS-Verfahren nicht bei Raumtemperatur durchgeführt wird, so wird die anfängliche Temperatur erhöht. Es wird beispielsweise ein Vorheizen der Briketts durchgeführt. Die anfängliche Synthesetemperatur wird mit Thermoelementen kontrolliert. Um poröse gesinterte Produkte zu erhalten, liegt die anfängliche Verfahrenstemperatur unter den Bedingungen einer schichtweisen Verbrennung geeigneterweise bei 500–900 °K. Bei einer konstanten anfänglichen Synthesetemperatur, Synthesedauer und Mischungszusammensetzung gibt es durch den Temperaturgradienten, der über den Durchmesser des gesinterten Blocks verläuft, eine Möglichkeit, die Porenverteilung mit Dimensionen im Endprodukt zu kontrollieren.
c) Kühlen und Entnehmen des SHS-Produkts. Wenn die Verbrennungsfront passiert ist, wird der Reaktor aus dem Ofen entnommen und mit Wasser auf eine Temperatur von 340–360 °K abgekühlt, ohne die Zufuhr von Inertgas anzuhalten. Anschließend wird das synthetisierte Produkt – je nach Synthesebedingungen poröses Brikett oder Block – aus dem Reaktor entnommen. Der resultierende Artikel kann so wie er ist verwendet werden oder einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden.

Stufe 3. Die Herstellung der Halbfertigprodukte, beispielsweise Barren, Stab, Draht oder gewalztes Material, wird mit bekannten Verfahren durchgeführt.
Nach der obigen Vorgehensweise ist der Artikel aus Nickel-Titan-Legierung porös. Während des Syntheseverfahrens hat die Gesamtporosität die Tendenz konstant zu bleiben, es erfolgt jedoch ein Materialverlust. Eine Umverteilung der Porosität wird durch Bildung und Entweichen der flüssigen Phase hervorgerufen und auch durch Reaktion adsorbierter Gase, die durch den umgesetzten Teil der Probe filtriert werden.
Bei den anfänglichen Synthesetemperaturen enthält das poröse Material die Phasen TiNi und Ti₂Ni. Die letztere liegt in kleinen Mengen in Form einer abgetrennten Phase an den Korngrenzen vor. Mit steigender anfänglicher Synthesetemperatur verringert sich der Gehalt der Phase Ti₂Ni, und entsprechend ist die Festigkeit des Materials höher. Das poröse Titan-Nickel weist eine kontrollierbare Porosität von 8–90 % und eine Porengrößenverteilung wie oben beschrieben auf. Unter bestimmten Umständen wird die poröse Struktur von Titan-Nickel mit Säuren verarbeitet, um die Porosität und den Durchdringungsfaktor zu erhöhen. Der Nickel-Titan-Artikel besitzt überragende elastische Eigenschaften und ein thermo-mechanisches Gedächtnis.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen erfindungsgemäßen porösen Artikel als Implantat;
2 zeigt die Mikrostruktur einer Implantatoberfläche mit eingewachsenem Gewebe, 9 Monate nach Operation; und
3 zeigt ein Implantat für Gesichtsknochen.
BESCHREIBUNG MIT BEZUG AUF DIE ZEICHNUNGEN
Mit weiterem Bezug auf die 1 umfasst ein Implantat aus poröser Titan-Nickel-Legierung für eine Leber-Durchschusswunde eine Hülse 1, nicht-bewegliche Begrenzungsrippe 2, wieder entfernbare Begrenzungsrippe 3 und einen Haltering 4.
BEISPIEL 1
Implantatoperation einer Leber-Durchschusswunde.
Eine Nickel-Titan-Legierung mit gleichen Mengen an Nickel und Titan in Atomgewichtsprozent und einer Porosität von 65 % wurde verwendet, die Legierung wies eine isotrope Permeabilität von 2 × 10^–5 m² und eine Porositätsverteilung gemäß der folgenden Porengrößen auf:

10^–2–10^–1 Mikrometer 5 %

10^–1–10 10 %

10–100 20 %

100–400 50 %

400–1000 10 %

über 1000 Rest bis 100 %
Die Zusammensetzung wurde durch ein metallurgisches Pulververfahren unter den Verbrennungsbedingungen einer selbstablaufenden Hochtemperatursynthese mit anschließendem Ätzen oder Beizen erhalten. Die anfänglichen Verfahrensbedingungen waren: Temperatur = 550 K, Pulverporosität = 59 %. Das poröse Material für das Implantat wurde in einer Konfiguration mit Hülse 1 (1) mit voneinander beabstandeten Begrenzungsrippen 2, 3, von denen Rippe 2 stationär und die andere 3 entfernbar ist, hergestellt. Der Durchmesser der Hülse 1 betrug 20 mm, Länge 30 mm, der Außendurchmesser der Rippen 2, 3 betrug 25 mm. Die entfernbare Rippe 3 war durch einen Haltering 4 befestigt.
Das Implantat wurde wie folgt verwendet:
Nach Sterilisationbehandlung wurde das Tier (ein Hund) betäubt, um durch zwischenzeitliche „Lipothymie" einen Zugang zu der linksseitigen Hemisphere der Leber unter Verwendung eines schwertartigen 15 cm langen Appendix zu ermöglichen. Anschließend wurde unter Verwendung eines zylindrischen Resektors mit einem Außendurchmesser von 22 mm in der Leber ein Loch erzeugt, das einen Wundkanal imitiert. Mittels einer Hülsenführung wurde Hülse 1 in den Wundkanal eingeführt, bis die stationäre Begrenzungsrippe 2 an die Leber anstieß, während das zweite Ende der Hülse 1 außerhalb der Leber blieb. Anschließend wurde die entfernbare Rippe 3 an dem Punkt, an dem die Leber in einer solchen Position leicht gedrückt wurde an diesem zweiten Ende der Hülse 1 befestigt. Anschließend wurde der Haltering 4 an der Hülse 1 fixiert. Während des Vorgangs, die Resektion dauerte 5 Sekunden, Anbringen und Fixieren des Implantats dauerten etwa 20 Sekunden, blutete die Leber nur während der Resektion und dem Anbringen des Implantats. Der Blutverlust betrug nicht mehr als 30 ml.
Nach dem Anbringen des Implantats wurde das poröse Material während der nächsten 30–40 Sekunden mit Körperflüssigkeit gesättigt, was das Eindringen von Blut außerhalb, bevor es in der Matrix der Poren verklumpte, einschließt. Der Blutverlust während dieser Operation betrug etwa 10–15 ml.
In dem Stadium nach der Operation während 12 Monaten wurden die folgenden Auffälligkeiten beobachtet: Die Dynamik der Entwicklung und Umwandlung von Gewebe an der Grenze des „Parenchym-Implantats" einschließlich der Entwicklung einer Schicht von Fibrin (24 Stunden), dessen Granulierung (5–7 Tage), Entwicklung und Verdichtung von Kollagengewebe, in dem sich Gefäße und Lebergerüst (6–12 Monate) entwickelt hatten. 30 Tiere (Hunde) wurden der beschriebenen Operation unterzogen. Die Sterblichkeitsrate in dieser Gruppe betrug 10 % und stand nicht im Bezug zu dem Implantat, was die hohe Effizienz des porösen Legierungsmaterials bezeugt, das für die Implantation bei Parenchym-Defekten bei menschlichen Körperorganen verwendet werden kann.
BEISPIEL 2
Bildung des Stumpfs des Augapfels.
Für diese Operation wurde eine poröse Titan-Nickel-Legierung mit gleichen Mengen an Nickel und Titan in Atomgewichtsprozent und mit einem Porositätsgrad von 90 %, einer isotropen Permeabilität von 2 × 10^–5 m² und der folgenden Porengrößenverteilung verwendet:

10^–2–10^–1 Mikrometer 1 %

10^–1–10 5 %

10–100 10 %

100–400 20 %

400–1000 50 %

über 1000 Rest bis 100 %
Das Verfahren war dasselbe wie in Beispiel 1, aber die anfänglichen Bedingungen waren: Temperatur = 650 K, Pulverporosität = 62 %, die resultierende Legierung wies eine Porosität von 80 % auf und ein weiterer Ätzvorgang lieferte die letztlichen 90 %. Das Material wurde zu einem kosmetischen Zweck verwendet und seine Effektivität wurde entsprechend der Stärke der Bindung zwischen dem Implantat und dem Augapfelgewebe, der Fähigkeit, einer Auflösung zu widerstehen und ein vorbestimmtes Volumen beizubehalten, bestimmt. Die folgende Vorgehensweise wurde verwendet: Zunächst wurde das Versuchstier (Hund) einer Viszeroinokulation unterzogen und ein Implantat wurde in den skleralen Glaskörper/Goblet platziert, nachdem sämtliches Gefäßgewebe entfernt worden war; dann wurde die Sklera zwischen den Augenbewegungsmuskeln abgetrennt und als Flickstücke verwendet, um das Implantat mit paarweisen Stichen zu fixieren.
Zwanzig Tiere wurden dieser Operation unterzogen; während der Vorgehensweise gab es bei den Tieren keinerlei Komplikationen an den von dem Implantat betroffenen Stellen oder an anderen Stellen.
Die Bindung von Gewebe in den Implantatporen und dessen Umwandlung wurde mittels einer Mikrosektion nach 7 Tagen, und 3, 6, 9 und 12 Monate nach der Operation untersucht. 2 zeigt die Mikrostruktur der Mikrosektionsoberfläche des Implantats, wobei die Gewebefüllung 9 Monate nach der Operation gezeigt ist. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass in den Poren ein dichtes fibröses Gewebe gebildet ist, das stabil bleibt, sodass eine sichere Fixierung und Funktionalität des Implantats erzeugt wird.
BEISPIEL 3
Implantat der Gesichtsschädelstruktur.
Während der Implantation bei durch Osteoporose (pathologische Desintegration von Knochengewebe) hervorgerufenen Knochendefekten war die effizienteste verwendete Titan-Nickel-Legierung diejenige, die gleiche Mengen an Nickel und Titan in Atomgewichtsprozent und einen Porositätsgrad von 70–80 %, eine isotrope Permeabilität von 1,5 × 10^–5 m² und die folgende Porengrößenverteilung aufwies:

10^–2–10^–1 Mikrometer 1 %

10^–1–10 5 %

10–100 15 %

100–400 45 %

400–1000 30 %

über 1000 Rest bis 100 %
Das Material wurde entsprechend einem pulvermetallurgischen Verfahren mittels einer selbstablaufenden Hochtemperatursynthese unter Verbrennungsbedingungen erhalten. Die anfänglichen Verfahrensbedingungen waren Temperatur = 650 K, Pulverporosität = 62 %. Das Material wurde als eine plattenartige Endoprothese 3) mit einer Dicke von 0,5–1,0 mm maßgeschneidert, die durch das Verfahren des Elektroerosionsschneidens von Klumpen aus poröser Titan-Nickel-Legierung erhalten wurde. Die Herstellung der Endoprothese für die Implantation bestand aus einer Sterilisation durch bekannte Standardverfahren, einschließlich einer trockenen Wärmebehandlung und Konservierung in 96 %-igem Alkohol.
Ähnliche Vorgehensweisen für die Verwendung des porösen Materials wurden für das Ersetzen oder die Implantation anderer Nasendefekte, vorderen Sinusknochengewebes und oberen Kiefergewebes und der unteren Wand der Augapfelkavität eingesetzt.
Die Ergebnisse der Implantate unter Verwendung der porösen Titan-Nickel-Legierung zeigten signifikante Vorteile des erfindungsgemäßen Materials gegenüber bekannten früheren Materialien.
Material mit einem Porositätsgrad von über 90 % ist heute in Anbetracht seiner geringen mechanischen Festigkeit unzweckmäßig.

Claims

Poröser Artikel auf Basis einer Nickel-Titan-Legierung, wobei der Artikel eine kontrollierbare und variable Porosität von wenigstens 40% bis 90% aufweist und die Porosität durch ein Netzwerk von miteinander verbundenen Durchgängen die sich durch den Artikel erstrecken definiert ist, wobei das Netzwerk eine Durchlässigkeit für fluides Material aufweist, um eine vollständige Wanderung des fluiden Materials durch das Netzwerk zu erlauben, wobei der Artikel elastisch deformierbar ist.
Poröser Artikel nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine biokompatible Legierung ist und biomechanische Kompatibilität mit menschlichen Geweben aufweist.
Poröser Artikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Permeabilität auf einen Kapillareffekt in dem Netzwerk zurückzuführen ist.
Poröser Artikel nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Netzwerk für biologisches Gewebe in einem biologischen Fluid durchlässig ist, und wobei das Netzwerk Poren mit einer solchen Größe umfasst, um das Wachstum von biologischem Gewebe dann zu erlauben.
Poröser Artikel nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, der eine Porosität von nicht mehr als 80% aufweist.
Poröser Artikel nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, der einen Durchlässigkeitskoeffizienten von 2 × 10^–13 bis 2 × 10^–5 aufweist.
Poröser Artikel nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, der einen porösen, gesinterten Pulver-Körper umfasst.
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Durchlässigkeit isotrop ist.
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Netzwerk eine Porengrößenverteilung wie folgt umfasst: Porengröße in μm Menge 10^–2–10^–1 1–5 % 10^–1–10 5–10 % 10–100 10–20 % 100–400 20–50 % 400–1000 10–50 % über 1000 Rest bis 100 %
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Netzwerk eine Porengrößenverteilung wie folgt umfasst: Porengröße in μm Menge 10^–2–10 5–15 % 10–400 15–70 % 400–1000 10–70 % über 1000 Rest bis 100 %
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Legierung 2 bis 98 % Titan pro Atomgewicht und 2 bis 98 % Nickel pro Atomgewicht bis insgesamt 100 % aufweist.
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Legierung 40 bis 60 % Titan pro Atomgewicht und 60 bis 40 % Nickel pro Atomgewicht bis insgesamt 100 % aufweist.
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Legierung 48 bis 52 % Titan pro Atomgewicht, 48 bis 52 % Nickel pro Atomgewicht, weniger als 2 % Molybdän pro Atomgewicht, weniger als 2 % Eisen pro Atomgewicht und kleinere Mengen an anderen Elementen bis insgesamt 100 % aufweist.
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in Form einer medizinischen Produktanwendung.
Poröser Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in Form einer technischen Produktanwendung.