Hüftgelenk und Zahnersatz

Keramik - Verschleiß- und Bruchfest muss Keramik sein, die im Maschinen- und Anlagenbau eingesetzt wird. In der Medizin hat Hochleistungskeramik ihren Platz in der Prothetik, also im menschlichen Körper, aber auch in Geräten und Werkzeugen der Medizintechnik.

16. Oktober 2007

Konstrukteure lernen von der Natur: Eisenguss-Konstruktionen, deren Architektur dem Blattwerk von Bäumen nachempfunden ist, weisen deutlich höhere Stabilität auf. Auch der ›Lotuseffekt‹ der Selbstreinigung, mit dem z. B. Glas- und Lackoberflächen ausgestattet werden, ist der Natur abgeschaut.

Werkstoffentwickler der Natur auf der Spur

Bei neuen Klebstoffgenerationen haben sich die Entwickler an den Haftelementen der Füße von Geckos orientiert.

Dass die Evolution hervorragende Konstruktionen und Werkstoff e hervorbringt, zeigt sich auch beim Gebiss des Menschen: Auf die Backenzähne wirken beim Kauen so hohe Kräfte, dass es sehr schwer fällt, einen adäquaten Werkstoff für Restaurationen zu finden, denn es werden höchste Ansprüche an Bruchfestigkeit und Verschleißfestigkeit gestellt. Zudem muss die Biokompatibilität gewährleistet sein. Ähnliches gilt für Hüftgelenke: Hier muss ein sehr hohes Maß an Abrieb- und Verschleißfestigkeit gegeben sein. Obwohl die evolutionäre Entwicklung hier vielleicht zu einer Schwachstelle geführt hat, die bei vielen Menschen im Alter ›reparaturbedürftig‹ ist, gab es trotz intensiver Werkstoffentwicklung lange Zeit keine überzeugende Alternative.

In beiden Fällen bewährt sich inzwischen Hochleistungskeramik auf Zirkonoxid-Basis. Es wurden zum Beispiel schon mehr als zwei Millionen Vollkeramik-Hüftprothesenköpfe aus Zirkonoxid implantiert, und in der Dentalprothetik kommt dieser Werkstoff zunehmend als Vollkeramik, d. h. ohne stützendes Metallgerüst zum Einsatz. Durch die opake (durchscheinende) Optik von Zirkonoxid wird so die Gestaltung von Zahnersatz möglich, die nicht von echten Zähnen zu unterscheiden sind.

Welche Konsequenzen haben diese Entwicklungen für den Konstrukteur in der Medizintechnik? Die Antwort muss in zwei Schritten gegeben werden. Erstens: Zirkonoxid ist extrem verschleißfest, bioinert, extrem hart und kann auch in kleinsten Dimensionen 100 % passgenau gefertigt werden. Das macht es nicht nur für ›körpernahe‹ Anwendungen der Prothetik zum idealen Werkstoff, sondern auch für hochpräzise Werkzeuge wie Dentalbohrer. Allerdings - und dies ist der zweite Teil der Antwort - muss die Prozesskette der Produktion besonderen Anforderungen entsprechen, wenn der Werkstoff für diese sensiblen Anwendungsfelder genutzt wird. Hier können Qualitätsunterschiede auftreten, die gravierende Folgen haben. Denn es ist kennzeichnend für die Keramik, dass sie keine Fehler ›vergisst‹: Wenn am Anfang der komplexen Prozesskette Unregelmäßigkeiten auftreten, ist es gut möglich, dass es am Ende der Prozesskette - d.h. beim fertigen Produkt - zu Problemen kommt. So sind Dichteschwankungen in minderwertigen Rohlingen verantwortlich für verzogene und schlecht passende Gerüste in der Zahntechnik.

Keramik verzeiht keine Fehler

Das beginnt schon bei der Auswahl des Werkstoffs. Das Pulver, das als Ausgangsmaterial des Hightech-Keramikproduktes gewählt wird, sollte höchste Reinheit aufweisen. Beispielhaft kann man das am Werkstoff ›Nacera Z‹ darstellen, den die Doceram Medical Ceramics GmbH entwickelt hat. Das aus eigener Produktion stammende, vollsynthetische Pulver weist eine gleichförmige, sehr feine Korngrößenverteilung auf: Die Kristallitstruktur des Ausgangspulvers liegt bei unter 40 nm. Laufende Qualitätskontrollen stellen die Reproduzierbarkeit der Korngröße und die Homogenität des Materials sicher. Bei der Herstellung von medizintechnischen Produkten aus Hochleistungskeramik wie z. B. Förderelementen von Wirkstoffpumpen wird das Pulver zunächst mit hohem Druck gepresst - so entsteht der sogenannte ›Grünling‹. Am einfachsten verwendet man für diesen Prozessschritt uniaxiale Pressen, die ihre Presswirkung in einer Achse entfalten.

Diese Technik führt jedoch nicht zu optimalen Ergebnissen. Maximale Homogenität und Fehlerfreiheit erreicht man nur durch isostatisches Pressen, d. h. der Druck muss gleichmäßig in mehreren Achsen eingebracht werden. Bei Doceram erfolgt dieser Prozess hochautomatisiert auf geregelten isostatischen Pressanlagen. Diese Anlagen sind sehr viel komplexer als uniaxiale Pressen, das Verfahren also aufwendiger, aber das Ergebnis überzeugt durch deutlich höhere Qualität, denn die Struktur des Werkstücks weist keinerlei Unregelmäßigkeiten auf.

Auch sehr dünnwandige Strukturen lassen sich in einwandfreier Qualität und großer Härte fertigen.

Keine Bruchgefahr bei dünnwandigen Strukturen

Beim anschließenden Weißbrennen ist eine kontrollierte Brenntechnik unabdingbar, um eine gleichmäßige Dichte zu erzeugen. Aus dem kontrollierten Brennprozess leitet sich auch eine exakt vorherbestimmte Schrumpfung ab. Die Prozesskontrolle in diesem Arbeitsschritt ist eine wichtige Voraussetzung. Denn auch hier gilt: Jeder Prozessschritt muss perfekt unter Kontrolle sein, denn die Keramik ›verzeiht‹ keine Fehler.

Tobias Fürderer,

Doceram Medical Ceramics

Fakten

- Hochleistungskeramik auf Zirkonoxid-Basis hat sich bei Hüftprothesenköpfen millionenfach bewährt.

- Das Pulver aus dem das Hightech-Keramikprodukt hergestellt wird, solltehöchste Reinheit aufweisen.

- Ein Beispiel ist der Werkstoff ›Nacera Z‹, den Doceram Medical Ceramics entwickelt hat.

Erschienen in Ausgabe: 07/2007