Qualifizierung der metastabilen β-Titanlegierung Ti Nb13 Zr13 für den Einsatz als Implantatwerkstoff durch Einstellen gradierter mechanischer Eigenschaften

18116 N

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit:  01.04.2014 - 01.12.2016
Partner:  TU Braunschweig, Institut für Werkstoffe, Prof. Dr. J. Rösler
Geldgeber:  AiF
Arbeitsgruppe:  Korrosion

Aufgabenstellung

Ziel des unter IGF 18116 N geförderten Projekts ist die gezielte Einstellung gradierter mechanischer Eigenschaften sowie die partielle Modifikation der Oberfläche der Legierung Ti13Nb13Zr. Heutige Implantatbauteile wie beispielsweise eine Hüftgelenkprothese verlangen eine unterschiedliche chemische bzw. mechanische Funktionalität. So muss beispielsweise am oberen Teil des Implantats eine hohe Verschleißbeständigkeit gegeben sein, da dort der Implantatkopf aufgesetzt wird. Gleichzeitig muss im Bereich des Implantatschafts eine erhöhte Biokompatibilität gegeben sein, da dort schnell Knochen anwachsen soll. An beiden Stellen muss außerdem eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit herrschen.

Projektziel

Aus diesem Grund soll am DECHEMA Forschungsinstitut (DFI) ein partielles Anodisieren des Werkstoffs Ti13Nb13Zr durchgeführt werden. Hierzu soll zum einen mittels Plasmaanodisieren eine besonders verschleißfeste Oxidschicht im oberen Bereich des Implantats erzeugt werden. Des Weiteren soll mittels konventionellem Anodisieren eine besonders biokompatible Schicht durch die Erzeugung knochenwachstumsfördernder Substanzen erzeugt werden. Beim Projektpartner TU Braunschweig werden zusätzlich die entsprechenden Gefügezustände mittels Umformung oder partiellen Wärmebehandlungen entsprechend der jeweiligen Anforderungen angepasst.

Ergebnisse

In ersten Vorversuchen wurde die medizintechnische Standardlegierung T-6Al-4V plasmaelektrolytisch oxidiert. Dafür wurden die Proben in einem Calcium- und Phosphor-haltigen Elektrolyten (0,1 M Calciumacetat + 0,05 M NaH2PO4) bei verschiedenen Spannungen unter Gleichspannung sowie im gepulsten Modus plasmaanodisiert. Bei der Elektrolytzusammensetzung wurde ein Ca-P-Verhältnis von 2:1 gewählt, um das Mineral Hydroxylapatit (HA) zu erzeugen. Die harte Substanz des Körpers (Knochen, Zahnschmelz) besteht aus bis zu 90 % HA; durch die Erzeugung des Minerals kann die Bioaktivität der Anodisierschicht erhöht und somit das Anwachsen des Knochens verbessert werden. Die Eigenschaften der erzeugten Anodisierschichten wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (chemische Zusammensetzung, Oberflächenmorphologie), Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall (gebildete Phasen), Raman sowie elektrochemischen Korrosionsversuchen untersucht.

Nach Auswertung der Diffraktogramme kann geschlossen werden, dass bei niedrigen Spannungen (0-300 V) die gebildete kristalline Anodisierschicht hauptsächlich aus verschiedenen Titanoxiden (Rutil und Anatas) besteht. Mit Erhöhen der Spannung nimmt der Anteil der Rutil-Phase zu. Bei weiterer Spannungserhöhung zeigen sich ab ca. 350 V zusätzliche Reflexe, welche der Bildung von HA zugeschrieben werden können. Dies kann auch durch die Auswertung der Raman-Spektren verifiziert werden. Hier kann die charakteristische Schwingungsbande der Ca-P-Mode bei einem Raman-Shift von 960 cm-1 ausgemacht werden. Mit Erhöhen der Spannung auf 480 V nehmen die Intensitäten der Titanoxidreflexe ab und die des HA zu, was auf die verstärkte Bildung von HA auf der Oberfläche hinweist. Die Auswertung der EDX-Spektren und der BSE-Bilder belegen ebenso die Bildung von Apatit auf der Oberfläche sowie die Homogenität der chemischen Zusammensetzung der Schichten.

Die plasmaelektrolytisch oxidierten Proben wurden anschließend hinsichtlich ihrer Korrosionseigenschaften in einer simulierten Körperflüssigkeit (simulated body fluid, SBF) elektrochemisch untersucht. Die SBF wurde zusätzlich mit 0,1 M H2O2 versetzt, um eine Entzündungsreaktion umliegenden Körpergewebes zu simulieren. Es zeigt sich, dass das freie Korrosionspotential leicht in anodische Richtung verschoben wird. Weiterhin kann eine deutliche Abnahme der Stromdichten bei Polarisation beobachtet werden. Die Korrosionsbeständigkeit der Schichten verbessert sich nochmals mit Erhöhen der Spannung und der Frequenz, was auf die zunehmende Dicke und geringere Porosität der Schichten zurückgeführt werden kann.

Ausblick

Im nächsten Schritt sollen die anhand der Legierung Ti-6l-4V gewonnenen Erkenntnisse auf den neuen Werkstoff Ti-13Nb-13Zr übertragen werden. Ziel ist es, eine porenarme, verschleißfeste Titanoxidschicht für den oberen Bereich der Hüftprothese zu erhalten, sowie eine möglichst poröse, HA enthaltende Schicht für den Bereich des Implantatschafts zu entwickeln. Dazu soll neben den elektrischen Parametern die  Zusammensetzung sowie Konzentration des Anodisierbades  variiert werden, um die optimalen Prozessbedingungen zu finden.

.

zurück
BMWi-Logo

Das IGF-Vorhaben Nr. 18116 N der Forschungsvereinigung DECHEMA-Forschungsinstitut, Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Jetzt Stifter werden