Entwicklung einer Aluminium- und Vanadium-freien Titanlegierung auf Basis technisch reinen Titans für den Einsatz in der Osteosynthese und Implantattechnik

IGF 19708 N

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit:  01.01.2018 - 30.06.2020
Partner:  TU Braunschweig, Institut für Werkstoffe, Prof. Dr. J. Rösler
Geldgeber:  AiF
Arbeitsgruppe:  Korrosion

Problemstellung und Ziele des Projektes

Titanwerkstoffe werden seit etwa 30 Jahren in der Osteosynthese und der Implantattechnik eingesetzt. Dies erklärt sich durch ihr günstiges Eigenschaftsprofil: Titanwerkstoffe kombinieren eine hohe Festigkeit mit einer geringen Steifigkeit, die zu einer hohen Biofunktionalität führen und so die Gefahr der Implantatlockerung oder des Implantatbruchs minimieren. Zudem sind Titanlegierungen wegen ihrer Titanoxidschicht bioverträglich und korrosionsbeständig.

Die derzeit am häufigsten in der Medizintechnik eingesetzten Titanlegierungen sind Ti Al6 V4 und Ti Al6  Nb7, die neben Titan Aluminium und Vanadium, bzw. Niob enthalten. Bei einer Beschädigung der Oxidschicht eines entsprechenden Implantats können Metallionen in den Körper und damit in den Blutkreislauf gelangen.

Aufgrund der bekannten negativen Auswirkungen von Aluminium auf den menschlichen Organismus und des zelltoxischen Verhaltens von Vanadium wird an der TU Braunschweig in Kooperation mit dem DECHEMA-Forschungsinstitut eine Aluminium- und Vanadium-freie Titanlegierung entwickelt. Diese enthält neben Titan ausschließlich Legierungselemente, die bereits im menschlichen Körper vorkommen oder für die keine negativen Auswirkungen bekannt sind. Anspruch der neuentwickelten Legierungen ist die mechanischen Eigenschaften des Standardmaterials Ti Al6 V4 zu erreichen und zu übertreffen.

Dazu werden aus Simulationen zunächst geeignete Zusammensetzungen identifiziert, die dann im Labormaßstab hergestellt und hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert werden. Zudem werden umfangreiche Untersuchungen zum Korrosionsverhalten durchgeführt, um zu verstehen, in welchem Maß Metallionen in das Implantat-umgebende Gewebe eindringen können. Vielversprechende Legierungen werden in größerem Maßstab hergestellt, charakterisiert und in realen Bauteilen getestet.

Die Funktionalität der Implantatoberfläche wird durch Plasmaanodisieren definiert eingestellt. Mittels dieses Verfahrens wird die ursprünglich metallische Oberfläche in eine kera mische Oxidschicht umgewandelt. Dadurch wird die Härte und Abriebfestigkeit signifikant erhöht sowie die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs deutlich verbessert. Weiterhin können Biomineralien wie bspw. Hydroxylapatit, auf der Implantatoberfläche abgeschieden und somit ein verbessertes Anwachsen des Implantats an den Knochen erzielt werden.

Durch diese Forschungsarbeiten wird ein neuer Titanwerkstoff für die Anwendung in der Medizintechnik zur Verfügung stehen, der sich durch eine verbesserte Biokompatibilität bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften von bisher im Einsatz befindlichen Materialien auszeichnet.

 

 

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Das IGF-Vorhaben Nr. IGF 19708 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., 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.

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