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
Förderkennzeichen:  IGF 19708 N
Bearbeiter:  Dr. Stephan Lederer
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 kann. 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 es, 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 keramische 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.

Ergebnisse

Das Korrosionsverhalten von unbehandelten CP-Ti 4+ Legierungen sowie PEO-behandelten Proben wurden durch Ruhepotentialmessungen und potentiodynamische Polarisation in 1,5 Gew-% NaCl, Hank‘s-Lösung + 0,1 M H2O2 und künstlichem Speichel + 2000 ppm F- untersucht. Das synergetische Zusammenspiel von Verschleiß und Korrosion wurde mit Tribokorrosionsexperimenten an der Legierung Ti-6Al-4V-ELI in 3 Gew.-% NaCl und in Hank’s Lösung + 0,1 M H2O2 unter Variation der aufgebrachten Last, der Reibgeschwindigkeit und des Weges untersucht.

Die untersuchten Variationen der Legierung CP-Ti 4+ zeigen in allen untersuchten Elektrolyten einen ähnlichen Trend, ein signifikanter Einfluss der Legierungszusammensetzung auf das Korrosionsverhalten kann nicht ausgemacht werden. Die in künstlichem Speichel untersuchten Proben zeigen aufgrund des erhöhten Fluoridgehalts im Elektrolyten und einem leicht sauren pH-Wert die höchsten icorr- und niedrigsten Ecorr-Werte im Vergleich zu der weniger aggressiven NaCl- und Hank‘s-Lösung.

Das Tribokorrosionsverhalten der Legierung hängt von der Last, der Reibgeschwindigkeit und dem Gleitweg ab. Das Verschleißvolumen steigt mit zunehmender Belastung und Weg. Das Verschleißvolumen nimmt jedoch mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit aufgrund der weniger effektiven Repassivierung und des damit einher gehenden geringeren oxidativen Verschleißes ab. Der Einfluss abrasiver Partikel spielt bei Tribokorrosion und unter trockenen Bedingungen eine große Rolle. Das Verschleißvolumen ist unter trockenen Bedingungen deutlich erhöht, dies kann mit der Akkumulation von abrasiv wirkenden Verschleißpartikeln in der Verschleißspur erklärt werden. Nach Beenden der Tribokorrosionsexperimente kann in jedem Fall eine rasche Repassivierung des Materials festgestellt werden, was für die biomedizinische Anwendung von Nutzen ist.

Zur Erzeugung bioaktiver Apatit-haltiger PEO-Schichten wurden verschiedene Ca-P-haltige Elektrolyten eingesetzt und die Schichtbildung unter Gleichstrom und gepulsten Bedingungen untersucht. Die Morphologie der Oberflächen sowie metallographische Querschliffe der erzeugten Oxidschichten wurden mittels SEM und EDX charakterisiert. Die erzeugten Phasen wurden mit XRD unter streifendem Einfall analysiert. Schichtdicke und Rauheit wurden für alle Schichten bestimmt.

In allen verwendeten Elektrolyten konnten Hydroxylapatit-haltige Titandioxidschichten mit einer Dicke von mehreren Mikrometern und einer porösen Struktur erzeugt werden. In Abhängigkeit des verwendeten Elektrolyten und der elektrischen Parameter können die Schichteigenschaften wie Schichtdicke, Porosität sowie die gebildeten Phasen variiert werden. Die PEO-Behandlung verbessert insgesamt die Korrosionsbeständigkeit der CP-Ti-Legierungen erheblich.

 

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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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