06 - Anforderungen an Biomaterialien Flashcards
Anforderungen an Werkstoff
- Bioverträglichkeit
- Zeit bis zum Ausfall entsprechend lang
- Mechanische Festigkeit
- Korrosionsfestigkeit
- Degradationsfestigkeit
- Verschleißfestigkeit
- Verarbeitbarkeit
- Sterilisierbarkeit
Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät
Werkstoff
Balgmaterialzusammensetzung
Oberflächenzusammensetzung
Oberflächentopografie
Oberflächenenergie/Ladung
Elektrochemische Stabilität
Chemisches Verhalten der Abtrags- und Korrosionsprodukte
Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät
Implantat
Größe
Form
Steifigkeit
Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät
Empfänger
Gewebeart und -ort
Alter/Geschlecht
Allgemeiner Gesundheutszustand
Pharmazeutisches Regime
Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät
System
Operationstechnik
Implantat-Gewebe-Bindung
Infektion
Mögliche Folgen der Biokompatibilität
Irritation
Entzündung
Toxizität
Allergie
Erhöhung der Infektionssensibilität
Mutagenität
Karzinogenität
Werkstoffspezifizierungen
mechanische Eigenschaften
Streckgrenze, Zug/Druckfestigkeit, Bruchdenhnung/Einschnürung
Bruchzähigkeit
Dauerfestigkeit
Elastizitätsmodul
Kriechbeständigkeit
Verschleiß-/Abrasionswiderstand
Werkstoffspezifizierungen
physikalisch
Dichte
akustische Eigenschaften
elektrische Eigenschaften
magnetische Eigenschaften
optische Eigenschaften
Oberflächentopografie/Rauheit
Wärmeausdehnung
Werkstoffspezifizierungen
chemisch
Oxidationsneigung
Korrosions-/Degradationsverhalten
Wasseraufnahme
Oberflächenspannung
Sterilisierbarkeit
biologisch/physiologisch
Bioadhäsion (Knochenintegration)
Gewebereaktion (allergisch, toxisch, karzinogen, thrombogen)
Prüfverfahren für Kenngrößen
Bruchzähigkeitstest
Tribologie
Bruchzähigkeit: Kerbschlagversuch
Tribologie:
Ring-on-Disc-Test
Biokompatibilität & Biofunktionalität
Lastwechsel
MRT
- Ca 108 Lastwechsel im „Leben“ eines Hüftimplantats
- Ferromagnetische Materialien für MRT ungeeignet magnetische Suzeptibilität
Biokompatibilität & Biofunktionalität
Anforderungen an Biokompatibilität / Werte im Menschlichen Körper
pH-Wert (1,0 (Galle) – 7,4 (ven. Blut))
o Sauerstoffkonz. (2-100 pO2)
o Temp (28 – 45 °C)
o Festigkeit (0 – 400 MPa)
o Lastwechsel (10^5 – 10^8)
(Diese extrem großen Intervalle kann kein einzelnes Material abdecken)
Biokompatibilität & Biofunktionalität
Reibwerte Gleitpaarungen
Materialien vs Natürliches Gelenk
o CoCr / CoCr 0,12
o CoCr / UHMWPE 0,08
o Al2O3 / Al2O3 0,1 – 0,05
o Natürliches Gelenk 0,01 – 0,005
Reibwerte von künstlichen Paarungen erreichen alle nicht den niedrigen Gleitkoeffizient von natürlichen Gelenken
Biokompatibilität & Biofunktionalität
Zusammenfassung
Metalle und Biofunktionalität
Trotz rel. geringer Biofunktionalität Metalle bzw. Titan-Legierungen immer noch Mitter der Wahl für Endoprothesen (besser als Polymere, Dauerfestigkeit!)
E-Modul von Implantatwerkstoff durch Porosität anpassbar
(ABER nicht einsetzbar wenn komplettes Implantat porös -> nur poröse Oberfläche)
Stress Shielding
Problembeschreibung
- Durch unterschiedliches E-Modul bilden sich nicht belastete Knochenbereiche zurück
Stichwort Osteolyse/Osteoporose
Stress Shielding
Lösungsmöglichkeit
- Da sich unbelasteter Knochen abgebaut wird, sollte die Kraftübertragung von Implantat auf den Knochen direkt oben auf den Querschnitt der Kortikalis stattfinden
(findet Lastübertragung auf den Knochen weiter unten statt, bildet sich der Knochen oberhalb zurück Implantat Lockerung möglich)
Stress Shielding
weitere Verbesserungsmöglichkeiten
- Verbesserung durch Knochen-angepassten (niedrigen) E-Modul (Werkstoff, Porosität)
- Diamantbeschichtung
- degradable Implantatwerkstoffe (Forschung)
Stress Shielding
Gradierte Anpassung des E-Moduls
Übergang des E-Modul an der Implantat-Hartgewebe- Schnittstelle
-> durch poröse Oberfläche angepassten Übergang des E-Moduls (nicht mehr sprunghaft)
Außerdem hat Porengröße Einfluss auf das Einwachsverhalten und -geschwindigkeit von Knochen
-> 200-300 (< 500) µm Porengröße: bestes Einwachsverhalten
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Eigenschaften von Diamant
- Härtester Werkstoff ( HV10000, vgl. Ti: HV250)
- Optimales Reibverhalten (µ0,05 vgl. Ti: µ0,6)
- Diamant Höchste Verschleißfestigkeit
- E-Modul: 1140 GPa (vgl. Ti: 110 GPa)
- Hohe thermische Leitfähigkeit
- Geringe Wärmedehnung
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Prozess der Diamantbeschichtung
Einfacher und preisgünstiger Prozess, komplexe
Geometrien beschichtbar
Hot-Filament CVD-Verfahren:
- Verfahren bei Unterdruck
- Heißer Draht: H2 H + H
- Die entstandenen einzelnen H-Atome ziehen sich H von Methan
- > Methan bindet sich mit freier Bindungsstelle an Oberfläche (-> CVD)
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Einflussfaktoren für die MECHANISCHE Anbindung
siehe Skizze
Einflussfaktoren:
Diamantkeimdichte
Oberflächentopographie
Rauheit
Mikrohinterschnitte
-> Anbindung durch mechanische Verklammerung
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Einflussfaktoren für die CHEMISCHE Anbindung
siehe Skizze
Einflussfaktoren:
Diamantkeimdichte
Phasenbildung
Bindungsart
-> Metallische Bindung an Metall, Karbidschicht als Bindungsvermittler
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Problem: Eigenspannung
Durch unterschiedliche Wärmedehnung von Diamant und Metall entstehen beim Abkühlen
Eigenspannungen (bei guter Haftung, sonst Abplatzen der Diamantschicht) Um Eigenspannungen abzubauen kann sich Bauteil Verziehen/Verbiegen
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Beeinflussung des Metallgefüges
Metallgefüge kann sich durch Temp. oder Atmosphäre bei Beschichtungsverfahren ändern
Bei Diamantbeschichtung auf Titanoberfläche wechselt die Anbindung von oxidischer zu karbidischer Titanbindung.
-> O2 (von TiO2) löst sich im Titan und bildet α-case. Das Ti bildet dann mit C aus Diamantschicht TiC
(Titiankarbid)
Bindungsenergie an TiC höher als an TiO2
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Verbesserung: Eigenspannung
Verbesserung:
Aufrauhung (durch Feinstrahlen) verringert Eigenspannungen
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Problem: Härteunterschied
Geringe Stützwirkung des weicheren Titans (bei Belastung kann Diamantschicht „einbrechen“)
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Verbesserung: Härteunterschied
Zwischenschichten TiC und α-case bieten gute Stützwirkung
TiC-Zwischenschicht gute Haftfestigkeit, aber spröde -> Dicke < 1µm!
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Problem: Beschichtungsprozess
-> Titan nimmt H2 gut auf und bildet sehr sprödes Titanhydrid ( schlecht)
-> Diamantbeschichtungsprozess versprödet Titansubstrat durch hohe Temp + Wasserstoffatm.
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Verbesserung: Beschichtungsprozess
-> Dehydrierungs-Nachbehandlung (T~850°C, ~120 min. / ~650°C, 8h) entzieht gelöstes H und regeneriert damit das Titangefüge Bruchdehnung nimmt wieder zu
Achtung: Temp. < 950°C bei Beschichtungsprozess und Dehydrierung! Sonst entsteht β-Gefüge (H stabilisiert β-Phase, deswegen schon ab 950°C reines β-Gefüge)
Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche
Einfluss auf Dauerfestigkeit
Wärmebehandlung (für Erholung, Eigenspannungsabbau, Beschichtungsprozess) senken Dauer- und Zeitfestigkeit deutlich
Bei Diamantbeschichteten Proben verbessert die Dehydrierung die Zeitfestigkeit wieder (fast auf Ausgangswert)
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Kniegelenk - Verschleiß in künstlichen Gelenken
- Kobaltlegierungen bedingt biokompatibel
- Hoher Verschleiß von UHMWPE
- Bruchempfindlichkeit von Keramiken
- Abrieb führt zu Prothesenlockerung
- Titan sehr gut biokompatibel, aber unzureichendes Reibverhalten
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Kniegelenk - Verschleiß in künstlichen Gelenken
Lösung
Lösungsansatz:
- Diamant besitzt hervorragende Reibeigenschaften (Diamant/Diamant hervorragende Tribopaarung)
o Diamant ist biokompatibel
- Diamantbeschichtung verhindert Korrosion
-> Diamantbeschichtung von Titangelenken
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Kniegelenk - Verschleiß in künstlichen Gelenken
Lösungszusatz zur Verbesserung des Reibkoeffizienten
Diamantbeschichtung normalerweise hydrophob -> kein guter Schmierfilm möglich
-> Reibkoeffizient ↑ + Abrieb ↑
O2-Plasmabehandlung der Diamantschicht macht diese hydrophil -> guter, kontinuierlicher Schmierfilm -> Reibkoeffizient ↓ + Abrieb ↓
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In-Vitro-Testung Biokompatibilität
Welche Zellen?
- Endothelzellen
- Fibroblasten
- Monozyt/Makrophage
- Leukozyt
- Lymphozyt
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In-Vitro-Testung Biokompatibilität
Kriterien?
Wachstum (sterben ab/vermehren sich)
Morphologie (abgekugelt/ausgebreitet)
Adhäsion (schwach/stark)
Benetzung (schlecht/gut)
Stoffwechselprodukte (verändert/unverändert)
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In-Vitro-Testung Biokompatibilität
Toxizitätstests
Zytotoxizität
Histotoxizität
Hämotoxizität
Ergebnis: Zellen leben/sterben
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In-Vitro-Testung Biokompatibilität
Reaktionstests
Zellreaktion
Blutreaktion
Gewebereaktion
Immunreaktion
Karzinogenese
Ergebnis: Zellen überleben unter verschiedenen Reaktionen
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In-Vitro-Testung Biokompatibilität
Diamantbeschichtung?
Diamantbeschichtung sehr Biokompatibel
-> Zellen groß + ausgebreitet (+focal adhesions) -> vitale Zellen
Knochenbildung (Osteoblasten: Proliferation – Bildung Knochenmatrix – Mineralisation) -> Gut auf Diamantbeschichteter Oberfläche
Aber: Knochenanhaftung auf Diamantbeschichtung schlechter als auf unbesch. Titan -> Oberflächenrauheit nimmt durch Beschichtung ab
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Diamantbeschichtung für In-Situ-Desinfektion
- > Bor-dotierte Diamantbeschichtung
- Implantat (mit Diamantbeschichtung) als Anode
- ab ca. 2,8V bilden sich (in H2O Umgebung) OH-Radikale -> stark reaktiv!
(Wirkung: OH + C -> CO2, Keime aus C -> Keime werden abgetötet) - Oxidierende Reaktionsprodukte von OH töten keine (s.u.)
- Desinfektion direkt an Implantatoberfläche
