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Metalle in der Medizintechnik > 06 - Anforderungen an Biomaterialien > Flashcards

06 - Anforderungen an Biomaterialien Flashcards

1
Q

Anforderungen an Werkstoff

A
  • Bioverträglichkeit
  • Zeit bis zum Ausfall entsprechend lang
  • Mechanische Festigkeit
  • Korrosionsfestigkeit
  • Degradationsfestigkeit
  • Verschleißfestigkeit
  • Verarbeitbarkeit
  • Sterilisierbarkeit
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2
Q

Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät

Werkstoff

A

Balgmaterialzusammensetzung

Oberflächenzusammensetzung

Oberflächentopografie

Oberflächenenergie/Ladung

Elektrochemische Stabilität

Chemisches Verhalten der Abtrags- und Korrosionsprodukte

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3
Q

Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät

Implantat

A

Größe

Form

Steifigkeit

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4
Q

Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät

Empfänger

A

Gewebeart und -ort

Alter/Geschlecht

Allgemeiner Gesundheutszustand

Pharmazeutisches Regime

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5
Q

Einflusskenngrößen auf Biokompatibiliät

System

A

Operationstechnik

Implantat-Gewebe-Bindung

Infektion

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6
Q

Mögliche Folgen der Biokompatibilität

A

Irritation

Entzündung

Toxizität

Allergie

Erhöhung der Infektionssensibilität

Mutagenität

Karzinogenität

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7
Q

Werkstoffspezifizierungen

mechanische Eigenschaften

A

Streckgrenze, Zug/Druckfestigkeit, Bruchdenhnung/Einschnürung

Bruchzähigkeit

Dauerfestigkeit

Elastizitätsmodul

Kriechbeständigkeit

Verschleiß-/Abrasionswiderstand

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8
Q

Werkstoffspezifizierungen

physikalisch

A

Dichte

akustische Eigenschaften

elektrische Eigenschaften

magnetische Eigenschaften

optische Eigenschaften

Oberflächentopografie/Rauheit

Wärmeausdehnung

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9
Q

Werkstoffspezifizierungen

chemisch

A

Oxidationsneigung

Korrosions-/Degradationsverhalten

Wasseraufnahme

Oberflächenspannung

Sterilisierbarkeit

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10
Q

biologisch/physiologisch

A

Bioadhäsion (Knochenintegration)

Gewebereaktion (allergisch, toxisch, karzinogen, thrombogen)

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11
Q

Prüfverfahren für Kenngrößen

Bruchzähigkeitstest
Tribologie

A

Bruchzähigkeit: Kerbschlagversuch

Tribologie:
Ring-on-Disc-Test

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12
Q

Biokompatibilität & Biofunktionalität

Lastwechsel
MRT

A
  • Ca 108 Lastwechsel im „Leben“ eines Hüftimplantats

- Ferromagnetische Materialien für MRT ungeeignet  magnetische Suzeptibilität

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13
Q

Biokompatibilität & Biofunktionalität

Anforderungen an Biokompatibilität / Werte im Menschlichen Körper

A

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)

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14
Q

Biokompatibilität & Biofunktionalität

Reibwerte Gleitpaarungen
Materialien vs Natürliches Gelenk

A

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

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15
Q

Biokompatibilität & Biofunktionalität

Zusammenfassung
Metalle und Biofunktionalität

A

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)

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16
Q

Stress Shielding

Problembeschreibung

A
  • Durch unterschiedliches E-Modul bilden sich nicht belastete Knochenbereiche zurück
    Stichwort Osteolyse/Osteoporose
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17
Q

Stress Shielding

Lösungsmöglichkeit

A
  • 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)
18
Q

Stress Shielding

weitere Verbesserungsmöglichkeiten

A
  • Verbesserung durch Knochen-angepassten (niedrigen) E-Modul (Werkstoff, Porosität)
  • Diamantbeschichtung
  • degradable Implantatwerkstoffe (Forschung)
19
Q

Stress Shielding

Gradierte Anpassung des E-Moduls

A

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

20
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Eigenschaften von Diamant

A
  • 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
21
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Prozess der Diamantbeschichtung

A

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)
22
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Einflussfaktoren für die MECHANISCHE Anbindung
siehe Skizze

A

Einflussfaktoren:

Diamantkeimdichte

Oberflächentopographie

Rauheit

Mikrohinterschnitte

-> Anbindung durch mechanische Verklammerung

23
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Einflussfaktoren für die CHEMISCHE Anbindung
siehe Skizze

A

Einflussfaktoren:

Diamantkeimdichte

Phasenbildung

Bindungsart

-> Metallische Bindung an Metall, Karbidschicht als Bindungsvermittler

24
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Problem: Eigenspannung

A

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

25
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Beeinflussung des Metallgefüges

A

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

26
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Verbesserung: Eigenspannung

A

Verbesserung:

Aufrauhung (durch Feinstrahlen) verringert Eigenspannungen

27
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Problem: Härteunterschied

A

Geringe Stützwirkung des weicheren Titans (bei Belastung kann Diamantschicht „einbrechen“)

28
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Verbesserung: Härteunterschied

A

Zwischenschichten TiC und α-case bieten gute Stützwirkung

TiC-Zwischenschicht gute Haftfestigkeit, aber spröde -> Dicke < 1µm!

29
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Problem: Beschichtungsprozess

A

-> Titan nimmt H2 gut auf und bildet sehr sprödes Titanhydrid ( schlecht)

-> Diamantbeschichtungsprozess versprödet Titansubstrat durch hohe Temp + Wasserstoffatm.

30
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Verbesserung: Beschichtungsprozess

A

-> 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)

31
Q

Diamantschicht gegen Verschleiß der Titanoberfläche

Einfluss auf Dauerfestigkeit

A

Wärmebehandlung (für Erholung, Eigenspannungsabbau, Beschichtungsprozess) senken Dauer- und Zeitfestigkeit deutlich

Bei Diamantbeschichteten Proben verbessert die Dehydrierung die Zeitfestigkeit wieder (fast auf Ausgangswert)

32
Q

Weiteres zu Diamantschichten

Kniegelenk - Verschleiß in künstlichen Gelenken

A
  • Kobaltlegierungen bedingt biokompatibel
  • Hoher Verschleiß von UHMWPE
  • Bruchempfindlichkeit von Keramiken
  • Abrieb führt zu Prothesenlockerung
  • Titan sehr gut biokompatibel, aber unzureichendes Reibverhalten
33
Q

Weiteres zu Diamantschichten

Kniegelenk - Verschleiß in künstlichen Gelenken

Lösung

A

Lösungsansatz:

  • Diamant besitzt hervorragende Reibeigenschaften (Diamant/Diamant hervorragende Tribopaarung)

o Diamant ist biokompatibel

  • Diamantbeschichtung verhindert Korrosion

    -> Diamantbeschichtung von Titangelenken
34
Q

Weiteres zu Diamantschichten

Kniegelenk - Verschleiß in künstlichen Gelenken

Lösungszusatz zur Verbesserung des Reibkoeffizienten

A

Diamantbeschichtung normalerweise hydrophob -> kein guter Schmierfilm möglich
-> Reibkoeffizient ↑ + Abrieb ↑

O2-Plasmabehandlung der Diamantschicht macht diese hydrophil -> guter, kontinuierlicher Schmierfilm -> Reibkoeffizient ↓ + Abrieb ↓

35
Q

Weiteres zu Diamantschichten

In-Vitro-Testung Biokompatibilität

Welche Zellen?

A
  • Endothelzellen
  • Fibroblasten
  • Monozyt/Makrophage
  • Leukozyt
  • Lymphozyt
36
Q

Weiteres zu Diamantschichten

In-Vitro-Testung Biokompatibilität

Kriterien?

A

Wachstum (sterben ab/vermehren sich)

Morphologie (abgekugelt/ausgebreitet)

Adhäsion (schwach/stark)

Benetzung (schlecht/gut)

Stoffwechselprodukte (verändert/unverändert)

37
Q

Weiteres zu Diamantschichten

In-Vitro-Testung Biokompatibilität

Toxizitätstests

A

Zytotoxizität

Histotoxizität

Hämotoxizität

Ergebnis: Zellen leben/sterben

38
Q

Weiteres zu Diamantschichten

In-Vitro-Testung Biokompatibilität

Reaktionstests

A

Zellreaktion

Blutreaktion

Gewebereaktion

Immunreaktion

Karzinogenese

Ergebnis: Zellen überleben unter verschiedenen Reaktionen

39
Q

Weiteres zu Diamantschichten

In-Vitro-Testung Biokompatibilität

Diamantbeschichtung?

A

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

40
Q

Weiteres zu Diamantschichten

Diamantbeschichtung für In-Situ-Desinfektion

A
  • > 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

Metalle in der Medizintechnik (7 decks)

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