Keramiken in der Medizintechnik Flashcards
Nennen Sie vier in der Vorlesung vorgestellte Keramiken und mindestens jeweils ein
Anwendungsbeispiel.
o Aluminiumoxid
- Hüftgelenkkugeln und Pfannen
- Dentalkomponenten (Kronen, Inlays,…)
- Geschichtschirurgie
- Mittelohimplantate
o Zirkoniumoxid
- Hüftgelenkkugeln
- Dentalkomponenten
- als Röntgenkontrastmittel im PMMA Knochenzement
o Al-Zr-Mischkeramiken (ZTA u. ATZ)
- Hüftgelenk, Kniegelenk
- Dentalkomponenten
o Hydroxylapatit
- Orthopädische Implantate
- Knochenersatz
- Dentalimplantate
- Ohrimplantate
Welche Anforderungen bestehen an das „medical grade“ Aluminiumoxid nach ISO 6474
hinsichtlich der Zusammensetzung und Korngröße?
- Feinkörniges polykristallines „medical grade“ Alpha-Al2O3 (>99,8%)
- SiO2+ Na2O < 0,1%
- CaO + Fe2O3+ SiO2+ Na2O < 0,1%
- Korngröße < 4,5 μm (neue ISO-Norm 6474)
In welchem Bereich liegen typische Reibwerte einer Al2O3-Al2O3 Gleitpaarung im Vergleich
zur Reibfläche in einem natürlichen Gelenk?
- Aluminiumoxid (Al2O3) –Aluminiumoxid (Al2O3):
0. 1-0.05 - Natürliches Gelenk: 0.01-0.005
Neben Aluminiumoxid kommt Zirkonoxid zum Einsatz. Bei der Herstellung muss
berücksichtigt werden, dass das tetragonale Zirkonoxid bei der Umwandlung (Abkühlung)
in die monokline Phase aufgrund der Volumenzunahme wieder zu Pulver zerfällt. Was wird
unternommen, um diesen Vorgang zu unterbinden?
- Dotierung
- Dotieren mit geringen Mengen (3-5%) Yttriumoxid (Y2O3) -> nach Abkühlen teilweise kubische Struktur, Rest metastabile tetragonale Phase und stabile monokline Phase
Was ist der wesentliche Effekt der Umwandlungsverstärkung? Erklären Sie den Vorgang.
Effekt: Stopp de Rissausbreitung durch Erzeugung von Druckeigenspannungen
1) Mikroriss durch die Keramik Matrix
2) ZrO2-Umwandlung von tetragonaler in monokline Phase (3-5% Volumenzunahme führt zum
Aufbau lokaler Druckspannung)
3) Rissausbreitung wird durch
Druckspannung gestoppt
Worin unterscheidet sich das Verfahren zur Herstellung von keramischen Werkstoffen in Bezug auf die Formgebung wesentlich
gegenüber der Herstellung von Bauteilen aus Stahl oder Glas?
Der Prozess der Formgebung findet vor dem werkstoffbildenden thermischen Prozess statt
- Prozess Metall: Erz- und Zuschläge -> Wärmebehandlung -> Werkstoff -> Formgebung
- Prozess Keramik: Pulver -> Formgebung -> Wärmebehandlung -> Werkstoff
- Prozess Glas: Rohstoff -> Wärmebehandlung -> Werkstoff -> Formgebung
Nennen Sie einen Einsatzzweck für Hydroxylapatit in Medizinprodukten. Welche besondere
Eigenschaft hat dieses Material?
-Knochenersatzes aus Hydroxylapatitpulver durch generative 3D-Drucktechnik
- Feste Stoffschlüssige Verbindung zwischen Prothese und Knochen durch Umwandlung von Beschichtung in Knochen
- Bindegewebsfreies Einwachsen des Knochens in ggf. vorgesehene Poren
- Kürzere Heilungsphase und postoperative Entlastungsphase
- Zugbelastung möglich
- Einwachsen von Knochen in Hydroxylapatitschicht
- Knochen umschließt Hydroxylapatitknoten(*). und folgt der Rauhigkeit der Titanoberfläche
Wie verhalten sich die wichtigsten mechanischen Eigenschaften beim Einsatz von Hydroxylapatit (Dichte, Elastizität, Druckfestigkeit, Zug- und Biegefestigkeit) im Vergleich zum vitalen Knochen? Geben Sie, wenn möglich, Zahlenwerte an. Wovon sind die Eigenschaften bei HA abhängig?
Hydroxylapatit / Knochen
- Dichte [g/cm3] 3,05 – 3,15 / 1,7 – 2,0
- E-Modul [GPa] 80 – 120 / 3 – 30
- Druckfestigkeit [MPa] 300 – 900 / 130 – 180
- Zugfestigkeit [MPa] 40 – 200 / 60 – 160
- Biegefestigkeit [MPa] 100 – 120 / 100
Wie verhalten sich die wichtigsten mechanischen Eigenschaften beim Einsatz von Hydroxylapatit (Dichte, Elastizität, Druckfestigkeit, Zug- und Biegefestigkeit) im Vergleich zum vitalen Knochen? Geben Sie, wenn möglich, Zahlenwerte an. Wovon sind die Eigenschaften bei HA abhängig?
Hydroxylapatit / Knochen
- Dichte [g/cm3] 3,05 – 3,15 / 1,7 – 2,0
- E-Modul [GPa] 80 – 120 / 3 – 30
- Druckfestigkeit [MPa] 300 – 900 / 130 – 180
- Zugfestigkeit [MPa] 40 – 200 / 60 – 160
- Biegefestigkeit [MPa] 100 – 120 / 100
-Starke Abhängigkeit von Porengehalt und Reinheitsgrad
Nennen Sie zwei Verfahren zur Beschichtung von Medizinprodukten mit Hydroxylapatit.
- Plasmaspritzverfahren
- Elektrochemische Beschichtung
Wie verhält sich die Löslichkeit von Hydroxylapatit in wässriger Lösung bei
1) … steigendem pH-Wert
2) … zunehmender spezifischer Oberfläche
3) … abnehmendem Kristallinitätsgrad
1) sinkt
2) steigt
3) steigt
Was hat das Verhalten der Löslichkeit von Hydroxylapatit in wässriger Lösung für eine Folge bei der Nahrungsaufnahme? Wie versucht
man dem entgegenzuwirken?
- Löslich unterhalb eines pH-Wertes von 4,3
- > In saurem Milieu resorbierbar
- Substitution von OH—Ionen mit Fluorid-Ionen verringert die Löslichkeit des Zahnschmelzes (Entstehung von stabilerem Fluorapatit)
Welche Bestandteile spielen bei der Festlegung eines bspw. resorbierbaren Implantats aus
Bioglas eine entscheidende Rolle?
- SiO2
- Na2O
- CaO
(- P2O5)
Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit der biologischen Wirkung von der chemischen
Zusammensetzung von Biogläsern. Tragen Sie zunächst die genannten Bestandteile
in die Ecken ein. Welche Zusammensetzung ergibt tendenziell ein bioinertes,
resorbierbares oder bioaktives Bioglasgefüge?
Obere Ecke: SiO2
Linke Ecke: CaO
Rechte Ecke: Na2O
45 Gew.% SiO2,,
24,5 Gew.% Na2O,
24,4 Gew.% CaO und
6 Gew.% P2O2
