Metalle in der Medizintechnik Flashcards
Medizinische Metalle treten an mehreren Stellen mit aggressiven Medien wie Wasser oder Blut
in Kontakt.
Welcher Prozess tritt dabei unweigerlich auf? Geben Sie eine kurze Definition des
Vorgangs und beschreiben Sie die drei unterschiedlichen Auftretensarten in biologischer
Umgebung.
Korrosion (lat.: corrodere = zerfressen, zernagen)
-DIN 50900, Teil 1: „Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann“.
-chemisch: Auflösungsvorgänge nicht- elektronenleitender Werkstoffe in nicht-ionenleitenden Flüssigkeiten
-elektrochemisch: ausschließlich in Gegenwart einer leitenden Elektrolytphase
(-elektrolytisch: Elektrolyt in großem Volumen)
(-atmosphärisch: Reaktion von Metallen mit Luftsauerstoff in Gegenwart von Wasserdampf und hygroskopischen (wasserbindenden) Verunreinigungen (Sonderfall der elektrolytischen Korrosion))
-physikalisch: z.B. Diffusionsvorgänge entlang der Korngrenzen von Metallen, die mit Flüssigkeiten in Kontakt sind
Medizinische Metalle treten an mehreren Stellen mit aggressiven Medien wie Wasser oder Blut
in Kontakt.
Warum tritt der Prozess (Korrosion) auf? Was ist eine natürliche Gegenmaßnahme?
-Korrosion tritt im Wesentlichen bei Metallen auf, da der metallische Bindungszustand gegenüber dem ionischen Bindungszustand thermodynamisch ungünstiger (instabiler) ist
-Bildung eines dünnen Passivfilms (1-5 nm) auf der Werkstoffoberfläche verhindert in der Regel eine allgemeine Korrosion.
-Stabilität der entstehenden
Oxidschicht abhängig vom pH-Wert und der Verfügbarkeit von Sauerstoff
Welche Metalllegierungen kommen primär zur Herstellung von chirurgischen Instrumenten
zum Einsatz?
- Vorwiegend nichtrostende Edelstähle mit 12-20% Chrom (nichtrostender Stahl nach DIN EN 10088-1 allgemein>10,5%Chrom und <1,2%Kohlenstoff)
- teilweise Beschichtungen (z.B. TiN) zum Korrosionsschutz von minderwertigeren Legierungen oder aus tribologischen Gründen (s. Beschichtungen)
- Aluminium (eloxiert, z.B. für Handgriffe, Gehäuse,
Steri-Container,…) - Titan und Titanlegierungen (insbes. f. MR-kompatible Instrumente)
- Kobalt- und Chrombasislegierungen
- NiTinol-Formgedächtnislegierung (insbes. supereleastische Instrumente,…)
Welche Anforderungen gelten bei wieder verwendbaren Instrumenten und welche sind als besonders kritisch einzustufen?
- Korrosionsbeständigkeit
- Dampf-Sterilisierbarkeit (kritisch !)
- Verschleißfestigkeit (Gelenke, Schneiden,…)…auch Reibpaarungen !
- Ggf. Zerlegbarkeit /Montierbarkeit (Spiel, Verschleiß,…)
Zeichnen Sie ein Beispiel für ein chirurgisches Instrument und lokalisieren Sie kritische
Bereiche für die entsprechenden Korrosionsarten!
- Spaltkorrosion: Pinzettenende
- Reibkorrosion: Gelenkbereich Schere
- Lochkorrosion: Schere (generell)
Nennen Sie die Parameter, welche maßgeblich die Biokompatibilität und Biofunktionalität
eines metallischen Implantats bestimmen.
- Chemische Zusammensetzung (u.a. Löslichkeit von
chem. Verbindungen des Implantatwerkstoffes) - Relativbewegungen Gewebe-Implantat
- Mechanische Eigenschaften
- Geometrie und Größe (Bsp.: scharfe Kanten verursachen chronische Reizungen im Bindegewebe)
- Ggf. Degradationsdynamik
Erklären Sie kurz den Unterschied zwischen biokonduktivem Knocheneinwuchs,
biokonduktivem Knochenanwuchs und bioaktiver Knochenintegration.
-> Knocheneinwuchs • Poröse Oberfläche • Porengröße 100 – 400 µm ->Knochenanwuchs • Ra > 3 – 22 µm
Innerhalb des menschlichen Körpers steht der Implantatwerkstoff in Kontakt mit seinem
Empfängergewebe und Körperflüssigkeiten und neigt daher zu Korrosion.
Nennen Sie Gründe warum dieser Vorgang im menschlichen Gewebe kritisch sein kann.
Neben Funktions-bzw. Stabilitätsverlust kann es durch Geometrie-bzw. Oberflächenveränderungen u.a. auch zu mechanischen Irritationenkommen. Bei degradierbaren Implantaten kann der Funktions-und Stabilitätsverlust gezielt gewollt sein, Auswirkungen durch mechanische Irritationen oder z.B. die Möglichkeit des Herauslösens von Fragmenten (z.B. bei Gefäßstents) müssen jedoch auch hierbei ggf. berücksichtigt werden! Die Freisetzung von Korrosionsprodukten in das umgebende Gewebe kann trotz minimaler Mengen weitreichende Folgen haben:
a. Elektrische Ströme können Verhalten von Zellen beeinflussen
b. pH-Wert und Sauerstoffpartialdruck können durch Korrosionsprozesse verändert werden und so die biologisch-chemische Umgebung beeinflussen
c. Metall-Ionen können Veränderungen im Zellmetabolismus bewirken
Kobaltbasislegierungen gelten als beständig gegen diesen Vorgang (Korrosion). Warum? Was ist beim
Einsatz solcher Legierungen am Menschen zu beachten?
-Trotz geringer Anfälligkeit auf allgemeine flächige Korrosion (durch Chromoxid Passivierungsschicht) können Ionen in Lösung gehen und in Blut und Urin
nachweisbare erhöhte Metallionen-konzentration verursachen (insbes. bei großen Gleitflächen)
- Partikel mit mittlerem Durchmesser von < 10 µm können zelltoxisch
wirken
- Co, Cr und Ni-Ionen können insbesondere beim Einsatz in Reibpaarungen
freigesetzt werden
Warum eignen sich Titanlegierungen für den Einsatz in der Prothetik? Kennwerte?
- Relativ niedriges E-Modul (ca. 100 GPa, ca. 50% von Stahl ( 210GPa)oder Co-CrLegierungen)
- günstiger im Implantat-Knochen-Verbund (Knochen ca. 3-30 GPa)
Wie verhalten sich Steifigkeit, Festigkeit und Ermüdungseigenschaften von cp-Titan und
Legierungen im Vergleich zueinander?
- > cp Titan (commercially pure titanium):
- Unlegiertes Titan (Alpha-Titan mit hexagonal dichtest gepackter Kristallstruktur); geringe Konzentration an Verunreinigungen (C, Fe oder O)
- Geringe Festigkeit, hohe Zähigkeit
- Hoher Schmelzpunkt
-> TiAI6V4( Legierung): Erhöhte Festigkeit und verbesserte Ermüdungseigenschaften
Was ist hier (Korrosionsbeständigkeit) der maßgeblich Schutzmechanismus? Welcher Korrosionsart sollte ein Titanbauteil demnach besser nicht ausgesetzt werden?
- Bildung von Oxidschutzschicht
- sehr empfindlich gegenüber Reibung
Nennen Sie Anwendungsbeispiele für resorbierbare Metalle in der Medizintechnik.
- > MAGNEZIX:
- Magnesiumlegierung: Osteosynthese-Schraube
- Magenesiumplantate: Myokardpatches
- > Resorbierbarer Magnesium Stents
Welche speziellen Anforderungen werden an resorbierbare Implantate gestellt?
- Degradationszeit /-rate
- Biokompatibilität der Degradationsprodukte
- Kinetik der Medikamentenfreisetzung aus Polymerbeschichtung
- Verbleibende Polymerbeschichtung
- Biokompatibilität (chemisch, physikalisch/mechanisch) auch der Abbauprodukte
- Stützfunktion (=f(t)) (1 bar)
- Frühes und spätes Recoiling (Durchmesserverlust)
- Radiologische Sichtbarkeit
- MR-Kompatibilität
Wie soll sich die zeitliche Festigkeit eines Implantats zur Frakturbehandlung in Bezug auf die Festigkeit der Fraktur verhalten? Wie kann diese beeinflusst werden?
- Mit der Zeit soll die Festigkeit des Implantats abnehmen
- Degradationskinetik steuerbar durch Geometrie, Legierungszusammensetzung und
Beschichtung
