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Komposite Degradierbare Metall-Keramik-Komposite für Implantate

| Redakteur: Peter Reinhardt

Die Anforderungen an Implantat-Werkstoffe werden immer spezifischer. Doch häufig können sie nicht von klassischen Materialien erfüllt werden. Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffklassen zu Kompositen könnte völlig neue Eigenschaftsprofile ermöglichen.

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REM-Aufnahme der 90°-Kante mit Durchdringungsstruktur: Die Dimension der Strukturen richtet sich direkt nach der Größe der Pulverpartikel und ist damit genau kontrollierbar.
REM-Aufnahme der 90°-Kante mit Durchdringungsstruktur: Die Dimension der Strukturen richtet sich direkt nach der Größe der Pulverpartikel und ist damit genau kontrollierbar.
(Bild: Fraunhofer IFAM)

Auch die Natur setzt Komposite ein. Beispielsweise, um besondere mechanische Eigenschaften zu realisieren. So zeigt der Knochen ein Spannungs-Dehnungs-Verhalten, das von keinem künstlichen reinen Material – ganz gleich ob Metall, Keramik oder Polymer – erreicht wird. Als Verbundmaterial aus Calciumcarbonat und organischem Material weist Perlmutt dagegen eine sehr hohe Bruchzähigkeit auf. Trotz eines Keramikanteils von über 95 Prozent. Die Beispiele aus der Natur zeigen aber auch, dass die Verbundstruktur ein eigenschaftsbestimmender Faktor ist. Komposite werden daher auch aufgrund ihrer Struktur differenziert: Teilchen-, Faser-, Schicht- und Durchdringungsverbundwerkstoffe.

Lasttragende Einsätze

In der Medizintechnik sind es vor allem Implantate, für die zunehmend Kompositmaterialien erforscht und eingesetzt werden. Degradierbare Implantate können dahingehend Entlastung bringen, dass sie Implantatentfernungen unnötig machen. Gleichermaßen ein Vorteil für die Patienten, denen erneute Operationen, und für das Gesundheitssystem, dem Kosten erspart bleiben. Ein Problem fast aller heute bereits eingesetzter degradierbarer Implantate ist jedoch die mechanische Stabilität, da sie zumeist aus Polymeren oder Polymer-basierten Kompositen bestehen. Metall-Keramik-Komposite könnten in Zukunft degradierbare Implantate auch für lasttragende Anwendungsfälle nutzbar machen.

Im Rahmen des Projektes Degra-Last verfolgen verschiedene Fraunhofer-Institute den Ansatz, ein degradierbares Metall auf Basis von Eisen oder Magnesium mit einer degradierbaren Keramik auf Basis von Calciumphosphat (CaP) zu kombinieren. Die Struktur dieses Verbundes wird so gestaltet, dass sowohl die metallische als auch die keramische Phase jeweils in sich zusammenhängend sind und sich gegenseitig dreidimensional durchdringen. Das zugrundeliegende Konzept hat zum Ziel, Knochen die Möglichkeit zu geben, die schnell abbaubare CaP-Phase zu ersetzen und in die Metallphase einzuwachsen. Die noch verbleibende Metallphase stützt die Knochen weiterhin und kann bei ihrem langsamen Abbau nach und nach durch neu gebildeten Knochen ersetzt werden.

Um derartige Strukturen herzustellen, werden pulverbasierte Fertigungsverfahren wie das Pulverspritzgießen und die additive Fertigung eingesetzt. Die wesentlichen Vorteile des pulvertechnischen Ansatzes sind, dass sie die endformnahe Fertigung komplexer Strukturen erlauben. Zudem werden die verschiedenen Werkstoffe in Form von Pulvern als Ausgangsmaterialien eingesetzt und können daher vor ihrer Verarbeitung in jedem beliebigen Verhältnis vermischt werden.

Pulverbasierte Fertigung

Über Faktoren wie Materialauswahl, Zusammensetzung und die jeweiligen Pulvereigenschaften können Bauteileigenschaften in weiten Grenzen variiert werden. Im Bild sind zwei mittels Pulverspritzguss hergestellte Bauteile sowie eine Aufnahme der Mikrostruktur dargestellt.

Feine Pulver sind besser geeignet, um eine hohe Sinterverdichtung zu erzielen. In dem hier gezeigten Beispiel wurden Eisenpartikel mit einem d50 von 2 µm und CaP-Partikel mit einem d50 von ca. 8 µm kombiniert. Dabei konnten relative Dichten über 97 Prozent im Pulverspritzguss erreicht werden. Hohe Dichten und damit geringe Porositäten sind wichtig für hohe Festigkeiten. Eine zunehmend erhöhte Porosität im Werkstoff geht exponentiell in den Abfall der mechanischen Festigkeit ein. Mit den genannten Dichten konnten beispielsweise Druckfestigkeiten von knapp 1.000 MPa erreicht werden.

Pulverbasierte Verfahren erlauben weiterhin die Verwendung temporärer Platzhalter, die nach ihrer Entfernung aus dem Bauteil Poren hinterlassen. Durch Form, Größe und Menge der eingesetzten Platzhalter können so gezielte Porenstrukturen eingestellt werden, sodass beispielsweise Zellen möglichst gut in die Poren einwachsen können. Es können demnach in einem gewissen Bereich gezielte Festigkeiten eingestellt und dem gewünschten Anwendungsfall angepasst werden.

Der Einsatz von Legierungselementen in der metallischen Phase ermöglicht zum einen, die Festigkeit noch weiter zu steigern. Das ist insbesondere für hochporöse Bauteile wichtig. Zum anderen können der Korrosionsmechanismus und die Korrosionsgeschwindigkeit beeinflusst werden. Über das Einbringen von CaP in Eisen kann aber bereits in etwa eine Verdoppelung der Degradationsrate in vitro im Vergleich zu reinem Eisen beobachtet werden. Darüber hinaus zeigen die Degradationsprodukte in Extrakttests keine zytotoxischen Eigenschaften.

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