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VDW / Metav 2018

Geballte Forschungs-Expertise auf der Medical Area

| Redakteur: Peter Reinhardt

Heute startet die Metav – Fachmesse für Technologien der Metallbearbeitung in Düsseldorf. Wieder für Besucher aus der Medizintechnik-Industrie interessant: die Medical Area. Drei Forschungsinstitute präsentieren hier ihre aktuellen Arbeiten und Ergebnisse für Medizinprodukte.

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Hüftgelenkendoprothese mit superharter amorpher Kohlenstoffschicht (ta-C), hergestellt mittels Laserpulsabscheidung am Laserinstitut Hochschule Mittweida.
Hüftgelenkendoprothese mit superharter amorpher Kohlenstoffschicht (ta-C), hergestellt mittels Laserpulsabscheidung am Laserinstitut Hochschule Mittweida.
(Bild: Laserinstitut Hochschule Mittweida)
  • Oberflächen in der Medizintechnik als Grenzfläche zur Biologie
  • Superharte ta-C-Schichten durch Laserpulsabscheidung (Pulsed Laser Deposition)
  • Faserbasierte generative Fertigungsverfahren für maßgeschneiderte Implantate

In einem Forschungsprojekt am NMI, dem Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut der Universität Tübingen in Reutlingen, werden Immunreaktionen, die im Kontakt mit technischen Grenzflächen und Materialien wie Implantaten, Blutschläuchen oder Blutfiltern auftreten können, untersucht. Ziel ist, daraus verlässliche Vorhersagen von Materialunverträglichkeiten ableiten zu können.

Was hat Zerspanung mit Biologie zu tun?

Eine wichtige Rolle dabei spielt die Oberfläche des Materials, da sie in direktem Kontakt zum Körper steht. Oberflächentopographie, Rauhigkeit und chemische Zusammensetzung spielen eine entscheidende Rolle bei der Immunreaktion im Körper. Rauhere Oberflächen begünstigen ein gutes Einwachsen des Implantats, aber auch die Entstehung eines Biofilms und damit einhergehender Infektionen. Die Metallverarbeitung beeinflusst die Oberfläche des Werkstoffes erheblich. Oberflächen werden gehärtet, chemisch verändert, eventuell bauen sich Spannungen im Material auf, die zu Rissen führen können. Durch Verwendung von Betriebs-und Hilfsstoffen wie Kühlschmierstoffe oder Strahlmittel kann sich auch die Chemie der Oberfläche stark verändern, sodass sich die Immunantwort des Körpers komplett ändert.

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Im Projekt soll der Zusammenhang zwischen der Topographie und der Chemie der Oberfläche erforscht werden. Mit dieser Kenntnis würde es möglich, die Oberflächenbearbeitung speziell auf die gewünschte Oberfläche und damit auf die gewünschte Immunreaktion abzustimmen. Notwendig dazu ist eine Prozesskontrolle, die sicherstellt, dass jedes einzelne Produkt den Anforderungen genügt. Mehr zu diesem Thema gibt es am 22. Februar 2018 in Halle 14, Stand B122 (Medical Forum) von 13:30 bis 14:00 Uhr im Vortrag „Oberflächen in der Medizintechnik als Grenzfläche zur Biologie“ von Dr. Dagmar Martin, NMI Reutlingen, zu hören.

Reibungsmindernde Hartstoffbeschichtungen in der Medizintechnik

In vielen Zweigen der Industrie werden hochverschleißfeste Beschichtungen eingesetzt, um beispielsweise mechanisch stark beanspruchte Werkzeuge und Bauteile zu schützen und zu funktionalisieren. In der Medizintechnik haben diese Hartstoffbeschichtungen ebenso ein herausragendes Potential als reibungsmindernde Schicht mit sehr geringen Verschleißraten, als Korrosionsschutz sowie als Barriere gegen Metallionenexposition. Während sich die Vertreter der klassischen Hartstoffschichten (zum Beispiel Titannitrid) bereits in großem Umfang im industriellen Einsatz befinden, sind die neuartigen ta-C Schichten aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften momentan auf dem besten Wege da hin.

Bei den am Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) erzeugten ta-C Schichten handelt es sich um spezielle Vertreter der diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (engl. diamond like carbon – DLC), deren Härte bislang unübertroffen ist. Die Schichten werden am LHM mit dem Verfahren der Laserpulsabscheidung (PLD) unter Hochvakuumbedingungen erzeugt und können aufgrund eines patentierten Temperprozesses nahezu spannungsfrei abgeschieden werden. Bei optimalen Abscheidungsparametern sind so Schichthärten bis 70 GPa (vgl. Diamant: H = 100 GPa) und Elastizitätsmodulen von 700 bis 800 GPa realisierbar, wodurch diese Beschichtungen besonders widerstandsfähig gegen Verschleiß sind.

Aufgrund einer geringen mittleren Oberflächenrauheit (Sq) von wenigen Nanometern und des niedrigen Reibkoeffizienten (≤0,1) zeichnen sich diese Schichten gerade auch für tribologische Anwendungen aus. Mittels haftvermittelnder Subschichten ist es möglich, eine herausragende Schichthaftung auf den unterschiedlichsten Substratmaterialien zu gewährleisten. Die niedrigen Temperaturen während der Schichterzeugung von weniger als 90 °C ermöglichen es, sowohl unterschiedliche Metalle und Legierungen, als auch temperaturempfindliche Materialien (Kunststoffe, Gläser, etc) zu beschichten.

Neben dem Einsatz als Verschleißschutzschicht bietet ta-C aufgrund seiner chemischen Resistenz, Biokompatibilität und Dotierbarkeit eine große Vielfalt an weiteren Anwendungsmöglichkeiten. Mittels Laserpulsabscheidung können homogene Schichtdicken von wenigen Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern erzeugt werden, wobei die resultierende Schichthärte zwischen 10 und 70 GPa über verschiedene Verfahrensparameter variiert werden kann. Dies ermöglicht es, insbesondere ein material- und anwendungsspezifisches Schichtdesign umzusetzen.

Generative Fertigungsverfahren – Net-Shape-Nonwoven-Technologie (NSN)

Derweil forscht das Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) an der Technischen Universität Dresden forscht zusammen mit Kooperationspartnern aus verschiedenen Kliniken und Unternehmen weltweit entlang der Wertschöpfungskette vom Biomaterial bis zur (prä-)klinischen Erprobung faserbasierter Implantate. Das Institut verfügt über langjährige Erfahrungen und Kompetenzen in grundlagenorientierter und anwendungsnaher Forschung im Bereich faserbasierter Biomedizintechnik sowie den dazu notwendigen Anlagentechniken und Prüflaboren.

Eine Forschungskompetenz des ITM liegt in der Technologieentwicklung für die Fertigung individueller, anwendungsspezifischer komplexer Implantate für die Regeneration von Hart- und Weichgewebedefekten. Hierzu wird ein hochproduktives modular aufgebautes additives Fertigungsverfahren entwickelt, das eine lokale Ablage und definierte Ausrichtung von Kurzfasern sowie eine Endlosfaserintegration erlaubt. Des Weiteren ermöglicht die Technologie eine extrusionsbasierende Integration von Knochenzementpasten, Hydrogelen und Hohlsträngen in den Prozess. Damit wird die Herstellung von maßgeschneiderten, anforderungsgerechten Implantatstrukturen ermöglicht, die Material- und Strukturgradienten, anisotrope Bereiche und Hohlräume enthalten können. Die modulare, additive Fertigung der Strukturen erlaubt eine patientenindividuelle Auswahl der notwendigen Komponenten und der Geometrie der komplexen Implantatstrukturen.

Weiterhin liegt der F&E-Fokus auf der Entwicklung von anwendungsorientierten Methoden und Technologien von textilbasierten Wirkstoffabgabesystemen zur Therapie chronischer Wunden. Hierfür arbeitet das ITM mit Forschungspartnern vom ITV Denkendorf sowie des Forschungslabors des onkologischen Schwerpunktes des Universitätsklinikum Frankfurt zusammen. Mit derartigen Systemen wird es möglich, die Wundheilung durch gezielte Abgabe von mehreren Wirkstoffen phasengerecht über einen definierten Zeitraum zu induzieren. Durch den Einsatz solcher wirkstoffintegrierter textiler Wundverbandsysteme soll die Behandlungsdauer nennenswert reduziert und damit auch Behandlungskosten eingespart werden.

Wie das NMI und das LHM stellt auch das ITM auf der Medical Area am Stand B111 in Halle 14 aus.

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