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Werkstoffe in der Medizin

Magnesium basierte Werkstoffe als biodegradierbare Implantatmaterialien

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Calciumphosphatbeschichtung auf Magnesium.

Magnesium eignet sich für den Einsatz als biodegradierbares Implantatmaterial im Bereich der Stentimplantation sowie der Knochenfixation. Die Degradation im Körper ist bedingt durch die korrosive Auflösung von Mg in der physiologischen Umgebung. Einflussgrößen dabei sind die Körpertemperatur (37,5°C), der gepufferte pH Wert von c.a. 7,4 sowie die hohe Chloridionenkonzentration und die Strömung, aber auch organische Verbindungen und Zellen wirken sich auf die Korrosion von Magnesium aus. Reines Mg weist allerdings eine – vor allem anfangs – hohe Korrosionsrate auf, verbunden mit starker Wasserstoffentwicklung und lokaler Alkalisierung. Aus diesem Grund kommen vermehrt Mg-Legierungen zum Einsatz. Im Fokus stehen Legierungen mit Seltenen Erden sowie mit Aluminium (z.B. WE43 oder AZ91). Ein weiterer Ansatz zur Herabsetzung der anfänglichen Korrosionsrate ist die Beschichtung von Mg. Es werden u.a. verschiedene Mg-Legierungen elektrochemisch sowie oberflächenanalytisch hinsichtlich ihres Kurz- und Langzeitdegradationsverhaltens untersucht. Dabei kommen Wasserstoff- und Masseverlustmessungen ebenso zum Einsatz wie die Analyse von Impedanzspektren und Polarisationskurven. Des Weiteren werden Beschichtungen entwickelt, die die Mg-Korrosion herabsetzen, eine Oberflächenfunktionalisierung ermöglichen oder die Bioaktivität der Mg-Oberfächen erhöhen.

 

Titan basierte Werkstoffe als Implantatmaterialien

Titandioxidnanopartikel nach einer Auslagerungszeit von zwei Monaten. Deutliche Calciumphosphatabscheidung und Zunahme der Partikelgröße.

Titan und Titan basierte Legierungen gehören zu den korrosionsbeständigsten und biokompatiblen Werkstoffen im Bereich der Implantologie und Orthopädie. Die Bildung einer sehr stabilen Titandioxidschicht und die geringe Steifigkeit des Werkstoffes führen zu einer optimalen Wechselwirkung von Implantat und Knochen. Auf Grund der Biokompatibilität kommt es zudem zu keinen toxischen Reaktionen und dies führt zu einer schnellen Einheilung des Implantates. Die Biokompatibilität und die Wechselwirkung Implantat/Knochen kann jedoch durch die Modifizierung der Oberfläche im Nanometerbereich deutlich verbessert werden. Menschlicher Knochen weist einen hierarchischen Aufbau im Macro-, Micro- und Nanometerbereich auf, sodass eine Nanostrukturierung der Werkstoffoberfläche für eine gute Osseointegration sowie Protein- und Zellanbindung von großer Bedeutung ist. Im Arbeitskreis Korrosion werden so unterschiedliche nanostrukturierte Oberflächen einer TiAl6V4 Legierung hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und Bioaktivität mittels Oberflächenanalysen und Auslagerungsversuchen untersucht. Hierzu stehen dem Arbeitskreis verschiedene interne und externe Analysemethoden zur Verfügung: REM, XPS, ToF-SIMS, XRD und FTIR

Für die in-vitro Auslagerungsversuche steht zudem ein Inkubator zur Verfügung. Die Proben können so unter angepassten in-vivo Bedingungen bei 37,5°C und einem CO2 -Gehalt von 5% ausgelagert werden.