Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Aluminium- und Vanadium-freien Titanlegierung auf Basis technisch reinen Titans für den Einsatz in der Osteosynthese und Implantattechnik

Titanwerkstoffe werden seit etwa 30 Jahren in der Osteosynthese und der Implantattechnik eingesetzt. Dies erklärt sich durch ihr Eigenschaftsprofil: Titanwerkstoffe kombinieren eine hohe Festigkeit mit einer geringen Steifigkeit, die zu einer hohen Biofunktionalität führen und so die Gefahr der Implantatlockerung oder des Implantatbruchs minimieren. Zudem sind Titanlegierungen wegen ihrer Titanoxidschicht bioverträglich und korrosionsbeständig.

Die am häufigsten in der Medizintechnik eingesetzten Titanlegierungen sind Ti Al6 V4 und Ti Al6 Nb7, die neben Titan Aluminium und Vanadium, bzw. Niob enthalten. Bei einer Beschädigung der Oxidschicht eines entsprechenden Implantats können Metallionen in den Körper und damit in den Blutkreislauf gelangen.

Aufgrund der negativen Auswirkungen von Aluminium auf den menschlichen Organismus und des zelltoxischen Verhaltens von Vanadium soll eine Aluminium- und Vanadium-freie Titanlegierung entwickelt werden, die neben Titan ausschließlich Legierungselemente enthält, die bereits im menschlichen Körper vorkommen oder für die keine negativen Auswirkungen bekannt sind. Aus Simulationen sollen zunächst geeignete Zusammensetzungen identifiziert werden, die dann im Labormaßstab hergestellt und in Bezug auf ihre Eigenschaften hin charakterisiert werden. Zusätzlich sind umfangreiche Untersuchungen zum Korrosionsverhalten geplant, um zu verstehen, in welchem Umfang Metallionen in das Implantat-umgebende Gewebe eindringen können. Vielversprechende Legierungen sollen in größerem Maßstab hergestellt, charakterisiert und in realen Bauteilen getestet werden. Schließlich wird die Funktionalität der Oberfläche durch Plasmaanodisieren definiert eingestellt.

Zum Projektende steht dann ein neuer Titanwerkstoff für die Anwendung in der Medizintechnik zur Verfügung, der insbesondere von kleinen und mittelständischen Unternehmen in Deutschland eingesetzt werden kann, um gegenüber ausländischen Marktführern einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen.

Eine neue biokompatible Legierung auf Basis von Ti könnte einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil für deutsche Unternehmen bringen. Nur mit neuen innovativen Materialien können deutsche Unternehmen im dem größtenteils durch amerikanische und asiatische Unternehmen geprägten Markt bestehen.

Ergebniszusammenfassung:

Auf Basis von CP-Ti Grad 4+ (Ti 0,4O 0,5Fe 0,08C) wurde der Einfluss der Legierungselemente O, Au, Nb, Mo, Si und In auf das Gefüge und die mechanischen sowie korrosiven Eigenschaften umfassend untersucht. Dafür wurden zahlreiche Legierungen im Labormaßstab erschmolzen und analysiert. Dabei zeigte sich, dass Si, Nb, Mo und O starke Mischkristallverfestiger sind. Alle Legierungen weisen α- und β-Phase auf. Im Labormaßstab konnte gegenüber CP-Ti Grad 4+ die Dehngrenze und Zugfestigkeit bei weiterhin guter Duktilität deutlich gesteigert werden, sodass teilweise die mechanischen Eigenschaften von untersuchtem Ti 6Al 4V ELI erreicht oder übertroffen werden.

Auf Basis dieser Untersuchungen wurden drei Legierungen, Ti 0,4O 0,5Fe 0,08C 0,3Si 0,1Au, Ti 0,44O 0,5Fe 0,08C 0,4Si 0,1Au und Ti 0,44O 0,5Fe 0,08C 2,0Mo in größeren Mengen erschmolzen und umfassend analysiert. Die höchsten statischen mechanischen Eigenschaften weist die Legierung Ti 0,63O 0,58Fe 0,096C 2,1Mo mit einer Dehngrenze von etwa 1115 MPa, einer Zugfestigkeit von 1150 MPa und einer Bruchdehnung von 16,5% auf, die im oberen Bereich von Ti 6Al 4V liegen. Rundgeknetetes Material der Legierung Ti 0,44O 0,5Fe 0,08C 0,4Si 0,1Au besitzt eine Dehngrenze von etwa 870 MPa, eine Zugfestigkeit von 910 MPa und eine Bruchdehnung von 18,3%. Diese Werte liegen oberhalb der minimalen Anforderungen für Ti 6Al 4V für Verwendung bei chirurgischen Implantaten. In Schwingversuchen konnte zusätzlich eine Oberspannung von ca. 510 MPa (R-Wert ca. 0,02) bzw. von ca. 555 MPa (R-Wert ca. 0,04) dauerhaft ertragen werden.

Die Legierungen weisen inhärent sehr gute Korrosionseigenschaften auf.

Durch die Oberflächenmodifikation mittels Plasma-elektrolytischer Oxidation ist es möglich die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Legierungen nochmals deutlich zu erhöhen, sowie die Biokompatibilität zu verbessern, sodass sich die neu entwickelten Legierungen für einen Einsatz als Implantatwerkstoff sehr gut eignen.