Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Elektrochemische Bearbeitung für Implantatkomponenten aus Nickel-Titan-Legierungen

Die Zahl der chirurgischen Eingriffe und der Einsatz von Implantaten steigt seit Jahren stetig an. Dabei ist deren sichere Verankerung aufgrund von Begleiterkrankungen älterer Patienten wie Osteopenie und Osteoporose schwierig und die Implantate neigen zu Lockerungen. Dies führt zu begrenzten Standzeiten und zieht häufige Revisionsoperationen nach sich.

Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens besteht daher in der Entwicklung und wirtschaftlichen Fertigung von Implantatkomponenten aus Nickel-Titan-Legierungen zur Erhöhung der Standzeiten und der Primärstabilität von Implantaten im Knochen. Die Fertigungsverfahren der elektrochemischen Bearbeitung und des plasmaelektronischen Polierens werden weiterentwickelt und entsprechend für die Fertigung von Implantatkomponenten optimiert. Am Demonstrationsbeispiel einer Pedikelschraube wird dabei ein umfassender Entwicklungsprozess von der klinischen Anforderung über die Auslegung und fertigungstechnische Umsetzung bis hin zum biomechanischen Funktionsnachweis durchgeführt. KMU aus dem medizintechnischen Bereich können innovative Implantate mit bisher nicht realisierbarer adaptiver Struktur anbieten. Denkbar sind auch spezielle Implantate für ältere Patienten, bei denen die Standardversorgung versagt. Die KMU aus der Anlagentechnik können neue Zielmärkte erschließen, aber auch die Technologie für die Automobilindustrie und die Luft- und Raumfahrt adaptieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden elektrochemische Verfahren untersucht, die eine Bearbeitung komplexer Strukturen in Nickel-Titan-Legierungen ermöglichen. Das PECM- Verfahren (Pulsed Electrochemical Machining) wurde als abtragendes formgebendes Verfahren verwendet. Anschließend wurde die Oberflächenrauheit des Materials mit dem PEP-Verfahren (Plasmaelektrolytisches Polieren) bearbeitet. Anhand verschiedener Werkstoffuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Bearbeitungsverfahren keinen Einfluss auf die Phasenumwandlungstemperaturen des Materials haben. Aufgrund der lastfreien Bearbeitung wird keine weitere Wärmebehandlung des Materials benötigt. Dementsprechend können komplexe Zielgeometrien direkt gefertigt werden, ohne die Notwendigkeit eines weiteren Bearbeitungsschrittes und Werkzeuges für die formgebende Wärmebehandlung. Die Verfahren wurden für die Herstellung eines Aktors, welcher eine verbesserte Verankerung einer Pedikelschraube im Wirbelkörper ermöglicht, angewandt. Der entstandene Nickel-Titan- Aktor erwirkt im austenitischen Zustand eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Knochen und Implantat. Die sich ausbeulende Kontaktfläche bildet das Gewinde der Pedikelschraube ab. Die Verfahren eignen sich für die Fertigung komplexer dreidimensionaler Strukturen aus Nickel-Titan und können auch auf andere Bereiche außerhalb der Medizintechnik übertragen werden.