DIAMOND – Entwicklung von intelligenten und fortschrittlichen Implantaten aus NanoTNZ

Im Projekt DIAMOND werden Medizintechnikprodukte aus der Legierung Ti-13Nb-13Zr, einer Titanlegierung der zweiten Generation, entwickelt, die ohne die kritischen Legierungselemente Aluminium und Vanadium auskommt und die das Einstellen einer großen Bandbreite an mechanischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften erlaubt.

Projektverantwortlicher: Lukas Kluy M. Sc.
Laufzeit: Januar 2022 – Juni 2024
Förderlinie: ZIM IraSME BMWK

Motivation

Implantate und Osteosynthesesysteme sind in der orthopädischen Chirurgie weit verbreitet und essentiell für die Versorgung einer großen Bandbreite von Verletzungen und Erkrankungen. Die Anzahl der Operationen nimmt dabei stetig zu: Pro Jahr werden allein in Deutschland etwa. 200.000 Hüftgelenke durch Implantate ersetzt. Die am häufigsten in der Medizintechnik eingesetzten Titansorten sind die so genannten Titanlegierungen der ersten Generation (beispielsweise Ti-6Al-4V). Bei allen Vorteilen, die diese Werkstoffe gegenüber anderen metallischen Werkstoffen haben, treten jedoch auch einige Nachteile auf:

Bei einer Beschädigung der Oxidschicht eines Implantats können Metallionen in den Körper und damit in den Blutkreislauf gelangen. Vanadium ist cytotoxisch, hohe Aluminiumkonzentrationen sind mit Erkrankungen wie Alzheimer und verschiedenen Krebsarten assoziiert. Der E-Modul der Implantate liegt mit etwa 120 GPa deutlich über jenem von Knochen. Dies führt zu unterschiedlichen Komplikationen, insbesondere einem Knochenabbau in Folge des sogenannten „Stress Shieldings“ und damit einhergehend einer Lockerung des Implantats. Darüber hinaus fordert die alternde Bevölkerung zunehmend langlebigere und sicherere Implantate.

Um diese veränderlichen Anforderungen an Implantate sowie die zunehmenden Bedenken gegenüber konventionellen Legierungen und deren kritischen Legierungselementen zu berücksichtigen, werden im Projekt werkstoffwissenschaftliche, fertigungstechnische, konstruktive und sensortechnische Expertise kombiniert, um diese Herausforderungen zu meistern.

[1] DIAMOND-Projekt mit multidisziplinären und internationalem Konsortium

Lösungsweg

Konkret wird eine neue Generation von Implantaten und Osteosyntheseprodukten aus der Titanlegierung Ti-13Nb-13Zr in einer multidisziplinären Herangehensweise mit einer nanoskaligen Oberflächenstruktur (NanoTNZ) eingestellt, auf der Knochenzellen gut anwachsen können, eine Bakterienbesiedelung jedoch erschwert ist. Das Einwachsverhalten wird durch eine integrierte Sensorik optimiert.

Ziel des Darmstädter Forschungsbeitrags ist die Entwicklung eines kontinuierlichen Umformprozesses (Equal-Channel-Angular-Swaging) zur Herstellung des NanoTNZ. Die Nanostrukturierung ist besonders sensitiv gegenüber Temperatur, Umformgeschwindigkeit und Umformgrad. Die Ermittlung aller Parameter und die Beherrschung von Unsicherheiten für eine stabile Produktion einer homogenen Nanostruktur, die den biologischen und orthopädischen Anforderungen genügt, stehen im Fokus. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die Gestaltung einer durchgängigen Prozesskette zur wirtschaftlichen Herstellung von NanoTNZ für eine neue Generation von Implantaten und Osteosyntheseprodukte.

Danksagung

Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Gefördert durch

Projektpartner