Nanostrukturierte Titanlegierung mit unterschiedlichen E-Moduli für ein innovatives Dentalimplantat

Im Projekt IdentiTI wird eine Prozesskette zur kontinuierlichen Herstellung von ultrafeinkörnigem Ti-13Nb-13Zr-Material erforscht. Ziel ist die Entwicklung eines innovativen Implantatsystems mit herausragenden Eigenschaften für Gesundheit und Lebensqualität.

Motivation

In Deutschland werden pro Jahr rund 1,3 Millionen Dentalimplantate gesetzt. Die aktuellen medizinischen Implantatsysteme werden wegen hohen Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Dauerfestigkeit und Biokompatibilität aus Titan hergestellt. Zur Erhöhung der Festigkeit werden Legierungselemente wie Aluminium und Vanadium verwendet. Diese sind jedoch aufgrund von toxischen Unverträglichkeiten für medizinische Anwendungen kritisch. Zudem ist der hohe Elastizitätsmodul dieser Legierungen problematisch, da an den Kontaktstellen zwischen Implantat und Knochen ein Knochenabbau auftreten kann. Der Knochenabbau führt zu einer Lockerung des Implantats.

Ein neues Implantatsystem auf Basis der nanostrukturierten Titanlegierung Ti-13Nb-13Zr (NanoTNZ) löst diese Herausforderungen. NanoTNZ weist vielversprechende Eigenschaften auf, die es als Werkstoff für medizinische Implantate qualifiziert. Das feine Gefüge dieses Materials stimuliert Wechselwirkungen zwischen dem Implantat und den umgebenden Körperzellen. Dies führt zu einer verbesserten Knochenheilung, da ein direkter struktureller Verbund zwischen der Oberfläche des Implantats und dem Knochengewebe entsteht. Darüber hinaus ist es möglich, den Elastizitätsmodul des nanostrukturierten Implantats an den Knochen anzupassen, um Implantatverluste infolge von Relativbewegungen zu verhindern.

Lösungsweg

In diesem Projekt arbeiten industrielle und universitäre Projektpartner aus sehr interdisziplinären Bereichen (Implantologie, spanende Fertigung, Materialwissenschaft und Umformtechnik) zusammen, um ein neues innovatives Dentalimplantatsystem zu entwickeln. Schwerpunkt des Instituts für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) liegt in der industriellen Herstellung der nanostrukturierten Titanlegierung NanoTNZ.

Das am PtU entwickelte Verfahren Equal-Channel-Angular-Swaging (ECAS) lässt eine kontinuierliche Nanostrukturierung des Werkstoffs zu. Mit diesem Verfahren wird die Bildung des feinkörnigen Titans aus dem grobkörnigen Ausgangsmaterial untersucht. Durch anschließende Wärmebehandlungen soll der E-Modul des Materials eingestellt werden. Der Werkstoff TNZ reagiert bei der Nanostrukturierung sensitiv auf eine Vielzahl von Prozessparametern in der Wärmebehandlung und Umformung. Daher ist die genaue Kenntnis aller Einflussgrößen sowie deren Auswirkung auf das Produkt erforderlich, um die Nanostrukturierung gezielt zu steuern.

Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Gestaltung einer durchgängigen Prozesskette zur erfolgreichen wirtschaftlichen Herstellung von NanoTNZ, welches für Dentalimplantate eingesetzt werden soll.

Vorgehen in der Entwicklung des innovativen Implantatsystems

Danksagung

Das Projekt IdentiTI wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der KMU-Innovationsoffensive Materialforschung für Gesundheit und Lebensqualität gefördert. Zusätzlich gilt der Dank an die Projektpartner AdvantIQx, Institut für Werkstoffe der TU Braunschweig und Schweizer Feinwerktechnik.

Bundesministerium für Bildung und Forschung (https://www.bmbf.de/)

Bundesministerium für Bildung und Forschung (https://www.bmbf.de/)

AdvantIQx(https://www.advantiqx.de/)

TU Braunschweig, IfW Institut für Werkstoffe (https://www.tu-braunschweig.de/ifw/forschung/neuewerkstoffe/identiti )

Schweizer Feinwerktechnik (https://www.schweizer-feinwerktechnik.de)