Materialdesign und Charakterisierung

Profil

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Mitarbeiter der Abteilung Materialdesign und Charakterisierung

Die Entwicklung von metallischen Biomaterialien beinhaltet mehrere Aspekte, die parallel bearbeitet werden:
1. Das Design des eigentlichen Werkstoffs (Legierungsentwicklung), der die von der Anwendung gestellten mechanischen, biologischen und Funktionsanforderungen erfüllt.
2. Die Herstellung des Werkstoffs und die Verarbeitung zu Probekörpern für die durchzuführenden Tests, aber auch zu Implantat-Prototypen.
3. Die Charakterisierung der unter 1 genannten Eigenschaften, deren Ergebnis wiederum zu einer Anpassung des Designs führen kann.
Als Abteilung Materialdesign und Charakterisierung befassen wir uns mit allen drei Arbeitspaketen mit der Zielsetzung, sowohl bio-degradierbare Mg-Legierungen als auch Titanlegierungen für Permanentimplantate zu entwickeln bzw. zu optimieren.

Materialdesign

Für Materialentwicklung und -verarbeitung konzentrieren wir uns auf die Methoden der Pulvermetallurgie und hier speziell auf das Metallpulver-Spritzgießen MIM (Metal Injection Moulding). Die Motivation zur Nutzung von pulvermetallurgischen Verfahren besteht dabei u.a. in der gegenüber anderen Techniken relativ einfachen Legierungsvariation, der hohen Homogenität der Mikrostruktur wie auch der großen Flexibilität bezüglich der herzustellenden Bauteilgeometrie. Dabei sind sowohl Titan als auch Magnesiumwerkstoffe sehr anspruchsvolle Werkstoffe. Ohne das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse, z.B. während einer Sinterung, und des Werkstoffverhaltens können keine optimalen Ergebnisse bezüglich der Eigenschaften der Bauteile und ihrer Reproduzierbarkeit im Herstellungsprozess erzielt werden. Deshalb untersuchen wir die Vorgänge, die speziell in Titan- und Magnesiumlegierungen während der pulvermetallurgischen Verarbeitung ablaufen und leiten daraus optimierte Zusammensetzungen des Werkstoffs und der Prozessparameter her.

Implantierbare Schraube zur Wirbelreparatur, MIM aus TiAl6Nb7 Pulver (Design: Tricumed Medizintechnik GmbH)

Für unsere Forschungsarbeiten steht uns eine komplette MIM Fertigungskette einschließlich Feedstockherstellung zur Verfügung, die speziell an die Anforderungen sauerstoffempfindlicher Werkstoffe wie Titan oder Magnesium angepasst ist. Aktuelle Forschungsthemen sind z.B. die Untersuchung der Rolle von Sauerstoff und Kohlenstoff bei der Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften und der Sinterung und die Verfeinerung der Mikrostruktur durch Entwicklung spezieller Legierungen. Seit 2012 sind wir in der Lage, auch Magnesiumlegierungen mittels MIM zu prozessieren, was weltweit eine Pionierleistung darstellt.

Charakterisierung

Neben der Charakterisierung der Materialeigenschaften durch mechanische und optische Verfahren steht bei uns die Analyse des Werkstoffs unter physiologischen Bedingungen im Vordergrund. Dabei konzentrieren wir uns v.a. auf die Untersuchung des Degradationsverhaltens von Magnesium-Legierungen.

In früheren Untersuchungen stellten sich in der Materialcharakterisierung übliche Tests, wie z.B. das Besprühen mit Salzlösungen, als unzureichend heraus, was ihre Aussagekraft für das Verhalten der Implantatmaterialien im lebenden Organismus (in vivo) angeht. Daher liegt bei uns ein Schwerpunkt bei der Charakterisierung darauf, geeignete Testverfahren zu entwickeln und diese zu etablieren, um so schließlich verlässlichere Aussagen über die Materialeigenschaften in vivo treffen zu können.

Bild Degradation Jorge

In vitro Degradation von Magnesiumplättchen. Oben: PEO beschichtet, unten: ohne Beschichtung © Jorge Gonzales

So durchläuft jedes neu entwickelte Material standardmäßig mehrere Testreihen, bei denen verschiedene Materialeigenschaften unter diversen physiologischen Bedingungen gemessen werden. Dabei werden die Materialien u.a. Blut oder Serum ausgesetzt, es wird geprüft, welchen Einfluss Zellen auf das Material und seine Eigenschaften haben, und zusätzlich können im Bioreaktor z.B. gewebespezifische Flussraten eingestellt werden, die die in vivo Situation noch besser simulieren.

Erscheint eine Legierung aufgrund dieser Testreihen besonders vielversprechend, wird das Material an die Abteilung Biologische Charakterisierung gegeben und dort hinsichtlich der Reaktionen verschiedener Zelltypen und ihrer spezifischen Anpassungs- und Veränderungsmechanismen bei Kontakt zu metallischen Biomaterialien weiter erforscht.