Metallische Biomaterialien. Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 1 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

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1 Metallische Biomaterialien Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 1 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

2 Metallische Biomaterialien Einleitung Geschichte metallischer Biomaterialien Anforderungen an Implantatwerkstoffe (Bioverträglichkeit,Mechanik, Korrosion) Grundlagen der Korrosion Metalle im Körper Eigenschaften verschiedener metallischer Biomaterialien Titan (legierungen) Rostfreie Stähle Cobaltbasislegierungen - Weitere Metalle in der Medizintechnik - Formgedächtnismetalle (SMA) - Metalle für den Zahnersatz Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 2 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

3 Metallische Biomaterialien -Geschichte metallischer Implantate- Jahr Jh Ab Ab 1946 Entdecker Petronius Hieronimus Fabricius J. Lister H. Hansmann Krupp Erdle P. Wiles J. und R. Judet Bemerkung Behandlung einer angeborenen Gaumenspalte mit einer Goldplatte Verwendung von Eisen-, Gold- und Bronzedrähten Operationen mit Silberdraht zur Fixation von gebrochenen Kniescheiben Entwicklung der ersten Knochenplatte aus Stahl mit einem Nickelüberzug Entwicklung von CrNi-Stählen brachte eine entscheidende Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit Entwicklung der ersten CoCr- Legierung (Vitallium) erste Hüftendoprothese Kommerzielle Herstellung von Titan(legierungen) Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 3 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

4 Biokompatible Werkstoffe Oberflächen Strukturen Biokompatible Werkstoffe Abriebpartikel Korrosionsprodukte Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 4 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

5 Biologische Anforderungen Annahme durch den Körper/Verankerung im Körper nicht thrombogen nicht toxisch, allergen, fibrogen oder karzinogen kein Abbau zellulärer Elemente (Hämolyse) keine Veränderung an Plasmaproteinen und Enzymen keine Gewebsnekrose Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 5 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

6 Anforderungen bzgl. physikalischer und chem. Eigenschaften korrosionsfest, degradationsfest und auslaugungsfest bei Kontakt mit Blut oder Körperflüssigkeiten mechanische Eigenschaften müssen den Anforderungen genügen (möglichst knochenähnliche Implantatsteifigkeit) Funktion übernehmen (Verschleiß, Ermüdung) Eine Regeneration lässt sich mit künstlichen Werkstoffen nicht erreichen. Trotzdem müssen Implantate chemisch aggressivster Umgebung ohne Qualitätsverlust über teilweise sehr lange Zeiträume funktionieren. Mean Time to Failure (Zeit bis zum Ausfall) >= Lebenserwartung des Patienten technische Verarbeitbarkeit preiswert Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 6 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

7 Werkstoffe mit Kontakt zum Knochen Bewegung der Gelenkimplantate relativ zum Gewebe führt zur Einschneidung der Verankerungselemente bindegewebige Einheilung ist unerwünscht, da sie die bestmögliche Krafteinleitung verhindert Aufwachsen osteoblastenähnlicher Knochen-Zellen zur Fixierung des Implantats im Knochen - mechanische Strukturierung der Oberfläche - Einstellung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Oberflächenwerkstoffs Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 7 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

8 Grundlagen der Korrosion Die meisten Metalle haben ihren thermodynamisch stabilsten Zustand bei sauerstoffhaltiger Umgebung als Oxid. Korrosion tritt auf, wenn metallische Atome ionisiert in Lösung gehen oder sich mit Sauerstoff zu Oxiden verbinden und sich ablösen. Körperflüssigkeiten sind wässrige, extrem aggressive Medien im Bezug auf Korrosion (Cl -, Proteine) Ablaufende Reaktionen: Anode: M -> M n+ + ne - Kathode: 2H 3 O + + 2e - -> H H 2 O und ½ O 2 + H 2 O + 2e - -> 2 OH - bzw. M +n + ne - -> M Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 8 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

9 Korrosion der Metalle -Elektrochemische Spannungsreihe- Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 9 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

10 Korrosion der Metalle -Korrosionsarten- Interkristalline Korrosion Spannungsrisskorrosion/ Spaltkorrosion Kontaktkorrosion Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 10 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

11 Beeinflussung des Gewebes durch Metalle -Grenzfläche zum Gewebe- Metallionen und Metallpartikel gelangen in das umliegende Gewebe durch mechanische Beanspruchung Veränderung der biologischen Umgebung durch elektrochemische Reaktionen (Senkung oder Erhöhung des ph-wertes) Beeinflussung des Implantates durch Gewebe: Erniedrigung des ph-wertes durch Entzündungen des umliegenden Gewebes Adsorbtion von Molekülen an der Oberfläche durch elektrische Felder Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 11 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

12 Korrosion der Metalle -Pourbaix-Diagramme- Nachteile: Für wässrige Lösungen Keine Auskunft über Geschwindigkeit Pourbaix-Diagramme von Chrom (rechts) PH-Wert im Körper: arteriell 7,39-7,45, venös 7,37-7,42 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 12 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

13 Metallische Biomaterialien -Korrosionseigenschaften- Stromfluss als Mass für die Korrosionsgeschwindigkeit (in Ringerlösung) Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 13 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

14 Unterteilung bio-inerte Werkstoffe Titan Tantal Niob Zirkonium bio-aktive Werkstoffe HA (Hydroxylapatit) biodegradierbare Polymere TiO 2 (strukturiert ~20µm) Al 2 O 3 ZrO 2 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 14 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

15 Metallische Biomaterialien -Eigenschaften- log Polarisationswiderstand Einkapselung toxisch inert Gewebereaktion Gewebereaktionen auf verschiedene Elemente und metallische Legierungen Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 15 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

16 Metalle im Organismus wichtige Spurenelemente toxische Wirkung beide Effekte (je nach Konzentration) Allergische Reaktionen Krebserregende Wirkung Zn, Cu, Mn, Mg, Ca, Na... As, Pb, Hg, Be, Sr, Cr... Cu, Co, Ni, Zn... Ni, Co, Cr... Cr- Verbindung en, Ni- Sulfide, Ni- Oxide... Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 16 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

17 Toxikologie von Metallen -Beispiele- Nickel: allergen, kanzerogen, Alzheimer, Kontaktdermatitis Vanadium: Bronchitiden, kanzerogen? Chrom: Schleimhautgeschwüre, Kontaktdermatitis, kanzerogen (Lungenkrebs) Aluminium: Osteomalazie, mikrozytäre Anämie, Enzephalopathie Beryllium: Metalldampffieber, toxische Pneumonie, Beryllosis, kanzerogen im Tierversuch: Lungenkrebs Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 17 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

18 Metalle im Körper Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 18 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

19 Metallische Implantate Vorteile: hohe Zugfestigkeit hoher Abriebwiderstand (z.b.tin, ZrO 2 ) Sterilisierbarkeit keine galvanischen Korrosionsprobleme bei Kombination von Cound Ti-Legierungen Nachteile: hoher E-Modul/mechanische Inkompatibilität geringere Biokompatibilität Korrosion hohe Dichte Prothesenbrüche eher selten hohe Schadenstoleranz Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 19 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

20 Biomaterialien -Mechanische Eigenschaften- Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 20 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

21 Mechanische Eigenschaften FG [N/mm 2 ] E [10 3 N/mm 2 ] FG/E [%] (FG) 2 /E [10 6 J/m 2 ] Kortikaler Knochen ,75 1,1 Kaltverformter rostfreier Stahl ,38 2,8 Geschmiedete CoCrMo-Legierung ,43 4,3 Kaltverformtes cp-titan (Grade 4) ,66 4,5 Ti6Al4V ,85 8,0 Ti5Al2,5Fe ,83 7,6 Ti6Al7Nb ,84 7,7 FG= Fließgrenze E= Elastizitätsmodul FG/E= zulässige Dehnung (FG) 2 /E= Arbeitsvermögen= Energiedichte Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 21 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

22 Biomaterialien -Anforderungen- Eignung der Biomaterialien aus den Werkstoffklassen Metalle, Polymere und Keramik für verschiedene Belastungsarten Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 22 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

23 Biomaterialien -Anforderungen- BF=Ermüdungsfestigkeit/Elastizitätsmodul Biofunktionalität (BF) metallischer Biomaterialien Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 23 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

24 Metallische Biomaterialien -Anwendungen- Stähle Co- Basis- Leg. Cp-Ti Ti-Leg. Shape Memory Anwendungen Endoprothesen Teile 316L, REX 734 Ni-frei CrMn CoCr28Mo6 CoNiCrMo Grade 1,2 Grade 4 TiAl6V4 (ELI) TiAl6Nb7 Hüfte, Knie, Schulter X X X X X Kugeln X X X X Pfannen X Knochenplatten, Schrauben X X X X Nägel X X X X X Osteosynthese Rückgrat X X X X Kiefer- und Zahn- Implantate, Suprakonstruktionen X X X X implantologie Orthodontische Drähte X X X X Schrittmacher Gehäuse X Elektroden, Zuleitungen X Intravaskuläre Stents Intraprostatic spirals X TiAl3V2,5 NiTi Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 24 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

25 Eigenschaften Werkstoffe Norm Qualität Behandlung Zugfestigkeit Bruchdehnung Stähle Co-Basisleg. Titan Stähle Co-Basisleg (1.4441) REX P 2000 (i.e.)* CoNiCrMo CoNiCrMoFe Co Cr28 Mo6 750 geglüht Grade Grade Grade Grade Ti Al6 V Ti Al6 Nb (1.4441) REX P 2000 (i.e)* kaltverformt CoNiCrMo CoNiCrMoFe Co Cr28 Mo Titan CoCrMo 316 (Stahl) Dichte g/cm 3 4,5 8,3 7,9 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 25 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

26 Normen und Preise Werkstoffe Qualität Norm Preis für Rundmaterial 30 mm Ø /kg X2 CrNiMo I8 I5 3 ISO ASTM F I38 10,20 Stähle REX 734 ISO ASTM F I586 15,31 P 2000 DIN ,41 Co Cr28Mo6 ISO ASTM F I537 71,43 Co-Basis- Legierungen CoNiCrMo ISO ASTM F ,33 CoNiCrMoWFe ISO ASTM F ,33 Grade I 4 ISO ASTM F 67 30,61 Titan TiAl6V4 (ELI) ISO ASTM F I36 35,71 TiAl6Nb7 ISO ASTM F I295 40,82 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 26 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

27 Stahlimplantate -Anwendungen- Interne Fixationssysteme Rostfreier Stahl (316LVM) Fixateur externe Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 27 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

28 Stahlimplantate -Aufbau- Hauptsächlich hochlegierter Stahl mit 17-20% Chrom, 12-14% Nickel und 2-4% Molybdän. Austenitische Kristallstruktur. Niedriger Kohlenstoffgehalt (max. 0.03%) verhindert die Ausscheidung von Chromkarbid an den Korngrenzen und fördert Beständigkeit gegen interkristalline Spannungsrisskorrosion. Durch Zulegieren von 2-4 Gew.% Molybdän wird die Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion erhöht. Duplexstähle (25Cr-7Ni-4Mo-N): höherer Molybdän- und Stickstoffgehalt als die austenitischen Stähle und somit beständiger gegen Lochfraß- und Spaltkorrosion. Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 28 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

29 Stähle für die Implantologie -Nichtrostende austenitische Stähle- Zusammensetzung von Stählen für die Implantologie Eigenschaften von Stählen für die Implantologie Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 29 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

30 Zusammenfassung Stähle Austenitische Cr-Ni-Stähle Hohe Festigkeit Gut geeignet für Kurzzeitanwendungen Spannungskorrosionsanfällig verliert Festigkeit Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 30 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

31 CoCrMo-Implantate -Anwendungen- Hüftkopf Kniegelenk-Tibia-Tray, bicondylär Kniegelenk, Femurkomponente, bicondylär Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 31 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

32 CoCrMo-Implantate -Anwendungen- Co-Cr mit TiNbN-Beschichtung Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 32 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

33 CoCr-Legierungen CoCrMo-Gusslegierungen: Ausscheidungen des Typs M 23 C 6 (Cr und Mo) in kubisch flächenzentrierten Matrix. Mischkarbide an Dendriten hohe Abriebbeständigkeit nachträgliches Diffusionsglühen ( C, 1h) verbessert Zähigkeit (zu hohe Glühtemperaturen: nachteiliger Effekt auf Festigkeit). CoCrMo-Schmiedelegierungen: kleine Korngröße und feine Karbidverteilung. hohe Ermüdungsfestigkeit Anwendung: Hüftgelenk-Endoprothetik. CoCrWNi-Legierungen: geringer Kohlenstoffgehalt feinkörniges einphasiges Gefüge (kubischflächenzentrierte Mischkristalle). Anwendung: Endoprothesen und chirurgische Instrumente CoNiCrMo-Legierungen: kubisch-flächenzentriertes Gefüge, mechanische Verformung unterhalb 425 C induziert Bildung von Bereichen mit hexagonaler Struktur in der metastabilen, kubisch-flächenzentrierten Matrix. Hohe Festigkeit und Zähigkeit. Genügt nicht den Anforderungen an die Verschleissbeständigkeit für Endoprothesen-Kugeln lediglich Schäfte. (Kugeln werden aus CoCrMo-Gusslegierung hergestellt und verschweißt.) Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 33 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

34 Korrosionsbeständigkeit Trotz geringer Anfälligkeit auf allgemeine flächige Korrosion wurde bei CoCr-Legierungen beobachtet, dass Ionen in Lösung gehen und erhöhte Metallionenkonzentration im Blut verursachen. Kombination von CoCr-Legierungen mit rostfreien Stählen: deutliche Korrosion der Stahlkomponente Kombinationen von unterschiedlichen CoCr-Legie-rungen: kein Angriff durch galvanische Korrosion keine Lochfraß- und Spaltkorrosion bei CoCr-Implantaten über Empfindlichkeit auf Spannungsrisskorrosion und Korrosionsermüdung ist wenig bekannt Korrosionsrate von CoCrMo-Legierungen: rund 26 µgcm²d -1 Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 34 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

35 CoCrMo-Legierungen * Legierung für Zahnrestauration ( Co + Cr 85 %, Cr + Mo + Ti 25%, Be 0,01%) Zusammensetzung von Gusslegierungen Zusammensetzung von Schmiedelegierungen Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 35 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

36 CoCrMo-Legierungen * Legierung für Zahnrestauration ( Co + Cr 85 %, Cr + Mo + Ti 25%, Be 0,01%) Zusammensetzung von Gusslegierungen Zusammensetzung von Schmiedelegierungen Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 36 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

37 CoCrMo-Implantate -Eigenschaften- Behandlung Dehngrenze (MPa) Zugfestigkeit (MPa) Dehnung/ Zugfestigikei Bruchdehnung (%) Weichgelüht ,47-0, Kaltverformt (17,5%) ,87 22 Kaltverformt (4%) ,85 10 Kaltverformt Mechanische Eigenschaften der Legierung Co20Cr15W10Ni in Abhängigkeit der Kaltverformung Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 37 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

38 Zusammenfassung CoCr-Legierungen Hohe Festigkeit Langzeitstabil Relativ verschleißfest Co, Cr und Ni-Ionen können freigesetzt werden bei Einsatz in Reibsystemen Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 38 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

39 Titanimplantate -Anwendungen- Hüftgelenkspfannen (zementlose Implantation) Zimmer Hüftgelenksschäfte Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 39 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

40 Titanimplantate -Anwendungen- Zahnimplantate aus (Hydroxylapatit-beschichtetem) Titan Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 40 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

41 Titanimplantate -Anwendungen- Künstliches Herz Tibianägel Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 41 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

42 Reintitan, cp (commercially pure) Titanlegierungen (zweiphasig) Hexagonale Gitterstruktur (alpha) Metallische Biomaterialien -Titan(legierungen)- Alpha/Beta- Legierungen (nahe) Beta- Legierungen Kubisch-Raumzentriert (beta) 50% Vorteile: extreme Korrosionsbeständigkeit, niedriger E-modul ( GPa), hohe Dauerfestigkeit Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 42 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

43 Titan Reines Titan (commercially pure (cp) titanium) und die Legierung TiAL6V4 cp Titan: unlegiertes Titan (a-titan mit hexagonal dichtest gepackter Kristallstruktur) mit geringer Konzentration an Verunreinigungselementen wie Kohlenstoff, Eisen oder Sauerstoff. hoher Schmelzpunkt - Vakuumofen - Tiegellos geringe Festigkeit, hohe Zähigkeit TiAI6V4 : durch nachträgliche Wärmebehandlung Zweiphasenlegierung mit gleichmäßiger Verteilung der Mischkristallphasen erhöhte Festigkeit und verbesserte Ermüdungseigenschaften im gegossenen Zustand nach der Abkühlung: lamellare Duplexstruktur (a- und b-lamellen) Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 43 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

44 Reintitan -Zusammensetzung und mech. Eigenschaften- cp- Titan Grade I Grade II Grade III Fe max. 0,2 0,25 0,3 O approx. 0,1 0,2 0,25 N max. 0,05 0,06 0,06 C max. 0,08 0,08 0,1 H max. 0,013 0,013 0,013 chemische Zusammensetzung von cp- Titan (wt-%). Grade IV 0,35 0,3 0,07 0,1 0,013 cp-titan Zustand R p0,2 (MPa) R m (MPa) R p02 /R m Bruchdehnung (%) Brucheinschnürung (%) Grade I ,49-0, Grade II Grade III Platte wie gewalzt ,46-0,64 0,54-0, Grade IV ,53-0, mech. Eigenschaften von cp-titan Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 44 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

45 Titanlegierungen -Zusammensetzung- Alloy Al V Fe Nb Ta O N C H Single Summe Ti6Al4V 5,5-6,75 3,5-4,5 0, ,2 0,05 0,08 0,015 0,1 0,4 Ti5Al2.5Fe 4,5-5,5 -- 2, ,2 0,05 0,08 0,015 0,1 0,4 Ti6Al7Nb 5,5-6,5 -- 0,25 6,5-7,5 0,5 0,2 0,05 0,08 0, Zusammensetzung (Gew.-%)von α-β-legierungen Eigenschaften von α-β-legierungen Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 45 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

46 β -Legierungen -Zusammensetzung und Eigenschaften - Legierung Al Mo Zr Ta Nb Sn Ti15Mo5Zr3Al 3, Ti12Mo5Zr5Sn 11,5 4,5 4,5 Ti30Nb 30 Ti30Ta 30 Zusammensetzung (Gew.-%) von β- und nahe β Legierungen (ca. 50% alpha) (Experimentelle Legierungen) Noch in der Versuchsphase: Vanadiumfrei, Hoch- und dauerfest Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 46 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

47 Titan -Oberflächenbeschichtung von TiAl6V4- Total Weight loss Ti V Material Combination (µg) (µg) (µg) Untreated- untreated ,5 Untreated- nitrogen ion implanted ,2 Untreated- PVD coated with TiN ,0 Untreated- plasma ion nitrided ,4 PVD- PVD ,5 Plasma ion nitrided- plasma ion nitrided ,5 Testing conditions: plate screw system with a micromotion of 100 µm, 14 days at 1 Hz for cycles, Testing medium was calf serum solution Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 47 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

48 Zusammenfassung Titan DAS Biometall, da bioaktiv nicht nur bioinert TiO 2 -Schicht stabil, selten Ionenfreisetzung Hohe spezifische Eigenschaften Schlechte Verschleißeigenschaften Knochenanlagerung antitan Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 48 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

49 Weitere Metalle in der Medizin -Zirkonium- Ähnlich biokompatibel wie Titan -Oberfläche aus extrem verschleißfesten ZrO 2 -aufoxidierbar - Ist erst seit einigen Jahren frei von Restradioaktivität herstellbar Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 49 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

50 - Sehr gute Biokompatibilität Weitere Metalle in der Medizin -Tantal- - Hoch Korrosionsfest - Tantalschaum hat ähnliche Eigenschaften wie Knochenkortikalis - Extrem teuer noch kaum Anwendung Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 50 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

51 Weitere Metalle in der Medizin - Platin, Iridium, Niob - Hüftkopf aus TiAl6V4 mit Niobbeschichtung Lidimplantate aus einer Platin-Iridiumlegierung Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 51 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

52 Formgedächtnislegierungen -Anwendungen- Anwendungen von Formgedächtnislegierungen (Superplastizität) in der Kieferorthopädie Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 52 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

53 Formgedächtnislegierungen -TiNiz.B. Ti-56Ni Weitere Legierungselemente: Eisen: 0,5-3 % Kupfer: 1,0-10 % Chrom: 0,1-1,0 % Kobalt 0,1-2,0 % Vanadium: 1,0-8,0 % Niob: 5,0-15 % Phasendiagramm Titan-Nickel Einfluss von Verunreinigungen und Legierungselementen Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 53 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

54 Formgedächtnislegierungen -Mikrostruktur- Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 54 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

55 Formgedächtnislegierungen -Superelastizität- Ausgangszustand (Austenit) Unter Last (Martensit) Endzustand (Austenit) - Bildung von mechanisch induziertem Martensit - Temperatur unter M d Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 55 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

56 Formgedächtnislegierungen -Superelastizität- Vergleich von konventioneller Elastizität und Superelastizität Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 56 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

57 Formgedächtnislegierungen -Anwendungen- Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 57 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

58 Formgedächtnislegierungen -Einwegeffekt- Ausgangsform Nach Verformung Nach Erwärmung Nach Abkühlen Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 58 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

59 Formgedächtnislegierungen -Osteosyntheseklammern- Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 59 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

60 Formgedächtnislegierungen -Anwendung- Stents Selbstausdehnend (Superelastisch) Ausdehnung durch Ballon im Martensitischen Zustand Ausdehnung durch Shape.Memory-Effekt durch leichte Erwährmung Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 60 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

61 Formgedächtnislegierungen -Filter in Adern- Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 61 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

62 Amalgam - Zusammensetzung der Legierungen zur Herstellung- Historischer Überblick: 1826 Entwicklung des Quecksilberamalgams durch Taveau in Paris 1840 Amalgamverbot wegen der dabei auftretenden Quecksilberdampfvergiftung 1855 Wiederzulassung 1926 Der Chemiker A. Stock aus dem Kaiser-Wilhelm-Institut warnt erneut vor Quecksilberamalgam ("Die Gefährlichkeit des Quecksilberdampfes und der Amalgame") und beschrieb 1939 die chronische Vergiftung infolge der Instabilität des Amalgams Verbot des Amalgams im Ostblock und Amalgamverzicht in Japan 1997 Verbot in Schweden Aktuell Verbot in Österreich angekündigt Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 62 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

63 Amalgam - Zusammensetzung der Legierungen zur Herstellung- Hg ca. 53% Legierungpulver ca. 47% Zusammensetzung Legierungspulver: Element konventionell Hochsilberamalgan Niedrigsilberamalgan Kupferreich Silber min. 40% 65-70% 55-60% 40-50% Zinn max. 32% 24-30% 24-30% 24-30% Kupfer max 30% 12% 12-15% 20-30% Zusammensetzung von Legierungspulvern zur Herstellung von Amalgam Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 63 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

64 Amalgam -Reaktionen beim Aushärtena) Legierungen mit niedrigem Kupfer-Anteil (alte Legierungen) Ag 3 Sn + Hg Ag 2 Hg 3 + Sn 7-8 Hg + Ag 3 Sn γ + Hg γ 1 + γ 2 + γ (nicht reagiert) b) Legierungen mit hohem Kupfer-Gehalt 1. Schritt: Ag 3 Sn + Hg Ag 2 Hg 3 + Sn 7-8 Hg + Ag 3 Sn γ + Hg γ 1 + γ 2 + γ (nicht reagiert) 2. Schritt: Sn 7-8 Hg + Ag-Cu Cu 6 Sn 5 + Ag 2 Hg 3 γ 2 + Ag-Cu Cu 6 Sn 5 + γ 1 Aushärtung von Amalgam Amalgame entstehen durch Vermischen etwa gleicher Gewichtsanteile von Metalllegierungen (Legierungspulver, -kugeln, -splitter, -späne) mit dem bei Raumtemperatur flüssigen Quecksilber (Hg) Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 64 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

65 Amalgam -Toxische Eigenschaften- Cu verdrängt Zink, dadurch wird vor allem die Ausscheidung von Schwermetallen durch zinkhaltige Enzyme aus dem Körper gestört Entstehung von Methylquecksilber (hochtoxisch mit schleichenden Symptomen) Hg selbst hemmt die Na(+)-K(+)-ATPase. Dieses Enzym regelt den osmotischen Druckausgleich in der Zelle durch aktiven Transport von Kalium- und Natriumionen, wobei es große Mengen an ATP verbraucht;. Symptome: Antriebslosigkeit, Kopfschmerzen, Magen-Darmbeschwerden, Schwindel, Zittern, Gedächtnisstörungen, Schlafstörungen, Muskelschwäche, Rückenschmerzen, Allergie, Nervosität, Apathie wechselnd mit Gereiztheit, Depression, Ataxie, Lähmungen, Pelzigkeitsgefühle, Hör- und Sehstörungen, Infektanfälligkeit, Herzrhythmusstörungen, Anämie Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 65 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

66 Goldinlays Legierungen aus Gold, Silber, Platin, Kupfer, Palladium Sehr gut verträglich bei Einsatz in der Mundhöhle Keine Korrosion Wird einzementiert Hohe Dichte Niedrige Festigkeit!Nie gemeinsam mit Amalgam Kontaktkorrosion! Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 66 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

67 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 67 Mathias Galetz, Universität Bayreuth

68 Literatur Biehl, V, Brem, J.: Metallic Biomaterials, in: Mat.-wiss. u. Werkstofftechnik 32 (2001) Compe, E. C.; Dental Biomaterials Black, J.; Biomaterials Properties Helsen, J.A.; Metals as Biomaterials Lipscomb, I.P.; The Application of Shape Memory Aloys in Medicine Lehrstuhl Metallische Werkstoffe 68 Mathias Galetz, Universität Bayreuth