IMPLANTATE einfache Metall- oder Keramikteile?

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1 IMPLANTATE einfache Metall- oder Keramikteile? Prof. Dr. Eberhard Burkel & Dipl. Phys. Gunnar Rott Physik Neuer Materialien, Universität Rostock UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 1

2 hhh UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 2

3 Ref: MRS Bulletin Sam Stupp UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 3

4 Hüftgelenkersatz: in D % aller Implantate versagt nach Jahren Reibung zwischen Kopf und Pfanne Abrieb von Polyethylenteilchen Implantatsverlust Suche nach abriebfestem Material als Lösung für Hüftgelenkprothesen Studium von quasikristallinen/uhmwpe Kompositen Doktorarbeit Carmen Mihoc UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 4

5 Quasikristalle...interessante Eigenschaften Geringe Oberflächenenergie & Reibungskoeffizienten Geringe thermische & elektrische Leitfähigkeit Dany Shechtman Nobelpreis 2011 Inverse Temperaturabhängigkeit des Widerstands Biokompatibilität Hohe Härte Hochtemperatur Superplastizität Oxidationsbeständigkeit UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 5

6 Al (99.95%) + Cu (99.95%) + Fe (99.95%) Mechanisches Legieren 10, 25, 40, 80 h In situ Synchrotronmessung DESY, Hamburg Feldgestütztes Sintern (SPS) UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 6

7 In situ Synchrotronmessung DESY, Hamburg Al67Cu23Fe10_10h_Heizen Al67Cu23Fe10_10h_Kühlen UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 7

8 Feldgestütztes Sintern (SPS) UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 8

9 275 μm Mikro CT Bild eines Komposits (30 wt% Al-Cu-Fe + 70 wt% UHMWPE) quasikristalline Körner in Polymermatrix E (Pa) at 37 C UHMWPE 1.00X10 9 Al-Cu-Fe/UHMWPE 1.28X UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 9

10 Ref: MRS Bulletin Sam Stupp UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 10

11 Mikrotomographie an Knochen an ESRF in Grenoble M.Salome et al Jahre alt 72 Jahre alt 55 Jahre alt Keramikschaum (blau) mit Zellen (rot) UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 11

12 Knochen - ein hierarchisch strukturiertes Material mit bemerkenswerter mechanischer Performanz Rasterelektronenmikroskopie von spongiösem Knochen F. Zhang, SICCA Shanghai UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 12

13 Struktur von spongiösem Knochen: (a) Stab ähnlich, (b) Stab-Platte ähnlich, (a) Platte ähnlich, GH van Lenthe et al UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 13

14 Ziel: knochenähnliche hierarchische Strukturen, Status: Biokeramiken (HA, Beta-TCP etc.) und Biopolymere (PLA, PLGA) -- geringe mechanische Eigenschaften, abbaubar, resorbierbar Reines Titan und seine Legierungen -- ausgezeichnete Biokompatibilität, korrosionsbeständig, gute mechanische Eigenschaften -- keine Bioaktivität Unser Ziel: Titan, Ti Legierungen, Ti - Nanokomposite mit porösen Strukturen die dem menschlichen Knochen ähneln -- osteoconductive (Leitschieneneffekt) Eigenschaften für Knochengewebe -- angepaßter Elastizitätsmodul, um stress shielding zu vermeiden -- Bioaktivität Fames Zhang, Radu Nicula, Yujie Quan, Gunnar Rott, UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 14

15 Der Schmelzpunkt von Titan liegt bei 1671 C. Die Pulvermetallurgie Methode des feldgestützem Sintern (SPS) ist im Vergleich zu Schmelzverfahren eine energiesparende Technologie für Titan und seine Legierungen, da bei 800 C C gearbeitet werden kann. Daher: Synthese neuertitanlegierungen durch mechanisches Legieren und Spark Plasma Sinter Technik UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 15

16 SPS Field Spark Assisted Plasma Sintering Sintering Technology Pyro S P ds/dt Hydrauliksystem Impulse DC Stromquelle FAST/SPS FCT Systeme GmbH April 2011 Vakuum & Gas UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 16

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18 UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 18

19 Tycho Labor Rostock mit SPS Anlage 32 kw - 50 kn 180 kw kn UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 19

20 Ti-Al-V Ti-Al-V-Cr Ti-Al-Nb Ti-V-Mn-Cr-Al UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 20

21 durch Spark Plasma Sintern (SPS) Ti-Al-13V-7Mn-4Cr Korngröße 10 µm Porengröße 5 µm mit Osteoblastenbedeckung Nicula, Burkel, Nebe et al. Biomolecular Engineering (2007): Ti-Al-13V-11Cr in vitro Tests, Dr. B. Nebe, Biomedizinisches Forschungszentrum, Klinik für Innere Medizin,Universität Rostock UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 21

22 Relative density Intensity 1,1 1,0 -Mn (330) -TiMn (330) 0,9 -Mn (332) -Mn (510) SPSed Mn 0,8 0,7 Pure Ti Ti8Mn Ti12Mn -TiMn (320) -TiMn (600) -TiMn (400) -TiMn (222) SPSed Ti12Mn SPSed Ti8Mn 0,6 SPSed Ti5Mn 0,5 SPSed Ti2Mn 0,4 -Ti (002) -Ti (100) -Ti (101) -Ti (102) SPSed Ti 0, Temperature ( o C) Theta (Deg.) Relative Dichte des reinen Ti und der TiMn Legierungen nach SPS. Röntgenbeugungsbilder des Ti und der TiMn Legierungen nach SPS bei 700 o C UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 22

23 Testung der mechanischen Eigenschaften mit Nanoindenter nanoindentation.cornell.edu UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 23

24 Hardness (GPa) Young's modulus (GPa) Ti5Mn Ti8Mn Ti12Mn Mn Ti6Al4V Ti Ti2Mn Ti5Mn Ti8Mn Ti12Mn Mn Ti6Al4V 3 Ti2Mn 60 2 Ti Änderung der Härte und des Young s Moduls mit Mn Zunahme in den TiMn Legierungen UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 24

25 Spannung = E. Dehnung (Hookesches Gesetz) E ist der Elastizitätsmodul (Young scher Modul) eine Stoffkonstante Material E [GPa] Al 71 Stahl 206 Ti 105 Diamant 1100 Knochen kompakt 18 Knochen spongiös 0,08 Bandscheibe 0,005 Menschenhaar 3, UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 25

26 TiMg Legierungen für biomedizinische Anwendungen mit SPS 1. Magnesium ist ein wichtiges Element für den menschlichen Körper. 2. Magnesiumlegierungen wurden in den vergangenen Jahren als bioabbaubare Metalle studiert. 3. Wegen des großen Unterschieds der Schmelzpunkte von Ti (1671 C) und Mg (650 C ) ist es schwierig, TiMg Legierungen mit anderen Methoden herzustellen. Purity Particle size, μm Particle shape Supplier Ti-Powder Gas atom % 44 irregular Alfa Aesar, Germany MgH 2 - Powder irregular Alfa Aesar, Germany UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 26

27 Ti10wt.%Mg Ti20wt.%Mg Ti30wt.%Mg Ti40wt.%Mg UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 27

28 Young's modulus (GPa) Amount of Mg (wt.%) Der Einfluß der Mg Konzentration auf den Young s Modul der TiMg-Legierung UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 28

29 Ca Cl ph K Mg Na 2 2 HCO SO HPO Einlegen in simulierte Körperflüssigkeit (SBF) davor danach UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 29

30 In situ gebildete Poren in Ti10Mg nach SBF UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 30

31 Ti6Al4V Legierungen mit SPS mit schneller Kühlung Ti6Al4VPulver UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 31

32 5,5 K/s 4,8 K/s 4,4 K/s UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 32

33 1 K/s 4,4 K/s 4,8 K/s 5.5 K/s duktiles Bruchmuster UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 33

34 Young's modulus (GPa) Hardness (GPa) Einfluß der Kühlraten auf den Elastizitätsmodul der TiAlV Legierungen Kraft Cooling rate (K/s) Tiefe Cooling rate (K/s) UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 34

35 Titankeramik Dentalimplante durch SPS Prof. Dr. med. dent. H. Lang Zahnklinik Rostock Prof. Dr.-Ing. D. Behrend Biomedizinische Technik, Universität Rostock UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 35

36 Titan Keramik Gradientenmaterial Ti Ti10vol.%Keramik Ti70vol.%Keramik Keramik UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 36

37 Ti Ti-10Ceramics Ti-10Ceramics Ti-20Ceramics UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 37

38 Young's modulus (GPa) Volume percent of Ceramics in Titanium (%) Young s Modul des Gradientenmaterials UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 38

39 Ti6Al4V Schaum durch SPS UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 39

40 (a) (b) (c) (d) Ti foams: porosity of 55% and pore sizes of 125 (a), 250 (b), 400 (c) and 800 µm (d). Scale bars, 300 µm UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 40

41 (a) (b) 100 um 400 um Ti6Al4V Pulver und NaCl Körner UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 41

42 20 mm UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 42

43 Stress (MPa) TiAlV foam with 67% porosity Elastic deformation stage Long plateau stage Densification stage Strain (%) UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 43

44 Porenstruktur nach Kompressionstests UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 44

45 Ti6Al4V mit porös/ dicht Gradienten durch SPS UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 45

46 Ti6Al4V Schaum mit Cu als Porenbildner UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 46

47 Porenwände der Ti6Al4V Legierungen bei Verwendung von Cu als Porenbildner UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 47

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49 Kristallographische Voraussetzungen für Piezoelektrizität Ladungsschwerpunkte verschieben sich nicht gegeneinander Ladungsschwerpunkte verschieben sich gegeneinander Polarisation UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 49

50 Einfaches Modell des Piezoeffekts von Quarz Longitudinaler piezoelektrischer Effekt: A Anregung polare Achse B C Transversaler piezoelektrischer Effekt: A B Anregung polare Achse D UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 50

51 Calcium-Titan-Oxid (CaTiO 3 ) 3D-Struktur UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 51

52 CaTiO 3 : Sol-Gel Synthese gelieren Ausgangssubstanzen Titan(IV) isopropoxid (+HCl, HNO 3 ) Kalziumnitrat tetrahydrat mischen und warten trocknen Gunnar Rott 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK PHYSICS OF NEW MATERIALS, INSTITUTE OF PHYSICS

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54 SEM Aufnahmen der porösen CaTiO 3 Proben 17% 25% 33% 49% 61% UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 54

55 bone T.J. Webster et al. Inc. J Biomed Mater Res 67A: , 2003 Y. Yang et al L. Ong. Biomaterials 25 (2004) Bode-Diagramm Calcium-Titan-Oxid,54,3%porös Bode-Diagramm Calcium-Titan-Oxid,54,3% porös mit Eisen UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 55

56 Calcium-Titan-Oxid Impedanzspektroskopie Porosität und Impedanz hängen linear zusammen! UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 56

57 Ziel: Modifiziertes Kalzium -Titanoxid (CaTiO 3 ) - ein bioaktives Material - als poröser oder hochverdichteter (SPS) Sinterkörper als Implantat oder als Beschichtung neuertitan-legierungen mit optimierten mechanischen Eigenschaften und knochenähnlichem dielektrischen und piezoelektrischem Verhalten UNIVERSITÄT ROSTOCK MNF Institut für Physik 57

58 Danke an alle Beteiligten für die erfolgreiche Zusammenarbeit UNIVERSITÄT ROSTOCK Physik Neuer Materialien 58