AIT Austrian Institute of Technology Health & Environment Department Biomedical Systems

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1 AIT Austrian Institute of Technology Health & Environment Department Biomedical Systems Magnesium in der Medizintechnik Workshop: Magnesium Eigenschaften, Anwendungen, Chancen TFZ Wiener Neustadt 26. Jänner 2012 Bernhard Mingler

2 Organigramm AIT 2

3 Department Health & Environment Head: Dr. Michaela Fritz 129 employees, 4 divisions TFZ am Technopol-Standort Wiener Neustadt Biomedical Systems (certified according to ISO 13485) Molecular Diagnostics Bioresources Environmental Technologies Employees: 30 PhD and diploma students: 15 Papers in peer reviewed journals: 20 Patents 2010: 7 External contract research 10: 1.4 MEUR External grants 10: 1.5 MEUR Internal funding 10: 1.2 MEUR 3

4 Verortung im Technologie-Umfeld 4

5 Mg im menschlichen Körper ca. 30 g Mg (bei 70 kg Körpergewicht) davon etwa 60 % im Knochen 40 % im Weichgewebe täglicher Bedarf: ca. 350 mg Knochenaufbau Zucker-, Fett- und Proteinstoffwechsel Proteinbildung Regulation des Muskeltonus Transport von Salzen zur Steuerung von mehr als 300 biochemischen Reaktionen notwendig 5

6 Der Implantatmarkt Alternde Gesellschaft, neue Sportarten, Bewegungsarmut steigender Bedarf an Implantaten 6

7 Anforderungen an Materialien für dauerhafte und temporäre Implantate Technische Funktionsfähigkeit Festigkeit und Duktilität, Steifigkeit, Dauerbelastbarkeit, Abriebfestigkeit Biostabilität Abbauprozesse wie Korrosion und Versprödung im biologischen Milieu sollen bei permanenten Implantaten möglichst nicht stattfinden und bei temporären Implantaten kontrolliert ablaufen Biokompatibilität Gute Verträglichkeit zwischen Implantat und biologischer Umgebung Optimierungspotenzial 7

8 Metallische Biomaterialien für permanente Implantate Rostfreie Stähle (z.b. 316L) Superlegierungen (Co-Cr Legierungen, NiTi) Titan und Ti Legierungen Künstliches Kniegelenk 8

9 Metallische Biomaterialien für temporäre Implantate Mg Legierungen und Mg-Gläser Fe Legierungen Biodegradierbarer Mg Stent [Erbel et al., Lancet 2007] [Witte et al., Biomaterials 2005] Mg Stift im Tierversuch [Castellani et al., Acta Biomater 2011] 9

10 Vorteile von biodegradierbaren metallischen Implantaten Zweite Operation (Explantation) wird vermieden Erfüllen ihre Aufgabe nur so lange, wie klinisch notwendig und haben nach dem Abbau keine negativen Wirkungen auf den Körper Bessere mechanische Eigenschaften als Polymere Über die Legierungsbestandteile sind die Festigkeit, Duktilität, Dauerwechselfestigkeit und die Degradationsrate in einem weiten Bereich einstellbar. Implantationstechnik ähnlich wie bei Titan und medizinischem Stahl 10

11 Rückblick: Mg in der Medizin Huse 1878: Erste Erwähnung von Mg als Implantatwerkstoff (Drahtmaterial für Gefäßligaturen) Lambotte 1932: Test von Mg Implantaten in Hunden und Kaninchen, später bei Schlüsselbeinbrüchen im Menschen Bildung von Gastaschen Verbrugge 1934 und McBride 1938: Anwendungen im Menschen Bildung von Gastaschen Stroganov 1971: Mg-Cd Legierung langsamere Korrosion aber Cd ist toxisch Witte et al 2006: in-vitro Korrosionstests eignen sich nur sehr eingeschränkt zur Vorhersage von in-vivo Versuchen Magnesium stimuliert Knochenneubildung [E. W. Hey Groves, British Journal of Surgery 1, no. 3 (1913)] 11

12 Magnesium als Implantatwerkstoff Biologische Verträglichkeit Mechanische Eigenschaften Geringe Materialmengen erforderlich aber mit höchster Qualität Steuerung der Degradationskinetik 12

13 ISO Norm zur biologischen Beurteilung von Medizinprodukten Basisprüfungen Zytotoxizität Hämokompatibilität Chemische Charakterisierung Ausschnitt aus dem Teil ISO : Beurteilung und Prüfung im Rahmen eines Risikomanagementverfahrens Erweiterte Prüfungen Irritation Sensibilisierung Toxizität Genotoxizität Implantation 13

14 In-vitro Zytotoxizitätsuntersuchungen Indirekte Messung nach ISO :2009(E) Extraktionstest Inkubation der Testlegierungen zum Erhalt des Eluats (72 h, 37C, 5.0 % CO 2,Schüttelrotation) Leg. 1 Leg. 2 Leg. 3 Leg. 4 14

15 In-vitro Zytotoxizitätsuntersuchungen Einstellung des ph Wertes auf mittels HCl Kriterien für optische Untersuchungen nach ISO :2009(E) 15

16 In-vitro Zytotoxizitätsuntersuchungen Lichtmikroskopische Beurteilung der Zellen (Balb/c-3T3) Positivkontrolle (Zinksulfat) Zellen inkubiert (24h) mit Extrakt (1:2) einer beschichteten Mg-Leg. entspricht Negativkontrolle Zellen inkubiert (24h) mit Extrakt (1:2) einer Mg-Leg. einige abgestorbene, runde Zellen 16

17 In-vitro Messungen an biodegradierbaren Mg Legierungen Messung der Degradation von Mg Legierungen in simulierter Körperflüssigkeit 17

18 Degradation von Mg in wässrigen Lösungen Mg + 2H 2 O Mg(OH) 2 +H 2 Kontrolle der Degradationsgeschwindigkeit: Verwendung reiner Legierungskomponenten spezielle Legierungszusammensetzung Beschichtungen Thermomechanische Bearbeitung [Mat. Sci. Eng. B 176 (2011) ] 18

19 AIT patentierte Mg Legierungen Magnesium-Basislegierung : geringe Korngröße, hohe Duktilität und Korrosionsbeständigkeit Magnesiumlegierung : verringerte Warmrissneigung Alloy Zn Ag Ca Mn Zr L L Zn verbessert Gießbarkeit Zr ist ein Kornfeiner Ag, Ca, Mn beeinflussen Rekristallisation Gußzustand 19

20 Mikrostruktur (Längsschnitt) nach Strangpressen L1: Korngröße ~ 8 µm L2: Korngröße ~ 2 µm 20

21 Mechanische Daten Vergleich L1 - L2 - ZK31 - AZ31 (stranggepresst) L1: hohe Umformbarkeit L2: hohe Festigkeit Weltrekord (AIT gemeinsam mit LKR und ETH Zürich) bei Kombination aus höchster Festigkeit und Duktilität 21

22 Superplastizität von Magnesium-Legierungen Proben aus L1 nach Zugtests bei 200 C, 280 C, 360 C zeigen superplastisches Verhalten ETH Zürich / AIT (unpublished data) 22

23 Beschichtung von Mg Legierungen Keramisierung von Magnesiumwerkstoffen mittels plasmachemischer Anodisation in wässrigen Elektrolyten 23

24 Equal Channel Angular Pressing (ECAP) das Prinzip Der Werkstoff in Form von zylindrischen Bolzen wird unter hohem hydrostatischen Druck durch zwei Kanäle gleichen Querschnittes, die sich unter einem definierten Winkel treffen, gepresst. Dadurch lassen sich selbst bei normalerweise schwer verformbaren Werkstoffen durch wiederholte Umformungen extrem große plastische Scherverformungen realisieren Schematische Darstellung des ECAP-Werkzeuges Nanostrukturierung massiver, metallischer Werkstoffe mittels plastischer Verformung 24

25 ECAP-Anlage am AIT Austrian Institute of Technology Seit in Wr. Neustadt im Betrieb Technische Daten: und 90 -Werkzeuge für runde Bolzen mit Durchmesser 12, 20 und 30 mm Länge bis zu 100 mm; Presskraft bis zu 70 Tonnen; Prozess-Temperatur: Werkzeug bis zu 500 C, Werkstück bis 900 C; Pressgeschwindigkeit < 20 mm/s, Monitoring aller Prozessparameter ECAP-Anlage am Standort Wr. Neustadt 25

26 Vorteile der Nanostrukturierung von Metallen durch ECAP Das extrem feinkörnige Gefüge nach ECAP-Umformung bewirkt, unter anderem, eine außergewöhnliche Eigenschaftskombination von erhöhter Festigkeit und verbesserter Verformbarkeit. Der schraffierte Bereich markiert Festigkeit/Duktilität, die nach konventioneller Verformung erreichbar sind. [R. Z. Valiev et al, Progress in Materials Science 51 (2006)] 26

27 Strukturfeinung durch ECAP: Mg-Zn-Ca-Mn-Zr (Lv2) Guss-Struktur Strangpress-Struktur Struktur nach ECAP 27

28 ECAP der patentierten Mg Legierungen L1, L2 [Scripta Mater. 59 (2008) ] Technische Spannungs Dehnungsdaten aus Zug (T) und Druck (C) Versuchen bei RT (Verformungsgeschwindigkeit: 1 x 10-3 s -1 ) L1 Legierung: Mg-2,9%Zn-0,5%Ag-0,25%Ca-0,15%Mn L2 Legierung: Mg-2,7%Zn-0,75%Zr-0,45%Ag-0,17%Ca-0,07%Mn Festigkeitssteigerung durch ECAP bei L1 ~ 100% 28

29 Positronen-Emissions-Tomographie (PET) am AIT Vena Cava Herz Nieren Leber 2 sec 25 sec 60 sec 150 sec

30 Vom Magnesium bis zur Anwendung als Implantat [Erbel et al, Lancet 369 (2007)] ist es ein weiter Weg

31 Laufende wissenschaftliche Kooperationen ETH Zürich Biodegradierbare Metalle Universität Wien Severe Plastic Deformation (ECAP) Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen Legierungsentwicklung, Prozesstechnologien Medizinische Universität Wien Biomedizinische Technik Medizinische Universität Graz - Tierversuche Seibersdorf Labor GmbH Chemische Analytik CEST Kompetenzzentrum für elektrochemische Oberflächentechnologie GmbH Materialcharakterisierung BMP Aachen (akkreditiertes Labor für medizinische Materialprüfung) - Toxizitätsuntersuchungen Nationale und internationale Unternehmenspartner (KMU, Großunternehmen) Entwicklung innovativer Medizintechnikprodukte 31

32 Kooperationsmöglichkeiten Beratung und Consulting Machbarkeitsstudien Prototypenentwicklung Auftragsentwicklung Gemeinsame Forschungsprojekte (national oder EU) Längerfristige strategische Kooperationen Technologietransfer Unterstützung bei der Suche nach medizinischen Partnern 32

33 Danksagung DI M. Bammer AIT Dr. M. Krystian AIT W. Ettel - AIT BioCompatible Materials & Applications wird unterstützt durch das Land Niederösterreich mit Kofinanzierung der Europäischen Union (EFRE). 33

34 AIT Austrian Institute of Technology your ingenious partner Dr. Bernhard Mingler Health & Environment Department Biomedical Systems Viktor-Kaplan-Strasse 2/ Wr. Neustadt Austria T +43(0) F +43(0) M bernhard.mingler@ait.ac.at W: