Silber-Beschichtung und Implantation von Implantatschrauben

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1 Silber-Beschichtung und Implantation von Implantatschrauben M. Schlegel, K. Barucki, S. Mändl, M. Kunert Mühlleiten März

2 Gliederung 1. Einleitung (herkömmliche Implantatbeschichtungen + Antimikrobielle Wirkung von Silber) 2. Angewandtes Verfahren (Kombination DC-Sputtern + PIII) 3. Charakterisierung des Prozesses anhand von Parametern 4. Analysen (Schichtdickenmessung, REM, Tesatest, GDOES) 5. Zusammenfassung der Ergebnisse Mühlleiten März

3 1 Implantatwerkstoffe Hüftimplantat CoCr28Mo6 + NbTi50 (10 µm) Stent 316L + O2 Implantation Dentalimplantat Titan Gr2 + TiO2 (12 µm) Knieimplantat CoNi35Cr20Mo10+ Titannitrid (3 µm) Mühlleiten März

4 1 Antibakterieller Schutz für Implantatschrauben Polyaxialschrauben gehören zu den Kurzzeitimplantaten Durch ein Verbundsystem aus Polyaxialschrauben kommt es häufig zu Infektionen an der Wirbelsäule. Eine antibakterielle Beschichtung durch Silber bietet die Möglichkeit das Infektionsrisiko zu reduzieren. Mühlleiten März

5 1 Bakterizide Wirkung von Silber Oligodynamischer Effekt bei Silber am stärksten Nur Silberionen zeigen eine bakterizide Wirkung Bakterizide Wirkung ist konzentrationsabhängig Silber bietet Vorteile gegenüber Antibiotika (lokale Wirkung, Ausbleiben von Resistenzen) Mühlleiten März

6 2 DC Magnetronsputtern Gepulster Betriebsmodus Die gepulste Zerstäubung wird durch eine periodische Unterbrechung der Entladung mit Frequenzen im Bereich 1 bis 20 khz realisiert Höhere Leistungsdichten auf dem Target Höherer Ionisierungsgrad des gesputterten Materials Erfahrungsaustausch, Mühlleithen, März 2008, Stanislav Mráz Gesputtertes Material: Atome, Atomcluster, Molekühle, Ionen Mühlleiten März

7 2 Plasma Immersions Ionenimplantation Deposition ECR Plasmaquelle Reichweitenverteilung von Silberionen mit einer Energie von 5 kev in Titan Mühlleiten März

8 3 Prozessparameter Gepulste DC-Magnetronabscheidung Hoher Ionisationsgrad Die bei der gepulsten Entladung entstehenden Metallionen können durch den Hochspannungsimpuls am Substrat in dieses implantiert werden. Mühlleiten März

9 3 Prozessparameter Druck: 0,6 Pa Gasfluss: 60 sccm Leistung Plasmaquelle: 240 mw Ionendichte Plasmaquelle: 9*10 10 cm -3 Hochspannung am Substrat: -5 kv Behandlungsdauer: 30 min Leistungsdichte am Target: 30 W / cm² Mühlleiten März

10 4 Schichtdickenmessung mit dem Interferometer Bis 20 khz ist die Aufwachsrate unabhängig von der Frequenz Wachstum durch Zerstäubung begrenzt Ionendosis beeinflusst die Wachstumsgeschwindigkeit der Schicht J Ionenstromdichte D Dosis e Elementarladung t Prozessdauer Mühlleiten März

11 4 REM Oberseite Schraubenprobe Horizontale Schraubenposition Unterseite Schraubenprobe Horizontale Schraubenposition Schraubenprobe Vertikale Position Starker Einfluss des Ionenbombardement auf die aufwachsende Schicht Positionierung der Substratschraube hat wichtigen Einfluss auf eine homogene Behandlung Bei einer vertikalen Schraubenposition ist eine homogene Behandlung möglich Mühlleiten März

12 4 Tesahaftfestigkeitstest Prozess: PIIID Beschichtung Reißkaft: 31,2 N/25mm 100,0 N/25mm 375,0 N/25mm Schicht haftet am Substrat Schicht löst sich vom Substrat Prozesse wie Implantation energiereicher Sputterteilchen und Rückstoßimplantation von Oberflächenatomen führen zu einer Durchmischung von Schichtmaterial und Substrat Die entstehende Schicht hat gute Haftungseigenschaften Mühlleiten März

13 4 GDOES Tiefenprofil der PIIID behandelten Probe Titan, Aluminium und Vanadium sind als Bestandteile des Bulkmaterials vorhanden Breiter Schicht Substratübergang Titanoxidschicht vollständig entfernt durch Sputterreinigung Mühlleiten März

14 5 Zusammenfassung Das PIIID Verfahren bietet sich an, um Schraubenimplantate mit Silber zu versehen. Durch die Reinigung mit Argonbeschuss lässt sich die natürliche Titanoxidschicht entfernen. Der Ionenbeschuss ermöglicht, das Aufwachsen der Schicht gezielt zu beeinflussen. Der Ionenbeschuss ermöglicht ein Durchmischen der Grenzschicht und dadurch eine gute Haftung. Mühlleiten März

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Mühlleiten März

16 4 GDOES PIIID PIIID mit veränderbaren Parametern Mühlleiten März

17 3 Optische Emissionsspektroskopie Geringe Übergangswahrscheinlichkeiten des Silberions in den angeregten Zustand Ag 328nm Ag 338 nm Ar 420 nm Ar nm Ar nm Mühlleiten März