BIOLOT - Funktionalisierung inerter Hochleistungskeramiken mittels bioaktiver Auftraglötbeschichtung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Vorhabens war die Erforschung einer definierten, Ti-basierten Beschichtung mittels Auftraglötverfahren. Zusätzlich sollte durch eine gezielte Funktionalisierung mittels bioaktiver Granulate diese Ti-basierte Schicht zusätzlich aktiviert werden. Es wurden auf Basis der eutektischen Titan-Kobalt-Legierung zytokompatible und bioaktive Beschichtungen sowie der entsprechende Lötprozess entwickelt. Ein drittes Element wurde dem Ti-Co-Lot zulegiert, um dessen Schmelzpunkt auf unter 1020 °C zu senken. Neben der eutektischen Legierung Ti77Co23 wurde die Si-haltige Lotlegierung Ti72Co25.2Si2.8 für weitere Untersuchungen aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur und des geringeren Benetzungswinkels sowie der günstigeren Porosität ausgewählt. Parallel dazu wurden Forschungsarbeiten zur Herstellung von bioaktiven Granulaten durchgeführt. Zunächst wurden Granulate aus drei Werkstoffen (Calciumphosphat, bioaktives Glas des Typs 45S5 und ein Verbundwerkstoff aus diesen beiden Materialien) hergestellt. Hierzu wurden wässrige Suspensionen mit organischen Additiven gemischt und anschließend sprühgetrocknet. Um möglichst dichte Granulate erzeugen zu können, kamen zwei Verflüssiger, Dolapix CE64 und Trinatriumcitrat, zum Einsatz. Der Dispersionseffekt entsteht hier durch zwei unterschiedliche Mechanismen: sterische Abstoßung bei Dolapix CE64-Zugabe und elektrostatische Abstoßung durch Zugabe von Trinatriumcitrat. Die Granulate, die durch elektrostatische Abstoßung erzeugt wurden, zeigten deutlich bessere Eigenschaften in Bezug auf Stabilität, Morphologie und Dichte. Granulatgröße, Form und Stabilität wurden zusätzlich durch das Feststoff-/Wasser-Verhältnis in der Suspension variiert. Die vorteilhaftesten Eigenschaften wiesen die Granulate auf, die aus Suspensionen mit 70 Gew.-% CaP, 60 Gew.-% CaP/Bioglas und 40 Gew.-% Bioglas hergestellt wurden. Diese Granulate wurden für die Bioaktivierung der Lot-Systeme verwendet. Die zwei Lotwerkstoffe TiCo und TiCoSi wurden jeweils zur Einstellung definierter Porosität sowie zur Förderung des Knochenwachstums in der herzustellenden Schicht mit den drei bioaktiven Granulaten versehen. Die Mischungen wurden jeweils auf Al2O3 bei einer Löttemperatur von 1090 °C für 40 Minuten aufgelötet. Die Querschliffe der aufgelöteten Proben wurden abschließend bezüglich der Gefügeausbildung im Lötgut sowie der Formstabilität der Granulate analysiert. Da das Calciumphosphat-basierte Bioadditiv seine sphärische Form behält, wurde es als geeignetes Granulat gewählt. Es konnten Ti-basierte Auftraglötschichten mit integrierten Bioadditiven hergestellt werden, die im Gegensatz zu dem reinen Lot einen hohen Porenanteil aufwiesen, der auch erwünscht ist, da der Knochen in die Schicht einwachsen, sich dort verklammern und mit dem CaP interagieren kann. Durch weitere Untersuchungen konnte der Einfluss des Binderanteils, des Additivanteils sowie der Lötprozessparameter auf die Schichtausbildung, -härte und -porosität gezeigt werden. Ein Gehalt von 30 Gew.-% Binder und 20 Vol.-% CaP wurde zur Einstellung der erwünschten Schichtporosität und gleichzeitig möglichst fehlerarmer Anbindung an die Keramik ausgewählt. Die vorgesehenen Zellversuche für die Schichten mit den Granulaten wurden nicht durchgeführt, da die aufgelöteten Schichten mit den Granulaten nicht ausreichend gut am Substrat hafteten. Für den zukünftigen Einsatz der Beschichtung für ein Implantat muss die Anbindung des Lotes mit CaP-basiertem Additiv an die Keramik verbessert, d. h. die Anzahl der Fehlstellen an der Grenzfläche verringert, werden, damit die Kräfte bei Belastung vom Knochen an das Implantat weitergeleitet werden können. Außerdem dürfen keine Risse, hervorgerufen durch thermisch induzierte Eigenspannungen, im Lötgut vorliegen, da diese die mechanische Belastbarkeit der Schicht reduzieren, insbesondere bei dynamischer Belastung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013). Erforschung Ti-Co-basierter, bioaktiver Auftraglötschichten auf oxidischen Hochleistungskeramiken in der Medizintechnik. WTK 2013, Chemnitz, Band 50, S. 170-177
Bobzin K, Kopp N, Puidokas S, Wiesner S, Samadian Anavar S, Schickle K, Korsten A, Fischer H
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(2013). Research and development of a cytocompatible titanium cobalt-based active brazing coating. 10th International Conference on Brazing, LÖT 2013, Aachen, DVS-Band 293, S. 59-62
Bobzin K, Kopp N, Puidokas S, Schickle K, Korsten A, Fischer H
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(2014). Investigation of a bioactive Ti–Co-based brazing coating on oxide highperformance ceramics in medical technology. Materialwiss Werkst 45:504-511
Bobzin K, Kopp N, Wiesner S, Puidokas S, Samadian Anavar S, Fischer H, Schickle K, Korsten A
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(2015). Synthesis of spherical calcium phosphate granulates suitable for the biofunctionalization of active brazed titanium alloy coatings. Biomed Tech Apr 1;60(2):105-14
Schickle K, Gerardo-Nava JL, Puidokas S, Samadian Anavar S, Bergmann C, Gingter P, Schickle B, Bobzin K, Fischer H
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Immobilization of specific proteins to titanium surface using self-assembled monolayer technique. Dental Materials, Volume 31, Issue 10, October 2015, Pages 1169-1179
Tack L, Schickle K, Böke F, Fischer H
