Biodegradable iron based thin films for medical applications
Final Report Abstract
Seit dem vergangenen Jahrzehnt sind biodegradierende, metallische Materialien Gegenstand intensiver Forschung. Biodegradierende Metalle sind für die Verwendung in temporären Implantaten von Interesse und kommen dann zum Einsatz, wenn ein Implantat seine Funktion nur während einer gewissen Heilungsperiode erfüllt und nicht eine bestimmte Körperfunktion für das gesamte Leben des Patienten ersetzen muss. Nach der Heilung stellt ein solches Implantat lediglich einen Fremdkörper da. Somit birgt es auch die Gefahr von Gesundheitsrisiken wie zum Beispiel Entzündungen, Gewebenekrosen und Thrombosen etc. Die bekanntesten biodegradierenden Metalle sind magnesium- und eisenbasierte Legierungen. Die Vorteile von eisenbasierten Legierungen sind die hohe mechanische Festigkeit und die Zersetzung ohne signifikante Wasserstoffentwicklung. Die eisenbasierten Materialien werden auf Grund des E-Moduls hauptsächlich für vaskuläre Implantate wie Stents empfohlen. Erste in vivo Studien haben jedoch gezeigt, dass die Auflösung solcher Stents zu langsam erfolgt. Darüber hinaus stellt die ferromagnetische Natur von Eisen ein Problem da, im Hinblick auf Magnetresonanztomographie Untersuchungen. In einer solchen Untersuchung stellt ein implantiertes ferromagnetisches Material ein Gesundheitsrisiko für den Patienten dar. Daher wurde als Forschungsziel für derartige Materialien, die Beschleunigung der Auflösungszeit sowie die Beseitigung der ferromagnetischen Eigenschaften formuliert. Um eine beschleunigte Auflösung zu erreichen sind verschiedene Ansätze denkbar. Sofern die Geometrie eines Implantats nicht durch seine Funktion vorgegeben wird, bietet eine Modifikation des Designs bzw. der relativen Oberfläche eine Möglichkeit um die Auflösung zu beschleunigen. Natürlich hängen die Freiheiten bei der Gestaltung des Designs nicht zuletzt von den mechanischen Eigenschaften ab, da eine höhere Festigkeit die Realisierung filigranerer Strukturen erlaubt. Weiterhin sind feinere Strukturen ohnehin wünschenswert da somit weniger Fremdmaterial in den Körper eingebracht wird, welches sich zersetzen muss. Die zweite Möglichkeit die Auflösung zu beschleunigen, ist die Beeinflussung der Korrosionsrate selbst. Um eine erhöhte mechanische Festigkeit und beschleunigte Auflösung zu erreichen, sind neben der Modifizierung der Mikrostruktur und Materialzusammensetzung, auch die Erforschung alternativer Herstellungsmethoden von großer Wichtigkeit. Aus diesem Grund wurde in diesem Projekt gezeigt, dass Magnetron-Kathodenzerstäubung (Sputtern) in Kombination mit UV-Lithografie, eine geeignete Methode zur Herstellung von eisenbasierten biodegradierenden Implantaten darstellt. Die Nutzung dieser Art der Herstellung bietet viele Vorteile. Zunächst einmal besitzt gesputtertes Material eine einzigartige Mikrostruktur und damit auch Materialeigenschaften. Darüber hinaus können neben der Abscheidung aller Arten von Legierungen auch Systeme aus nicht mischbaren Komponenten hergestellt werden. Dies bietet eine große Freiheit bei der Herstellungsstrategie des Materials. Weiterhin erlaubt die Strukturierung mittels UV-Lithografie die in situ Formgebung während der Materialabscheidung. Hierdurch werden formgebende Schritte wie Laserschneiden, welche die Mikrostruktur bzw. die Materialeigenschaften beeinflussen können, obsolet. Die Strukturierung mittels UV-Lithografie bietet auch die Möglichkeit zur Herstellung sehr feiner Strukturen und bietet so eine große Freiheit im Design. In diesem Projekt wurden strukturierte Filme aus Reineisen, Eisen-Gold sowie verschiedene binäre Eisen-Mangan Legierungen erfolgreich hergestellt und charakterisiert. Für die Mikrostrukturanalyse wurden Untersuchungen durch Röntgenbeugung, Transmissions- und Raster-Elektronenmikroskope sowie energiedispersive Röntgenspektroskopie genutzt. Weiterhin wurden die mechanischen Kennwerte im uniaxialen Zugversuch ermittelt. Die Korrosionsraten wurden durch elektrochemische Polarisationsmessungen und Immersionstest bestimmt. Darüber hinaus wurden die magnetischen Eigenschaften des Materials mittels Vibrationsmagnetometrie untersucht. Es wurde gezeigt, dass im Vergleich zu Literaturwerten vergleichbarer Materialien, das gesputterte Material eine allgemein hohe Festigkeit besitzt. Dies ist hauptsächlich auf die charakteristische feinkörnige Mikrostruktur zurückzuführen. Weiterhin wurde eine signifikante Steigerung der Korrosionsrate durch das Einbringen von Goldausscheidungen erreicht, da diese als mikrogalvanische Elemente fungieren. Entgegen den Erwartungen, führte das Hinzulegieren von Mangan zu einer geringfügigen Abnahme der Korrosionsrate. Dies wird jedoch durch die sehr hohe Festigkeit von bis zu 1147MPa kompensiert. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass Mangan Konzentrationen >15% ausreichen, um die nichtferromagnetischen ε und γ Phasen zu stabilisieren, welches die Materialkompatibilität mit Magnetresonanztomographie Untersuchungen deutlich verbessert. Das Projekt zeigt, dass es möglich ist Magnetronsputtern in Kombination mit UV-Lithografie als alternatives Herstellungsverfahren für feinstrukturierte Implantate zu nutzen. Durch die Vorteile dieser Herstellungstechnik erscheint diese als vielversprechend um die Materialeigenschaften gemäß den Anforderungen anzupassen.
Publications
- Mechanical Properties and In Vitro Degradation of Sputtered Biodegradable Fe-Au Foils; Materials; 2016
Jurgeleit, Till; Quandt, Eckhard; Zamponi, Christiane
(See online at https://doi.org/10.3390/ma9110928) - Magnetron Sputtering as a Fabrication Method for a Biodegradable Fe32Mn Alloy; Materials; 2017
Jurgeleit, Till; Quandt, Eckhard; Zamponi, Christiane
(See online at https://doi.org/10.3390/ma10101196) - Iron-Based, Freestanding Films Fabricated by Magnetron Sputtering for Biodegradable Implant Applications, Dissertation, 2018
Jurgeleit, Till
- Magnetron-Sputtered, Biodegradable FeMn Foils: The Influence of Manganese Content on Microstructure, Mechanical, Corrosion, and Magnetic Properties; Materials; 2018
Jurgeleit, Till; Jessen, Lea Katharina; Quandt, Eckhard; Zamponi, Christiane
(See online at https://doi.org/10.3390/ma11040482)
