Development of biodegradable iron-based alloys of the system Fe-Mn-C-(B, S) for the application as implant material
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens konnten neue biodegradierbare Fe-Mn-C-(B, S)-Legierungen für den primären Einsatz als Stentwerkstoff entwickelt und validiert werden. Ein wesentliches Ziel bestand in der Aufklärung der Mikrostruktur-Eigenschafts-Prozess-Beziehung der FeMnC-basierten Legierungen. Dazu wurden entsprechende Struktur- und Gefügeanalysen, mechanische Prüfungen, Korrosionsuntersuchungen sowie Analysen zur Zell-Material-Interaktion an Gussproben sowie mittels selektiven Laserschmelzens (SLM) gefertigten Proben durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass durch Mikrolegieren einer Fe-30Mn-1C-Gusslegierung mit Schwefel und Bor bereits eine Erhöhung der Festigkeit möglich ist, was maßgeblich auf die Bildung feiner Mangansulfide vom Typ (Fe0,3Mn0,7)S sowie Borokarbide vom Typ Fe23(B3C3) in der austenitischen Matrix zurückgeführt werden kann. Darüber hinaus zeigten die Fe-Mn-C-(B, S)-Legierungen deutlich höhere Dehngrenzen und Zugfestigkeiten als ein AISI 316L-Referenzstahl sowie eine degradierbare Fe-30Mn-Referenzlegierung. Ferner konnte für die FeMnC-basierten Systeme ein Twinning Induced Plasticity (TWIP)-Effekt nachgewiesen werden. Basierend auf potentiodynamischen Polarisationsversuchen in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) bei 37 °C konnte ferner eine Steigerung der Korrosionsrate durch Mikrolegieren mit 0,025 % Schwefel und 0,05 % Bor aufgezeigt werden. In-vitro-Zytotoxizitätstests zeigten weiterhin, dass das durchgeführte Mikrolegieren keinen zytotoxischen Effekt auf L929 Fibroblastenzellen hat. In den Untersuchungen stellte sich insbesondere die Legierung Fe-30Mn-1C-0,025S als prädestiniert für den Einsatz als potenzieller Stentwerkstoff heraus, die auch erfolgreich mittels des selektiven Laserschmelzens verarbeitet werden konnte. In quasistatischen Zug- und Druckversuchen konnte dabei eine deutliche Steigerung der Dehn- bzw. der Stauchgrenze sowie eine Steigerung der Zugfestigkeit aufgezeigt werden, was auf die signifikante Abnahme der mittleren Korngröße, der im SLM-Prozess verarbeiteten Proben gegenüber den herangezogenen Gussproben zurückzuführen ist. In potentiodynamischen Polarisationsmessungen in SBF bei 37 °C wurden für die SLM-Proben leicht verringerte Korrosionsraten gegenüber dem Gusszustand ermittelt, was auf einen gleichmäßigeren Korrosionsangriff aufgrund des einphasigen austenitischen Gefüges sowie auf die weitgehend homogene Elementverteilung in der mittels SLM verarbeiteten Legierung zurückzuführen ist. Weiterhin gelang es in dem Forschungsvorhaben erste generische Stentdemonstratoren zu fertigen und diese erfolgreich mit humanen Endothelzellen (HUVEC) zu besiedeln. Dabei wurde deutlich, dass die initiale Deckschichtbildung einen positiven Einfluss auf die Zellen hat, der sich nach 14 Tagen minimiert. Hierfür sind weiterführende Untersuchungen unter Perfusionsbedingungen notwendig. Darüber hinaus konnte in ersten Funktionstests eine Expansion der Stents mittels konventioneller Ballonkatheter erzielt werden. Statische Auslagerungsversuche der Stents in Tris-gepufferter Kochsalzlösung bei 37 °C zeigten bereits nach 56 Tagen einen fast vollständigen Abbau, was in Hinblick auf die angestrebten Degradationszeiträume für Stentapplikationen, bspw. für kardiovaskuläre Anwendungen, sehr aussichtsreich erscheint und weiterführend in entsprechenden Durchflussmodellen untersucht werden sollte. Die Ergebnisse des Vorhabens zeigen, dass bei den biodegradierbaren Legierungen insbesondere die gewählten Auslagerungsbedingungen sowohl für die Degradationsuntersuchungen als auch für die biologische Testung von entscheidender Bedeutung sind. Hier besteht noch weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der Entwicklung geeigneter In-vitro-Testmethoden für die FeMn-basierten Systeme.
Publications
- Biologisch abbaubare Eisenbasislegierungen und ihre Verwendung, DE 10 2015 204 112 A1
J. Hufenbach, U. Kühn, A. Gebert, J. Eckert
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.10.037) - Corrosion studies on Fe-30Mn-1C alloy in chloride-containing solutions with view to biomedical application, Materials and Corrosion 69 (2018) 167-177
A. Gebert, F. Kochta, A. Voß, S. Oswald, M. Fernandez-Barcia, U. Kühn, J. Hufenbach
(See online at https://doi.org/10.1002/maco.201709476) - S and B microalloying of biodegradable Fe-30Mn-1C - Effects on microstructure, tensile properties, in vitro degradation and cytotoxicity, Materials and Design 142 (2018) 22-35
J. Hufenbach, F. Kochta, H. Wendrock, A. Voß, L. Giebeler, S. Oswald, S. Pilz, U. Kühn, A. Lode, M. Gelinsky, A. Gebert
(See online at https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.01.005) - Effect of Selective Laser Melting on Microstructure, Mechanical, and Corrosion Properties of Biodegradable FeMnCS for Implant Applications, Advanced Engineering Materials (2020) 2000182
J. Hufenbach, J. Sander, F. Kochta, S. Pilz, A. Voß, U. Kühn, A. Gebert
(See online at https://doi.org/10.1002/adem.202000182)
