Senkung des korrosiven Angriffs in den Konus-Schnittstellen modularer Endoprothesen durch gezielte Oberflächenstrukturierung mittels Warmfestwalzen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Professor Dr. Jan Philippe Kretzer
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382919963

Als Schnittstellen zwischen den Einzelkomponenten von modular aufgebauten Endoprothesen hat sich der selbsthemmende Morse-Kegel-Verband aus dem Maschinenbau etabliert, der bei der physiologischen Beanspruchung enormen Belastungen unterliegt. Als Werkstoff kommt vor allem der biokompatible, metallische Implantatwerkstoff Ti6Al4V mit bioinerten Eigenschaften zum Einsatz. Während der Beanspruchung entstehen in den Fügestellen Mikrobewegungen zwischen den Titan(Basis)-Komponenten, die zu reibkorrosiven Prozessen (Spannungsriss-, Reib- oder mechanisch induzierte Spaltkorrosion) und Materialversagen führen können. Im Rahmen des Projektes soll mittels eines Warmfestwalzens neben der mit dem Prozess einhergehenden Werkstoffverfestigung gezielt eine Oberflächentopographie eingebracht werden. Zudem soll mittels einer dem Festwalzen direkt voreilenden induktiven Wärmebehandlung der unmittelbare Oberflächenbereich des Kegels definiert erweicht werden, damit im Zuge des Fügens der Komponenten, die erweichte strukturierte Kegeloberfläche plastische verformen kann (Selbst-Akkomodieren der Fügestelle). Auf diese Weise wird ein lokales Abdichten des Fügespaltes gegen Eindringen korrosiver Gelenkflüssigkeit erzielt (weniger oxidative Reaktion). Zudem werden lokal eine Werkstoffverfestigung erreicht und stabile Druckeigenspannungen induziert. Durch die Festwalzbehandlung reduzieren sich in der Folge die Korrosionprozesse in Form von Ionenfreisetzung, volumetrischem Verschleiß und oberflächlichem Materialangriff an modularen Schnittstellen. Zudem steigert die konsekutive lokale thermische und mechanische Behandlung die Korrosionsfestigkeit zusätzlich gegenüber einer reinen mechanischen Oberflächenbehandlung. Aufgabe im Rahmen des Projektes ist nun (a) die Gestalt des Schaftes in Kombination mit den Parametern für die mechanische Oberflächenbearbeitung und (b) die lokale induktive Wärmebe-handlung so zu wählen, dass das optimale Ergebnis im Hinblick auf die Reibermüdung und -korrosion erreicht wird. Die im Zuge des Projektes gewonnenen Erkenntnisse erlauben es Implantatherstellern in der Folge, dem bislang ungelösten Problem des reibkorrosiven Verschleißes zu begegnen und letztlich die historisch etablierten Konus-Schnittstellen den Belastungen moderner Implantatsysteme anzupassen. Schließlich zielt das Projekt auf die Minimierung material- und designbedingter Implantatausfälle ab, vor dem Hintergrund, die Belastung des Patienten und des Gesundheitssystems zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Stefan Dietrich