Entwicklung und Charakterisierung bioresorbierbarer FeMnAg-Werkstoffe für den SLM-Prozess

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Guido Grundmeier; Dr. Jessica Meißner, seit 10/2020; Professor Dr.-Ing. Mirko Schaper
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Biomaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414365989

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zur Steigerung der Degradationsrate von Eisen-Manganlegierungen (FeMn), entsprechend den Anforderungen an Werkstoffe für abbaubare Implantate, erfolgt eine Modifikation mit Phasen einer degradierbaren Silberlegierung. Die neu entwickelte, biokompatible und degradierbare Silber-Calcium-Lanthanlegierung (AgCaLa) hat ein höheres elektrochemisches Potential als die eisenbasierte Matrix und ist geeignet, eine beschleunigte anodische Auflösung der FeMn-Matrix hervorzurufen. Die Verarbeitung der unlöslichen Komponenten FeMn und AgCaLa mittels selektiven Laserstrahlschmelzens (SLM) ermöglicht die Anpassung von Morphologie und Zusammensetzung der AgCaLa-Phasen. Ein im Projekt generiertes qualitatives Modell der Interaktion der unlöslichen Komponenten während des SLM-Prozesses ermöglicht die gezielte Anpassung. Dieses Modell kann auf andere Anwendungsfälle übertragen werden. Die prinzipielle Wirksamkeit der Modifikation mit AgCaLa-Phasen ist nachgewiesen, da bei neutralen pH-Werten schmale Spalte um die AgCaLa-Phasen entstehen und die Abtragsrate bei niedrigen pH-Werten erhöht ist. Bei neutralen pH-Werten ist die Abtragsrate jedoch nicht erhöht. Ursächlich für die Ineffektivität der AgCaLa-Phasen ist die Bildung einer die Degradation inhibierenden Schicht. Die Ausprägung dieser Schicht wird signifikant durch die Zusammensetzung der umgebenden Lösung beeinflusst. Phosphate und höhere Konzentrationen von Phosphaten in der Oberflächenschicht resultieren in einer verstärkten Barrierefunktion. Zudem wird die Schicht durch eingebaute Proteine beeinflusst. Die Adsorption der Proteine ist vom pH-Wert abhängig, da für pH6 eine stärkere Proteinadsorption im Vergleich zu pH8 auftritt. Insgesamt ist die Degradation unter den für den Anwendungsfall relevanten Bedingungen nicht beschleunigt. Aufgrund der signifikanten Abhängigkeit von den Immersionsbedingungen, könnte der Werkstoff dennoch für ausgewählte, noch nicht betrachtete Anwendungsfälle geeignet sein. Die Ergebnisse hinsichtlich der Biokompatibilität von FeMn-AgCaLa sind vielversprechend, da die Zellvitalität und Zellteilung für Bindegewebszellen, Immunzellen und Endothelzellen nicht beeinträchtigt werden. Lediglich für Knochenzellen tritt eine Verminderung auf. FeMn-AgCaLa wirkt antibakteriell und nicht immuntoxisch oder funktionseinschränkend auf Immunzellen. Zusammenfassend ist die im Projekt entwickelte FeMn-AgCaLa Legierung für die Herstellung degradierbarer Implantate geeignet. Allerdings ist ein Mechanismus zur Unterdrückung der Bildung inhibierender Schichten notwendig, um die Effektivität der Silberphasen zu ermöglichen. Der Potentialunterschied zwischen FeMn und Ag führt zu einer partiellen anodischen Auflösung der Matrix, aber die Bildung von Schichten inhibiert eine effektive Steigerung der Degradationsrate unter den spezifischen Immersionsbedingungen bei neutralem pH-Wert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Degradation of additively processed iron-silver materials for resorbable implants, Vortrag, 6th Euro BioMAT 2021, 05.-06.05.2021, online
  J.T. Krüger, K.P. Hoyer, M. Schaper
  
• Novel AgCa and AgCaLa alloys for Fe-based bioresorbable implants with adapted degradation. Journal of Alloys and Compounds, 871, 159544.
  Krüger, Jan Tobias; Hoyer, Kay-Peter; Filor, Viviane; Pramanik, Sudipta; Kietzmann, Manfred; Meißner, Jessica & Schaper, Mirko
  
• Adjustment of AgCaLa Phases in a FeMn Matrix via LBM for Implants with Adapted Degradation. Crystals, 12(8), 1146.
  Krüger, Jan Tobias
  
• Bioresorbable AgCe and AgCeLa alloys for adapted Fe-based implants. Materials Letters, 306, 130890.
  Krüger, Jan Tobias; Hoyer, Kay-Peter & Schaper, Mirko
  
• FeMn with Phases of a Degradable Ag Alloy for Residue-Free and Adapted Bioresorbability. Journal of Functional Biomaterials, 13(4), 185.
  Krüger, Jan Tobias; Hoyer, Kay-Peter; Huang, Jingyuan; Filor, Viviane; Mateus-Vargas, Rafael Hernan; Oltmanns, Hilke; Meißner, Jessica; Grundmeier, Guido & Schaper, Mirko
  
• Formation of insoluble silver-phases in an iron-manganese matrix for bioresorbable implants using varying laser beam melting strategies. Journal of Materials Research and Technology, 19, 2369-2387.
  Krüger, Jan Tobias; Hoyer, Kay-Peter; Hengsbach, Florian & Schaper, Mirko
  
• Influence of Hydrogel Coatings on Corrosion and Fatigue of Iron in Simulated Body Fluid, Poster, EUROCORR 2022 - Corrosion in a Changing World: Energy, Mobility, Digitalization, 28.8-01.09.2022, Berlin, Deutschland
  J. Huang
  
• Influence of proteins on the corrosion of a conventional and selective laser beam melted FeMn alloy in physiological electrolytes. Corrosion Science, 200, 110186.
  Huang, Jingyuan; Gonzalez, Orive Alejandro; Krüger, Jan Tobias; Hoyer, Kay-Peter; Keller, Adrian & Grundmeier, Guido
  
• Modification of Iron with Degradable Silver Phases Processed via Laser Beam Melting for Implants with Adapted Degradation Rate. Advanced Engineering Materials, 25(3).
  Krüger, Jan Tobias; Hoyer, Kay-Peter; Andreiev, Anatolii; Schaper, Mirko & Zinn, Carolin
  
• Processing of immiscible iron-silvermaterials via laser beam melting, Vortrag, TMS 2022 Annual Meeting & Exhibition, 27.02.-03.03.2022, Los Angeles / Anaheim, Californien, USA (online)
  J.T. Krüger, M. Dreyer, K.P. Hoyer, M. Schaper