Design und Herstellung eines gradierten hochreinen Magnesium-Calcium-Zink-Werkstoffes mittels fraktioneller Kristallisation für den potentiellen Einsatz als biodegradierbarer Implantatwerkstoff
Biomaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens war das grundlagenwissenschaftliche Design und die Herstellung eines biodegradierbaren, gradierten hochreinen Mg-Ca-Zn- Werkstoffs mittels fraktioneller Kristallisation für den potenziellen Einsatz als Implantatwerkstoff. Dieser sollte lokal über den Querschnitt eingestellte heterogene Mikrostrukturen, Zusammensetzungen und Korrosionseigenschaften aufweisen. Das Forschungsvorhaben fokussierte dabei auf Mg-Ca-Zn Legierungen mit optimierten Ca- und Zn-Gehalten von ca. 0–1 Gew.-% Ca und 0–1 Gew.-% Zn und den Einsatz der Cooled-Finger Technik. Zur Untersuchung der Auswirkung des innovativen fraktionellen Kristallisationsverfahrens („Cooled-Finger Technik“) auf das Gefüge und somit auf das Korrosionsverhalten, wurden zuerst Legierungen mit homogener chemischer Zusammensetzung mittels Cooled-Finger Verfahren hergestellt und mit konventioneller Schmelztechnik und Schwerkraftkokillenguss verglichen. Es wurden Legierungen mit 3N und 4N Mg-Reinheitsgraden zur Untersuchung des Einflusses der Verunreinigung auf das Korrosionsverhalten hergestellt. Es wurden erstmals gradierte Cooled Finger Legierungen mittels kontinuierlicher Zugabe einer Ca-Zn-Vorlegierung in das Mg-Schmelzbad hergestellt („Mehrschichtwerkstoffe“). Dabei wurden Variationen hinsichtlich Reinheit, Legierungsgehalt und Prozessparameter vorgenommen, um u.a. Defekte (z.B. Poren, oxidische Einschlüsse) beim Legieren zu reduzieren. Hinsichtlich der Gradientenbildung durch die Cooled-Finger Technologie konnte erstmalig gezeigt werden, dass ein Konzentrationsgradient von 0 bis 1 Gew.-% Ca und 1 Gew.-% Zn erreicht werden kann. Zur Quantifizierung der Korrosionskinetik und Untersuchung der Korrosionsmechanismen wurden die Legierungen mittels in-vitro Degradationsversuchen in Hanks’ balanced salt solution (HBSS) bei 37 °C (elektro-)chemisch und mikrostrukturell analysiert. Generell konnte der Einfluss von Verunreinigungen zwischen 3N zu 4N-Probenqualitäten bei gleichen Legierungsgehalten anhand einer reduzierten Korrosionskinetik nachgewiesen werden. Die gradierten Cooled-Finger Legierungen zeigten eine Beschleunigung der Degradationsgeschwindigkeiten mit steigenden Legierungsgehalten. Ab höheren Ca- und Zn- Gehalten in Form von Zweitphasenanteilen von mehr als 2 % konnte ein dominierender Mechanismenwechsel von Flächenkorrosion zu vornehmlicher mikrogalvanischer Kopplung beobachtet werden. Innerhalb von Langzeitversuchen wurde beim Passieren eines Gradientensprungs eine beschleunigte Korrosionskinetik beobachtet. Insgesamt konnten erstmalig gradierte Mg-Ca-Zn Mehrschichtwerkstoffe mittels fraktioneller Kristallisation grundlagenwissenschaftlich entwickelt und hergestellt werden. Es wurden erste Zusammenhänge zwischen Herstellungsparametern, Mikrostrukturentwicklung und Eigenschaftsmechanismen identifiziert. Dies ermöglicht zukünftig weitere Forschungsaktivitäten zum Verständnis und gezielter Mikrostrukturentwicklung degradierbarer Mg-Ca-Zn Implantatwerkstoffe.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Feasibility of Employing the Cooled Finger, a Fractional Crystallization Method for the Purification of Magnesium. Journal of Sustainable Metallurgy, 8(3), 1276-1289.
Rodriguez-Rojas, Martin J.; Friedrich, Semiramis & Friedrich, Bernd
