Elektrochemische Nanostrukturierung von Oberflächen massiver metallischer Gläser auf Ti-Cu-Basis zur Verbesserung ihrer Biokompatibilität

• Antragstellerin: Dr. Annett Gebert
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458057521

Massive metallische Gläser (BMG) auf Ti-Cu-Basis sind wegen ihrer hohen mechanischen Biofunktionalität aussichtsreiche Materialien für Knochenimplantate im Bereich der Dentalmedizin und der Unfallchirurgie. Jedoch ist im Vergleich zu derzeit klinisch verwendeten Materialien ihre Biokompatibilität nicht ausreichend. Kritisch ist vor allem ihr hoher Cu-Gehalt, der zur lokalen Korrosion führen kann und in Folge, zur Freisetzung von zytotoxischen Spezies und zum mechanischen Materialversagen. Zudem gibt es bisher für diese BMGs noch keine zuverlässigen Konzepte zur Erzeugung bioaktiver Oberflächenzustände, die für Langzeitimplantate unabdingbar sind. Im beantragten Vorhaben soll ein Verfahren zur elektrochemischen Nanostrukturierung von Oberflächen mehrkomponentiger Ti-Cu-basierter BMGs entwickelt werden mit dem Ziel, deren Biokompatibilität und Korrosionsstabilität effektiv zu verbessern. Die Methode zielt darauf ab, die Konzentration der zur massiven Glasbildung notwendigen, jedoch hinsichtlich ihrer Biokompatibilität kritischen Legierungselemente im oberflächennahen Bereich signifikant zu reduzieren. Gleichzeitig sollen nanoporöse, vornehmlich oxidische Oberflächenstrukturen generiert werden, um die Korrosionsresistenz zu verbessern und die Knochenzellaktivität zu stimulieren. Die mechanischen Eigenschaften dürfen durch diese Oberflächenmodifizierungen nicht maßgeblich beeinträchtigt werden. Im Vorhaben werden zwei aussichtsreiche massivglasbildende Ti-Cu-Legierungen untersucht, deren Herstellung am IFW Dresden etabliert ist. Zur Nanostrukturierung steht die anodische Behandlung der Oberflächen in Halogenid-freien Lösungen im Fokus. Die Einflüsse von Prozessparametern auf die sich ausbildenden Oberflächenzustände werden untersucht und die Mechanismen der Oberflächenreaktionen beschrieben. Ein Schwerpunkt ist die Analyse des Einflusses derartiger Oberflächen auf das Korrosionsverhalten der BMGs in synthetischen physiologischen Medien. Insbesondere die Lochkorrosionsempfindlichkeit soll durch maßgeschneiderte oxidische Zustände reduziert werden. Mittels zellbiologischer Studien wird der Einfluss ausgewählter Oberflächenzustände auf das Verhalten von humanen mesenchymalen Stromazellen (hBMSC) und von Periodontalligament-Fibroblasten erstmalig fundamental bewertet. Exemplarisch wird für eine BMG-Legierung der Einfluss der Oberflächennanostrukturierung auf die mechanischen Eigenschaften im Druck und Zug überprüft. Im Ergebnis werden die grundlegenden Zusammenhänge zwischen strukturellen und chemischen Besonderheiten der massivglasbildenden Ti-Cu-basierten Legierungen, daraus sich ableitender Wege zur elektrochemischen Oberflächennanostrukturierung und resultierender fundamentaler korrosiver, mechanischer und zellbiologischer Eigenschaften beschrieben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen