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

• Antragstellerinnen: Dr. Annett Gebert; Dr. Juliane Salbach-Hirsch
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458057521

Massive metallische Gläser (BMG) auf Ti-Cu-Basis sind aussichtsreiche neue Materialien für Knochenimplantate in der Orthopädie, Unfall- und Zahnchirurgie, vor allem begründet durch ihre hohe mechanische Biofunktionalität. Jedoch ist im Vergleich zu derzeit klinisch verwendeten Materialien ihre Biokompatibilität noch nicht ausreichend. Ein Schwerpunkt aktueller Forschungstätigkeit ist deshalb die Entwicklung von Konzepten für nanoskalige Oberflächenflächenmodifizierungen, die den heutigen komplexen Anforderungen an Multibiofunktionalität gerecht werden. In der ersten Projektförderphase wurden elektrochemische (anodische) Verfahren zum Wachstum nanoporöser Oxidschichten auf BMGs bei gleichzeitiger Abreicherung von Cu-Spezies in oberflächennahen Bereichen entwickelt. Diese wirken effektiv passivierend und können kritische Lochkorrosion in (normalen) physiologischen Medien unterdrücken. Die mechanischen Eigenschaften werden durch diese Schichten nicht beeinträchtigt und die Zytokompatibilität wird verbessert. Aufbauend auf diesen Ergebnissen zielt das Fortsetzungsvorhaben auf die Entwicklung nanoskaliger Schichtsysteme auf Ti-Cu-basierten massiven metallischen Gläsern zur weiteren Erhöhung ihrer Biokompatibilität ab. Im Vorhaben werden zwei aussichtsreiche massivglasbildende Ti-Cu-Legierungen untersucht, deren Herstellung am IFW Dresden etabliert ist. Unter Verwendung der bisherigen Oxidschichten als Zwischenschichten werden mit chemischen Beschichtungsmethoden basierend auf ALD (atomic layer deposition) weitere biofunktionale Schichtlagen erzeugt. Die zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen sowie Schicht – Eigenschaftsbeziehungen werden beschrieben. Im Fokus steht das Verständnis des Einflusses der Oberfläche des metastabilen Glassubstrats auf die jeweiligen initialen Keimbildungs- und Schichtwachstumsprozesse und daraus resultierender Morphologie, Dicke, Kristallinität sowie Haftung der Beschichtungen. Die entwickelten Schichtsysteme sollen eine hohe Korrosionsresistenz auch unter aggressiveren inflammatorischen physiologischen Bedingungen gewährleisten und die Verschleißeigenschaften der BMG-Oberflächen erhöhen. In zellbiologischen Studien werden zelluläre Interaktionen mit den modifizierten metallischen Glasoberflächen untersucht. Die ALD-Oxidschichten bieten definierte chemische und topographische Oberflächeneigenschaften, die das Anhaften, Überleben und die Differenzierung von Osteoblasten begünstigen können. Geprüft wird, inwieweit lösliche Materialanteile und Oberflächenzustände zelluläre Signalwege beeinflussen und durch Modulation pro-osteogener Zytokine zur Knochenneubildung beitragen können. Die Zytokompatibilität und potenziell immunmodulatorische Effekte werden in Mono- und Ko-Kultursystemen mit Osteoblasten und Osteoklasten unter standardisierten Bedingungen bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Martina Zimmermann