Tribooxidation eines mit Zirkoniumnitrid beschichteten Knieexplantats im Vergleich mit einem in-vitro beanspruchten Implantat

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Julia Rau
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514540103

Künstliche Gelenke sind fortwährender tribologischer Belastung sowie Einflüsse des menschlichen Körpers ausgesetzt. Diese Bedingungen können zu dramatischen Änderungen in der Oberflächenmikrostruktur und -chemie und damit veränderten Eigenschaften führen. Oft beobachtet in tribologischen Kontakten ist die tribologisch-induzierte Oxidation, deren grundlegende Mechanismen bis heute noch nicht vollständig verstanden sind was ein strategisches Design von (tribo-) oxidationsbeständigen Materialien verhindert. Eine der Hypothesen für Oxidation unter Gleiten sind Defekte im Material (z.B. Versetzungen), welche als schnelle Diffusionspfade dienen. Dies wurde bereits in einem einfachen Kupfer-Saphir Modellkontakt beobachtet. In dem hier vorgeschlagenen Projekt soll diese Hypothese für einen anwendungsnäheren Kontakt überprüft werden – ein künstliches Kniegelenk. Dies besteht aus einem CoCrMo Basiswerkstoff und einer bis zu 7 µm dünnen Multilagenschicht mit einer finalen ZrN Schicht (genannt AS-Schicht). Muss ein Implantat aus verschiedensten Gründen explantiert werden, ist es notwendig die Ursache dieses Versagens zu ermitteln um Abhilfemaßnahmen für die Zukunft abzuleiten. Die Oberfläche der Explantate weist oft einen erhöhten Sauerstoffgehalt auf, welcher für die artikulierenden Flächen unterschiedlich ist, als für die nicht im Kontakt befindlichen Stellen. Bis heute ist dieses Verhalten und seine Auswirkungen noch nicht verstanden. Oft werden In-vitro Tests im Labor durchgeführt um die tribologischen Eigenschaften zu untersuchen. Zum jetzigen Zeitpunkt ist ein hochaufgelöster Vergleich der Oberflächenmikrostruktur und chemischen Zusammensetzung von In-vitro Proben und Explantaten – nach dem besten Wissen der Bewerberin – nicht durchgeführt worden. Drei Fragen werden in diesem Projekt untersucht: 1. Ist die Theorie von Versetzungskernen als schnelle Sauerstoffdiffusionspfaden anwendbar auf ein AS-beschichtetes Explantat? 2. Was ist der Unterschied zwischen der Mikrostruktur und der chemischen Zusammensetzung zwischen der artikulierenden und nicht-artikulierenden Fläche? 3. Sind eine ähnliche chemische Zusammensetzung und mikrostrukturelle Merkmale in einer In-vitro Probe zu erkennen, wie im Explantat? Diese werden mittels Elektronenmikroskopie und Atomsondentomographie adressiert, welche die nötige Auflösung zur Beantwortung aufweisen. Kenntnisse über die Prozesse im Kontakt könnten z.B. für die Schichtentwicklung für die Materialauswahl oder die Schichtdicke und -mikrostruktur relevant sein. Der Vergleich zwischen In-Vitro Probe und Explantat erlaubt Aussagen über die Qualität der aktuellen Prüfmethoden zu treffen. Zeigt sich, dass die Theorie der schnellen Diffusionspfade auch für komplexere Kontakte gilt, ließe das generellere Aussagen für andere Materialien zu. Auf lange Sicht können dadurch Gestaltungsrichtlinien für die Auswahl von Materialien und deren Mikrostrukturen getroffen werden welche geringere Reibung und Verschleiß aufweisen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Schweden
• Gastgeber: Professor Dr. Mattias Thuvander