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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 von 2022 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514540103
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Verständnis des Versagens von künstlichem Kniegelenkersatz ist in unserer wachsenden und gleichzeitig alternden Gesellschaft von enormer Relevanz. Häufig sind die zugrundeliegenden Prozesse im tribologischen Kontakt innerhalb des Körpers nur unzureichend verstanden. Eine Möglichkeit, die im Körper vorgehenden Prozesse sichtbarer zu machen, sind in-vitro Verschleißsimulationen in mechanischen Prüfapperaten im Labor. Dabei wird stets angestrebt, die Prozesse im Körper so gut es geht abzubilden. In der Vergangenheit gelang es durch die Variation von Implantatmaterialien sowie verschiedenen Schutzschichten, signifikante Verbesserungen der Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit zu erzielen. Eine dieser Schutzschichten auf einem Knieimplantat ist eine 7-lagige Schicht, bestehend aus abwechselnden CrN- und CrCN-Schichten mit einer obersten ZrN-Schicht, die als AS- Schicht bezeichnet wird und auf einem einem CoCrMo Basiswerkstoff aufgebracht wird. In dieser Arbeit wurde eine AS-beschichtete, in-vitro getestete Probe mit einem nach ca. 2 Jahren explantierten Implantat (sog. Explantat) verglichen. Besonderes Augenmerk lag dabei auf den ZrN-Oberflächen entstandenen Oxide, denen zuvor nur wenig Beachtung geschenkt wurde. Bisherige Praxis war es, das Verschleißverhalten aufgrund des weicheren Gegenkörpers (einer Polyethylengleitfläche) zu charakterisieren. Das hier untersuchte Explantat wurde aufgrund von vorzeitiger aseptischer Lockerung explantiert. Auffällig waren dabei Verfärbungen außerhalb der artikulierenden (im Kontakt stehenden) Flächen im Vergleich zu einer polierten, goldenen Fläche innerhalb der artikulierenden Bereiche. Die Ursache für diese Erscheinung war zum damaligen Zeitpunkt noch nicht vollständig verstanden. Durch die Kombination von hochauflösenden Charakterisierungsmethoden (Atomsondentomografie (APT), (Transmissions-) Elektronenmikroskopie (TEM/REM) und sekundärionen Massenspektrometrie (ToF-SIMS)) konnten die entstandenen Oxide bezüglich ihrer Mikrostruktur, chemischen Zusammensetzung und Dicke untersucht werden. Als Vergleichsprobe diente ein neues Implantat. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten Oxide auf allen Oberflächen, mit größeren Schichtdicken, als unter normalen Bedingungen an Luft bei Raumtemperatur erwartet werden würden. Folglich hat die Beanspruchung im Körper eine oxidierende Wirkung auf die Implantate. Genauere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Oxidation im menschlichen Körper nicht zu einem beschleunigten Verschleiß zu führen scheint. In-vitro Verschleißsimulationstests waren nicht in der Lage, die Oxidation auf dem Explantat in allen Faktoren zu reproduzieren, dennoch waren sich die meisten der entstandenen Oxide ähnlich. Es zeigte sich, dass die Farbe der Oxidschicht kein zuverlässiges Maß für deren Dicke ist. Zusätzlich gab es Hinweise darauf, dass die Oxidation des ZrN entlang von Versetzungen stattfinden könnte - ein Mechanismus, der auch in anderen Systemen, die tribologischinduzierte Oxidation zeigten, beobachtet wurde. Die hier gewonnenen Erkenntnisse über die zugrundeliegenden Mechanismen im Kontakt können beispielsweise für die weitere Schichtentwicklung relevant werden. Gezielt können so Mikrostrukturen eingestellt und Materialien ausgewählt werden. Auf lange Sicht könnte dies die Lebensdauer von künstlichem Kniegelenkersatz verbessern.

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