Mechanismen der Metallauflösung und Oxidbildung von wärmebehandeltem, additiv hergestelltem Co28Cr6Mo in Aminosäure-, Protein- und simulierten Entzündungsumgebungen für biomedizinische Anwendungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. René Daniel Pütz
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 581145531

Metallische Implantate verbessern die Lebensqualität von Patienten, da sie Schmerzen reduzieren und die Gelenkfunktion wiederherstellen. Dennoch treten Versagensfälle durch mechanische Belastung, Korrosion sowie chemische Reaktionen infolge von Abriebpartikeln und Ionenfreisetzung auf. CoCrMo-Legierungen gehören aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsresistenz, die durch eine schützende Oxidschicht gewährleistet wird, zu den wichtigsten Werkstoffen für Hüft- und Knieprothesen. Langzeit(tribo)korrosion kann jedoch zur Freisetzung von Metallionen und Nanopartikeln führen, die Entzündungsreaktionen auslösen und die Lebensdauer der Implantate verringern. Die additive Fertigung (AM), insbesondere die Laser Powder Bed Fusion (LPBF), ermöglicht die Herstellung individuell angepasster CoCrMo-Implantate mit gefeinter Mikrostruktur und verbesserten Eigenschaften gegenüber konventionellen Verfahren. Der LPBF-Prozess beeinflusst Mikrostrukturelemente wie Korngröße, Phasenverteilung und Eigenspannungen, die das Korrosions- und Verschleißverhalten maßgeblich bestimmen. Wärmebehandlungen nach der LPBF-Fertigung steuern das Verhältnis von γ-(fcc)- zu ε-(hcp)-Phasen sowie die Bildung intermetallischer Ausscheidungen und Karbide, den Abbau von Eigenspannungen und das Kornwachstum, wodurch mechanische und elektrochemische Stabilität gezielt eingestellt werden können. Trotz zunehmender Forschung fehlen systematische Untersuchungen, wie unterschiedliche Wärmebehandlungen die Korrosionsmechanismen von AM-gefertigten CoCrMo-Legierungen beeinflussen. Zudem werden komplexe physiologische Bedingungen mit organischen Komponenten wie Aminosäuren und Proteinen häufig vernachlässigt, obwohl diese die Oberflächenreaktionen deutlich verändern. Proteinadsorption kann die Passivschicht stabilisieren oder durch Ausbildung von Metall-Protein-Komplexen die Auflösung beschleunigen, abhängig von Proteinart und Konzentration. Dieses Projekt untersucht LPBF-gefertigtes Co28Cr6Mo nach verschiedenen Wärmebehandlungen unter simulierten physiologischen Bedingungen, die Aminosäuren, Proteine und Oxidationsmittel (H₂O₂) enthalten, um entzündliche Zustände nachzubilden. Mithilfe elektrochemischer Tests, Metallauflösungsanalysen und Oberflächencharakterisierung wird der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur, Passivierung und Korrosionsverhalten ermittelt. Zusätzlich werden tribokorrosive Wechselwirkungen analysiert, um den Einfluss von Proteinen auf die Bildung und die Schutzwirkung von Reibschichten während des Gleitkontakts zu bewerten. Die Ergebnisse sollen ein tieferes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen liefern und zur Entwicklung fortschrittlicher CoCrMo-Implantate beitragen.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeberin: Professorin Dr. Yolanda Hedberg