Ti-Legierungen mit biokompatiblen mechanischen und antibakteriellen Eigenschaften

Abstract

Aufgrund einer zunehmend alternden Gesellschaft und wachsender Weltbevölkerung steigt die Nachfrage nach biomedizinischen Implantaten stetig an. Titan und seine Legierungen sind derzeit die bevorzugten Materialien für mechanisch belastete Implantate, da sie hervorragende Biokompatibilität, beeindruckende Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen. Allerdings führt eine deutliche Diskrepanz zwischen dem Elastizitätsmodul (E-Modul) von Titan (~100 GPa) und menschlichem Knochen (~30GPa) zum “stress shielding”-Effekt, welcher eine Lockerung und letztendlich das Versagen des Implantats verursachen kann. Ein weiteres Problem sind bakterielle Infektionen in der Nähe des Implantats, die dessen Entfernung notwendig machen können. Diese Arbeit umfasst die Herstellung von Legierungen mit verringertem E-Modul sowie Untersuchungen über die Beimengung von antibakteriellem Kupfer und dessen Auswirkungen. Dabei wurden unterschiedliche Herstellungsprozesse und Ausgangsprodukte verwendet, um eine homogene Verteilung der Legierungselemente in den Proben zu erreichen. Zudem wurde Wolfram als potenzielles Legierungselement getestet, da es verwandte Eigenschaften zu sonst üblichen Zusätzen aufweist und in der Literatur diesbezüglich wenig Beachtung findet. Die Messungen des E-Moduls wurden mit Hilfe eines neu etablierten zerstörungsfreien Messaufbaus durchgeführt, welcher auf der Detektion von Ultraschallwellen basiert. Trotz Schwierigkeiten bei der Legierungsherstellung konnten mit der Legierungszusammensetzung Ti-29Nb-13Ta-4,5Zr (TNTZ) E-Moduli von 55 GPa erreicht werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Zugabe von Kupfer zu einer signifikanten Erhöhung der Härte, aber auch des E-Moduls führt. Entsprechende Proben sind dabei von einer intermetallischen Ti2Cu-Phase geprägt, welche sich klar vom sonst bestehenden β-Titan abhebt. Durch gezielte Wärmebehandlung kann die Ausbildung dieser Phase variiert werden. Die Beimengung von Wolfram zeigt deutlich den β-stabilisierenden Charakter dieses Legierungselements. Erhöhter Wolfram-Gehalt führt ebenfalls zu gesteigerter Härte und verbesserter Korrosionsbeständigkeit gegenüber Ätzmitteln. Eine Absenkung des E-Moduls wurde jedoch nicht beobachtet; stattdessen kommt es zu einer geringfügigen Erhöhung. Diese Ergebnisse erweitern das Verständnis der Auswirkungen einer Kupferzugabe auf Titanlegierungen mit niedrigem E-Modul und könnten zur Entwicklung von Implantaten mit geeigneten mechanischen und antibakteriellen Eigenschaften beitragen.

Due to an aging society and a growing global population, the demand for biomedical implants continues to rise. Titanium and its alloys are currently the preferred materials for load-bearing implants owing to their excellent biocompatibility, impressive corrosion resistance, and strong mechanical properties. However, a mismatch between the Young's modulus of titanium (~100 GPa) and human bone (~30 GPa) can lead to the effect of stress shielding, potentially resulting in implant loosening and eventual failure. Another problem is bacterial infections in proximity to the implant, which may necessitate removal. This work involves the production of alloys with decreased Young's modulus, as well as investigations into the incorporation of antibacterial copper and its effects on the alloys. Notably, various manufacturing processes and raw materials were used to achieve a homogeneous distribution of alloying elements in the samples. Additionally, tungsten was tested as a potential alloying element due to its similar properties to commonly used additives and its limited usage in the literature. Young's modulus measurements were performed on a newly established nondestructive testing setup using ultrasonic sound waves. Despite difficulties in alloy fabrication, Young's moduli as low as 55 GPa were achieved with the Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr (TNTZ) alloy composition. Furthermore, it was shown that the addition of copper leads to a significant increase in hardness but also in Young's modulus. These samples typically exhibited the formation of an intermetallic Ti2Cu phase, which is clearly distinct from the existing β-titanium phase. The formation of this phase can be varied through targeted heat treatment. By incorporating tungsten into separate samples, the β-stabilizing effect of this alloying element could be demonstrated. Increased tungsten content also led to enhanced hardness and improved corrosion resistance against etching agents. However, a reduction in Young's modulus was not observed; instead, there was a slight increase. These results further the understanding of the impact of copper addition on low modulus titanium alloys and could aid in designing implants with suitable mechanical and antibacterial properties.