Oberflächenfunktionalisierung von medizinischen Implantaten

Die mechanischen Eigenschaften von Knochenimplantaten sollen möglichst nahe an denen von Knochen liegen, wobei dann eine entsprechend suboptimale Oberflächenhärte und Verschleißresistenz, insbesondere von rostfreien Edelstählen und Titanlegierungen in Kauf genommen wird. Entsprechende Oberflächenmodifizierungen können hier positive Veränderungen hervorrufen, wobei aber speziell auf die Grenzfläche der funktionalisierten Oberfläche zum Substrat, eventuelle Rissbildungen oder Defekten in der Oberflächenschicht sowie eine ausreichende Lebensdauer, d.h. Schichtdicke geachtet werden muss. Gleichzeitig kann durch eine solche Modifizierung die Korrosionsrate und damit die Freisetzung von Ionen aus dem Implantat verringert werden. Bei der Optimierung der physikalischen und tribologischen Eigenschaften ist darauf zu achten, dass durch die biologische Umgebung Veränderungen im Passivierungsverhalten oder im Reibwert auftreten können, die bei konventionellen Experimenten nicht mit berücksichtigt werden.

O-Implantation

Medizinische Implantate aus Titanlegierungen besitzen eine relativ gute Biokompatibilität, die auf die natürliche Oxidschicht zurückgeführt wird. Durch Sauerstoff – PBII kann die Stärke der Oxidschicht auf das Zehnfache erhöht werden, wodurch die Biokompatibilität weiter verbessert wird, da diese durch PBII hergestellte Schicht, eine Rutilstruktur aufweist, werden dabei auch die tribologischen Eigenschaften mit verbessert.

Kniegelenk

N-Implantation

Eine wesentlich verbesserte tribologische Schutzschicht lässt sich in Titanlegierungen durch Stickstoffimplantation aufweisen. Dabei kommt es zur Ausbildung von TiN-Hartstoffschichten in der originalen Implantatoberfläche. Wird dies mit der preiswerten PBII-Technologie durchgeführt, so ergibt sich durch die maximal verwendbaren Ionenenergien von bis zu 40keV aber eine relativ dünne TiN-Schicht, die zwar für geringe Lasten eine Steigerung der Standzeiten bis um den Faktor 1000 und mehr ergab, aber zum Beispiel bei Kniegelenken, die wesentlich höheren Lasten ausgesetzt sind, nicht ausreichend dick sind, um die Standzeiterhöhung zu gewährleisten.

Kniegelenk 2

N-Implantation und TiN-Beschichtung

Bei der Kombination von N-Implantion und TiN-Beschichtung in einem PBII-Prozess mit Metall- und Stickstoffplasmen sollten durch die Möglichkeit einer dickeren Abscheidung von TiN bei gleichzeitiger N-Implantation die Vorteile von PBII und einer reaktiven Schichtabscheidung gewünschter Dicke kombiniert werden können, d.h. extrem hohe Haftung der Schicht durch Ionenunterstützung der Abscheidung bei Beginn des Prozesses, dem sogenannten „ion mixing“ in der Grenzfläche und dem erforderlichen Schichtdicken-wachstum bis zur gewünschten Gesamtdicke.

Hüftgelenk

Ca-Implantation

Die Oberflächenmodifikation durch Implantation von Ca oder P sowie durch Doppelimplantation beider Elemente ist möglich. Oberflächennahe Ca Implantation bewirkt eine starke Oxidation der Oberflächenschicht. Ausscheidungen der metastabilen hexagonalen Modifikation von Ca wurden in größerer Tiefe bei Implantation mit höherer Energie beobachtet. Die Implantation hoher P-Dosen führt zur Amorphisierung des Oberflächenbereiches. Hydroxylapatit (HA) bildet sich in Oberflächen, die mit Ca und P implantiert wurden, erst bei einer geeigneten Nachbehandlung. Die Reaktivität bezüglich der Bildung von HA hängt stark von der Art des Nachbehandlungsprozesses ab. Hydrothermische Oxidation in einem Wasserdampf-Autoklaven bei 200°C für 2 h führt zur Bildung von HA in Form charakteristischer Nadelkristalle.

Ca Implantationsprofil

Cu/Ag-Implantation

Die Anwendung von Kupfer ist in der Medizin weit verbreitet. Es wirkt als Bakterizid, Algizid, Fungizid, antiviral und anti-fouling. Die Oberflächenfunktionalisierung mit Kupfer ist relativ einfach durch Ionenimplantation von Kupferionen möglich und von dauerhafter Wirkung. Das menschliche Gewebe weist eine geringe Sensitivität gegenüber Kupfer auf (Haut, Intrauterinpessar…eukaryotische Zellen), während eine hohe Sensitivität von Mikroorganismen (z.B. Bakterien, prokaryotische Zellen) gegenüber Kupfer besteht. Das Kupfer wird beim Implantationsprozess nur wenige zehn nm unter der Oberfläche eingebaut. Die Rolle von Ag wird gegenwärtig noch widersprüchlich hinsichtlich der Körperverträglichkeit bewertet.

Cu Implantationsprofil