Bionik - Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur-, Ingenieur- und Geisteswissenschaft

Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren (S. 351-352)

Eckart Exner, Clemens Müller, Harald Schmidt
Institut für Materialwissenschaften, Technische Universität Darmstadt

Zusammenfassung

Reintitan und einige Titanlegierungen werden als Ersatz für mechanisch hochbelastete Teile in den menschlichen Körper eingebaut. Die positiven Eigenschaften wie exzellente Biokompatibilität und hoher Korrosionswiderstand werden in einigen Anwendungen durch unzureichende mechanische Stabilität eingeschränkt. Diese Problematik wird an zwei Beispielen aufgezeigt: Bei Gelenkprothesen führt häufig der Verschleiß bei Reibung gegen den als Gegenkörper eingesetzten Kunststoff zum Ausfall. Durch Ionenimplantation von Stickstoff und Kohlenstoff wird der Verschleißwiderstand wesentlich erhöht. Im Zahnersatz wird ein Unterbau aus Titan aus ästhetischen Gründen und zum Verschleißschutz durch eine Keramikauflage verblendet. Kritisch für den Einsatz ist, ob diese Maßnahmen andere Eigenschaften, und zwar vor allem die Ermüdungslebensdauer und den Korrosionswiderstand, in nicht zulässigem Maß verändern. Forschungsergebnisse, die in Zusammenarbeit verschiedener Institutionen gewonnen wurden, lassen Schädigungsmechanismen besser verstehen und liefern die Grundlage zu Verbesserungen und neuen Anwendungen von Titanwerkstoffen in der Humanmedizin.

Abstract

Titanium for joint and dental prosthesis: wear and fatigue as life-time limiting factors. Titanium and some of its alloys are used in replacements of highly loaded parts of the human body. Advantageous properties like excellent biocompatibility and high corrosion resistance are often impaired by insufficient mechanical stability. This problem is shown for two examples. In joint replacements, when a titanium alloy is sliding against a polymer used as partner material, excessive wear may limit the lifetime. Scratching can be significantly reduced by ion implantation, particularly with nitrogen or carbon. In tooth replacements, a titanium substrate is covered by a ceramic layer not only to improve the metal against wear but also for aesthetic appearance. In these applications such measures may alter other relevant properties like fatigue life and corrosion resistance to a nontolerable degree. Research carried out in cooperation of a number of institutions helps to understand damaging mechanisms and provides the fundamental knowledge for improvements and new applications of titanium materials in medical technology.

1. Einführung

Tabelle 1 zeigt einen Überblick über die Entwicklung der Humanimplantation. In den letzten 25 Jahren hat die Entwicklung medizinischer Instrumente und der Ersatz von Teilen des menschlichen Körpers (Organen, Knochen und Zähnen) entscheidende Fortschritte gemacht. Abb. 1 zeigt einige typische Implantate im menschlichen Körper. Titan hat sich in vielen Fällen als erste Wahl unter möglichen Werkstoffen erwiesen [1 - 5]. Konkurrenten sind vor allem rostfreie Stähle, Kobaltlegierungen und neuerdings auch keramische Materialien. Die gegenüber Knochen sehr hohe Steifigkeit (hoher Elastizitätsmodul) dieser Materialien, die vor allem bei Patienten mit Metallallergie problematische Biokompatibilität von Stählen und Kobaltlegierungen und die hohe Sprödigkeit der Keramik sind wesentliche Gründe, dass Titan oft der Vorzug gegeben wird, beispielsweise für künstliche Herzklappen, die weltweit pro Jahr etwa 60.000 Patienten eingepflanzt werden, für Elektroden von Herzschrittmachern oder für Stabilisierungselemente der Wirbelsäule.

Arthritis, meistens rheumatisch oder degenerativ bedingt, Nekrose und Krebs können Finger-, Ellbogen-, Hüft- oder Kniegelenke zerstören, und oft ist der chirurgische Weg mit dem vollständigen Ersatz der betroffenen Gelenkteile die beste oder sogar einzige Möglichkeit, die Schmerzen zu beseitigen und ein hohes Maß an Beweglichkeit zu erhalten. Auch im Kauapparat verlangt der Teil- oder Vollersatz von Zähnen oder Kieferteilen eine Kombination von speziellen Eigenschaften, die neben den Edelmetallen auch Titan aufweist. Bevorzugte Einsatzgebiete des Titans und einiger seiner Legierungen liegen deshalb im orthopädischen Bereich und im Zahnersatz. Titan und Titanlegierungen erfüllen zwei wesentliche Voraussetzungen zum Dauereinsatz im menschlichen Körper: Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität. Eine nur wenige Nanometer (ein Milliardstel eines Meters) dicke Oxidschicht an der Oberfläche schützt das Metall vor dem Angriff von Körperflüssigkeiten aller Art und führt dazu, dass das Wirtsgewebe das Implantat nicht oder nur sehr langsam abstößt und nicht von ihm beschädigt wird. In vielen Fällen wird sogar eine gute Anbindung oder das Einwachsen von Knochengewebe in geeignete Oberflächenstrukturen beobachtet.