Gesamtziel des Verbundvorhabens:

Ziel des Vorhabens „Verbund von Oxidkeramiken mit neuartigen Titanlegierungen mittels Glaslottechnologie zur Generierung hybrider Implantate (HYTIMOX)“ ist es, durch einen stoffschlüssigen Glaslotverbund, Oxidkeramiken und Metalle (Titanlegierungen) zu einem Hybridmaterial zu verbinden, die für Implantate des Stütz- und Bewegungsapparates genutzt werden können. Die Titankomponenten werden additiv durch selektives Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting; LBM) bzw. durch Pulverspritzguss (Metal Injection Melting; MIM) gefertigt. Es sollen neue ternäre Titan/Niob/Tantal (TiNbTa)-Legierungspulver generiert werden, die einen verbesserten Knochen-Implantat-Kontakt ermöglichen. Wesentliche Unterschiede der zu entwickelnden Legierungen sollen in ihrer elementaren Zusammensetzung sowie ihrer Phasenkonstruktion vorliegen. Als Referenz dient die häufig eingesetzte TiAl6V4-Legierung, die sowohl konventionell als auch mittels laseradditiver Fertigung verarbeitet werden kann.

Für den stoffschlüssigen Verbund der TiNbTa-Legierungen mit einer Oxidkeramik (Mischkeramik aus Al₂0₃ und ZrO₂) ist ein geeignetes Glaslot auf SiO₂-Basis erforderlich, welches anhand seiner Verbundfestigkeit experimentell bestimmt wird. Die am besten geeignete TiNbTa-Legierung wird für die nachfolgenden Arbeiten herangezogen.

Die Technologie wird zunächst auf eine vereinfachte Geometrie (Implantat-Probekörper) übertragen, um entsprechende mechanische Stabilitäts- und Haft- bzw. Scherfestigkeitstests durchzuführen. Zudem werden die Bauteile zusätzlich mit einer Glaslotbeschichtung versehen, um das Anwachsen von Knochenzellen an die Implantatoberfläche zu steigern. Glaslotbeschichtete und unbeschichtete Hybridmaterialien werden hinsichtlich ihrer Biokompatibilität und Osteokonduktivität zellbiologisch charakterisiert. Anschließend wird der Prozess einer stoffschlüssigen Verbindung von Keramik und Titan mittels Glaslot beispielhaft auf einen Funktionsdemonstrator einer Knieendoprothese übertragen, da in diesem Bereich ein besonderer Bedarf an funktionalen, abriebarmen und bioverträglichen Materialverbünden besteht.

Abbildung 1: Darstellung möglicher Ausführungsformeiner hybriden Knieendoprothese mit einer Gleitfläche aus Keramik und einer konventionell gefertigten Titan-Komponente auf der Knochenseite, welche mittels Glaslot-Technologie verbunden ist.

Erfahrungen mit einem stoffschlüssigen Verbund hybrider Materialien wurden bereits mit dentalen Hybridimplantaten gesammelt (siehe unten).