Entwicklung und Charakterisierung von biokompatiblen, hochporösen Titanschaumstrukturen - hergestellt auf pulvermetallurgischem Weg

Zielstellung:
Das Ziel des Projekts ist die Herstellung und Charakterisierung von biokompatiblen, offenporigen Metallschäumen, welche auf keramischem Wege und mit Hilfe von Biopolymeren hergestellt werden. Durch gezielte Kombination der Herstellungsparameter soll eine geeignete Morphologie, eine gute Durchströmbarkeit sowie mechanische Stabilität der Metallschäume erreicht werden.

Einleitung

Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wird Titan in vielen Industriebereichen erfolgreich angewendet. In der Luft- und Raumfahrtindustrie, der chemische Industrie sowie der Automobilindustrie wird das Titan in einem breiten Spektrum eingesetzt. Seine hervorragenden Korrosionsbeständigkeit, sehr guten mechanischen Eigenschaften sowie sehr gute Biokompatibilität riefen auch in der Biotechnologie für medizinische Implantate großes Interesse hervor Hier fällt zunehmend das Augenmerk auf die Wechselwirkung zwischen dem Implantat und dem Gewebe, wobei sich poröse Strukturen für die Verbindung zwischen dem Implantat und dem menschlichen Körper als äußerst geeignet erwiesen haben.
Der Trend die Natur nachzuahmen führte in den vergangen Jahren zu einer Reihe von Entwicklungen im Bereich der Metall- und Keramikschäume. Einer davon ist sich die Eigenschaften von Biopolymeren zur nutze zu machen, um schaumartige Strukturen zu bilden und diese über einen genügend langen Zeitraum zu stabilisieren.

Die Vielfalt der Biopolymere sowie ihre Verfügbarkeit verknüpft mit ihren schaumbildenden Eigenschaften bietet eine kostengünstige und flexible Alternative um schwammartige Strukturen herzustellen. Kombiniert mit einem ausgewählten Metallpulver und mittels ermittelter thermischer Behandlung werden geeignete mechanisch stabile schwammartige Strukturen erzeugt. Da der menschliche Knochen im Inneren wesentlich aus der schwammartig aufgebauten Substantia spongiosa besteht, können diese Strukturen für eine Optimierung der Wechselwirkung zwischen dem Implantat und dem Knochengewebe verwendet werden.

Herstellung

Abbildung 1: Überblick über den Herstellungsweg

© TUB, ES3

Für die Herstellung von hochporösen Titanschäumen werden ausgewählte Biopolymere mit Wasser, einem Dispergator sowie einem geeignetem Metallpulver verschäumt. Während der Verschämung bildet das Biopolymer ein dreidimensionales Netzwerk an dem das Metallpulver haftet. Durch die Verwendung eines ausgewählten Temperaturprogrammes erfolgen das Ausbrennen des Gerüstes sowie das Versintern der Metallpartikel.

Struktur nach Denaturierung

Abbildung 2: Denaturierung

© TUB, ES3

Struktur nach Ausbrennen und Sintern

Abbildung 3: Ausbrennen und Sintern

© TUB, ES3