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									                                       Struktur und
                                    Eigenschaften der
                                       Materialien
                                         Vorlesung Teil 3: Biomaterialien




Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst
                                           Biomaterialforschung
Biomaterialforschung ist interdisziplinär, sie umfasst die Materialwissenschaften, Medizin und
Biologie. In gemeinsamen Anstrengungen dieser Teildisziplinen werden optimale Materialien
und Vorrichtungen zur Anwendung am Menschen entwickelt.




  Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst
                                         Definitionen


Biowerkstoffe
Künstliche Werkstoffe, die über die Zeitdauer des
Kontaktes zwischen Werkstoff und Biosystem „bio-
verträglich“ sind. Sie werden z.B. als Werkstoffe für
Implantate in der Humanmedizin verwendet.




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                                         Biomaterialien

       Biomaterialien sind keine Materialien biologischen Ursprungs.
       Vielmehr sind Biomaterialien definitionsgemäß syn-thetische
       Materialien für medizinische Hilfsmittel und Geräte, die mit
       Körpergewebe oder mit Körperflüssig-keiten in Kontakt kommen.
               Spritzen und Katheder, die täglich tausendfach eingesetzt
                werden.




               aber auch künstliche Organe und Unterstützungssysteme, die
                ganz oder teilweise die Funktion eines Körperorgans über-
                nehmen.



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                                         Biokompatibilität
              Verträglichkeit zwischen einem technischen und
              einem biologischen System.

                Sie gliedert sich in:
               die Strukturkompatibilität
                (Anpassung der Implantatstruktur an das menschliche
                Verhalten des Empfängergewebes)
                und
               die Oberflächenkompatibilität
                (Anpassung der chemischen, physikalischen, biolo-
                gischen und morphologischen Oberflächeneigen-
                schaften des Implantates an das Empfängergewebe)


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                                         Einsatzgebiete




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                                         Biofunktionalität

           Lastübertragung
           Gelenkersatz (Reibung, Tribologie, Schmie-
            rung, Verschleiß)
           Transport von Flüssigkeiten
           Optische und akustische Übertragung
           Kontrolle der Freisetzung von Arzneistoffen
            (controlled drug-delivery systems)


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                               Entwicklung von Biomaterialien

1.         Generation: Industriewerkstoffe, ausgeprägte
           Fremdkörper/Entzündungsreaktion

2.         Generation: inerte Werkstoffe

3.         Generation: bioaktiv, metabolisch induktiv
           (Wachstumsanregung ortsständiges Gewebe)

4.         Generation: Zell-Werkstoff-Verbund (vital-avital) z.B.:
           Transplantationwerkstoffe für Leberzellen.



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                                         Werkstoffe




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                                          Metalle
Implantierte Metalle sind je nach Einsatzgebiet unterschied-
lichen Belastungen ausgesetzt.
Knochengewebe  mechanische Belastungen Blutgefäße
 chemische Beanspruchungen
Die Biokompatibilität eines Werkstoffes ist im wesentlichen
von folgenden Größen abhängig:
    Oberflächeneigenschaften (z.B. uneben, glatt oder po-
      rig),
    chemischen Eigenschaften (z.B. hydrophil, hydrophob,
      Korrosionsneigung),
    mechanischen Eigenschaften (z.B. Elastizität, Biege-
      steifigkeit)
    und Geometrie (z.B. scharfe Kanten).



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                                         Biokompatible Metalle
Zuerst verwendete man Gold, Silber und Platin.
Diese Edelmetalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie che-
misch inert sind und deshalb mit Gewebe oder Blut nicht
reagieren. Andererseits sind diese Metalle sehr weich und
können nur geringen mechanischen Belastungen ausgesetzt
werden.

20er Jahre: Entwicklung von VA Stahl: konnte höhere
            mechanische Belastungen vertragen.

1936:                            molybydänhaltige Gußlegierung auf Kobalt- und
                                 Chrombasis: verhält sich im Körper inert.

Seit 1940 : cp (commercially pure) Titan.

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                                         Biokompatible Metalle
      Einsatzbereich:
      Knie-, Hüft- und Schulterprothesen, als Fixationselemente
      zur Stabilisierung von Frakturen und als Stents,
      Schrauben und Drähte.




                    Künstliches Hüftgelenk                                    stents
            www.landkreis-kassel-kliniken.de/ Seiten/helma...   www.tracheostomy.com/ surgery/stents.htm



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                                         Biokompatible Metalle


        Die Eignung eines Metalls zur Implantation ist
        von folgenden drei Kriterien u.a. abhängig:

        1. mechanische Festigkeit
        2. Korrosionsbeständigkeit
        3. Biokompatibilität




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                                             Metalle

    Mechanische Festigkeit
     Gewährleistung einer dauerhaften Kraftübertragung zwi-
     schen Implantat und Körpergewebe sowie möglichst kno-
     chenähnliche Implantatsteifigkeit.

    Korrosionsbeständigkeit
     Vermeidung der korrosiven Implantatschädigung durch die
     Wahl elektrochemisch stabiler Werkstoffe.

    Biokompatibilität
     Keine Schädigung des Empfängergewebes durch den Im-
     plantatwerkstoff oder durch primäre Korrosionsprodukte und
     Abriebpartikel. Oberflächen- und Strukturkompatibilität.

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                                         Metalle
       Aufgrund der oben genannten Anforderungen
       haben sich für den klinischen Einsatz folgende
       Metalle durchgesetzt:

            Rostfreie Stähle (VA-Stahl)

            Kobalt-Basislegierungen

            cp (commercially pure) Titan und Titan-
             legierungen


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                                             Rostfreie Stähle
     Hauptsächlich hochlegierter Stahl mit 17-20% Chrom, 12-
      14% Nickel und 2-4% Molybdän.
     Niedriger Kohlenstoffgehalt (max. 0.03%) verhindert die
      Ausscheidung von Chromkarbid an den Korngrenzen und
      fördert Beständigkeit gegen interkristalline Spannungs-
      risskorrosion.
     Im geschmiedeten Zustand: austenitische Kristallstruktur.
      Durch Zulegieren von 2-4 Gew.% Molybdän wird die Be-
      ständigkeit gegen Lochfraßkorrosion erhöht.
     Duplexstähle (25Cr-7Ni-4Mo-N): höherer Molybdän- und
      Stickstoffgehalt als die austenitischen Stähle und somit
      beständiger gegen Lochfraß- und Spaltkorrosion.


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                                         Korrosionsbeständigkeit
       Bildung eines dünnen Passivfilms (1-5 nm) auf der Werk-
        stoffoberfläche, der eine allgemeine Korrosion in der Regel
        verhindert.

       Bei Vorliegen von lokalen mechanischen Oberflächenzer-
        störungen, Heterogenitäten oder Verunreinigungen kann
        dieser Passivfilm durchbrochen werden. Unter spezifi-
        schen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise einer
        erhöhten Chloridkonzentration, können sich die Korro-
        sionsbedingungen drastisch ändern und durch eine stark
        erhöhte Passivierungs-stromdichte eine spontane Repas-
        sivierung der lokal zerstörten Werkstoffoberfläche verun-
        möglichen.


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                                         Kobaltlegierungen

       Seit 1929 Anwendung in der Medizin, z. B. bei Zahn-
       ersatzimplantaten.

       Die Hauptanwendungsgebiete von CoCr-Legierungen:

                      Orthopädie
                         Gelenkersatz oder

                         interne Fixation von Knochenbrüchen



                      kardiovaskuläre Chirurgie (Blutgefäßersatz)



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                              Klinische Anwendungen von Kobaltbasislegierungen

                             Legierung                        Anwendungen

CoCrMo (Gusslegierung)                              Gelenkersatz für Hüft-, Knie-, Ell-
                                                    bogen-, Schulter-, Knöchel- und Fin-
                                                    gergelenke, Knochenplatten und –
                                                    schrauben, künstliche Herzklappen




CoCrMo (Schmiedelegierung)                          Gelenkersatz

CoCrWNi (Schmiedelegierung)                         Gelenkersatz, Herzklappen, Drähte,
                                                    Chirurgische Instrumente


CoNiCrMo (Schmiedelegierung)                        Hüftgelenkschäfte


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                                 CoCr-Legierungen in der Medizin

   CoCrMo-Gusslegierungen: mehreren Phasenbestandteilen in
    kubisch flächenzentrierten Matrix.
    hoher Kohlenstoffgehalt  bei Erstarrung harte Mischkarbide (Cr
    und Mo) an Dendriten  hohe Abriebbeständigkeit
      nachträgliches Diffusionsglühen (1220 – 1230°C, 1h)
       verbessert Zähigkeit (zu hohe Glühtemperaturen: nachteiliger
       Effekt auf Festigkeit).

   CoCrMo-Schmiedelegierungen: kleine Korngröße und feine
    Karbidverteilung.
     hohe Ermüdungsfestigkeit
    Anwendung: Hüftgelenk-Endoprothetik.



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                                   CoCr-Legierungen in der Medizin

CoCrWNi-Legierungen: geringer Kohlenstoffgehalt 
feinkörniges Gefüge (kubisch-flächenzentrierte Mischkristalle).
Anwendung: Endoprothesen und chirurgische Instrumente
 CoNiCrMo-Legierungen: kubisch-flächenzentriertes Gefüge,
mechanische Verformung unterhalb 425°C induziert Bildung von
Bereichen mit hexagonaler Struktur in der metastabilen, kubisch-
flächenzentrierten Matrix.
    Hohe Festigkeit und Zähigkeit.
    Genügt nicht den Anforderungen an die
    Verschleissbeständigkeit für Endoprothesen-Kugeln 
    lediglich Schäfte. (Kugeln werden aus CoCrMo-Gusslegierung
    hergestellt und verschweißt.)


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                                         Korrosionsbeständigkeit
Trotz geringer Anfälligkeit auf allgemeine flächige Korrosion
wurde bei CoCr-Legierungen beobachtet, dass Ionen in Lö-
sung gehen und erhöhte Metallionenkonzentration im Blut
verursachen.
                Kombination von CoCr-Legierungen mit rostfreien
                 Stählen: deutliche Korrosion der Stahlkomponente
                Kombinationen von unterschiedlichen CoCr-Legie-
                 rungen: kein Angriff durch galvanische Korrosion
                keine Lochfraß- und Spaltkorrosion bei CoCr-Im-
                 plantaten
                über Empfindlichkeit auf Spannungsrisskorrosion
                 und Korrosionsermüdung ist wenig bekannt
                Korrosionsrate von CoCrMo-Legierungen: rund 26
                 µgcm²d-1
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                                         Korrosionsbeständigkeit




 Bioverträglicher Zahnersatz aus                    Kugelbeschichtung einer Knieprothese
 einer Co-Cr-Legierung                              aus einer CoCrMo- Gusslegierung
            www.zahn-technik.com/ fpage3.php                www.imagic.ch/.../ AWB_Industrie.php




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                                         Biokompatibilität

Partikel mit einem mittleren Durchmesser von < 10
µm können zelltoxisch wirken. Bei Patienten mit
Hüftgelenksprothesen aus rostfreiem Stahl oder
CoCr-Legierungen, die nach 2 bis 15 Jahren Be-
schwerden aufgrund von Prothesenlockerung und/
oder allergischen Reaktionen auf Cr, Co oder Ni
aufwiesen, wurde eine erhöhte Konzentration die-
ser Elemente im Blut und im Urin nachgewiesen.




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                                         Titanlegierungen
Reines Titan (commercially pure (cp) titanium) und die Legierungen
TiAI6V4 und TiAI6Nb7:
     cp Titan: unlegiertes Titan (a-Titan mit hexagonal dichtest gepack-
      ter Kristallstruktur) mit geringer Konzentration an Verunreinigungs-
      elementen wie Kohlenstoff, Eisen oder Sauerstoff.
         hoher Schmelzpunkt; im geschmolzenen Zustand werden

          zusätzliche Verunreinigungen aufgenommen, weshalb es in
          einem Vakuumofen geschmolzen wird.
         geringe Festigkeit, hohe Zähigkeit


               TiAI6V4 : durch nachträgliche Wärmebehandlung 
                 Zweiphasenlegierung mit gleichmäßiger Verteilung der
                 Mischkristallphasen
                   erhöhte Festigkeit und verbesserte Ermüdungseigenschaften

                   im gegossenen Zustand nach der Abkühlung: lamellare Dup-

                    lexstruktur (a- und b-Lamellen)
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                         Biokompatibilität Titan und Titanlegierungen
 Faktoren für die Biokompatibilität:
           • Bildung einer stabilen und reinen TiO2-Schicht.

           • Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Gewebereaktion:
                • messbare Bindung zwischen Implantat und Knochen bei
                Oberflächenrauhigkeiten >22 µm.
                Sowohl an porösen wie auch auf glatten TiAIV-Oberflächen
                konnte, nach zementfreier Implantation, das Anwachsen von
                Knochen beobachtet werden.

           • toxische Wirkung von Vanadium in TiAI6V4-Legierung:
                • im Körpermilieu thermodynamisch instabil, geht in Lösung.

                     • VO2 wird innerhalb von 24 Std aus dem Körper ausge-
                     schieden.
                      jahrzehntelange klinische Erfahrung: keine gravierenden
                        toxischen Effekte
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                                   Biokompatibilität Titan und Titanlegierungen




                                                                                       Epple S. 45


   Das Wirkungsprinzip der Endopore-                  Titan-Implantate mit individueller
   Verankerung: Poröses Gefüge aus                    Geometrie zur Schädeldefektbe-
   verschweißten Titan-Kügelchen.                     handlung.
    www.girrbach.de/.../ endopore/endopore.php?f=1
                                                      (CranioConstruct Bochum; CCB)



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                                         Synthetische Polymere

      Klinischer Einsatz von synthetischen Polymeren
        60-er Jahre in Form von Einwegartikeln, wie beispielsweise
         Spritzen und Kathetern
        Die Einführung der medizinischen Einwegartikel aus Polymeren
         erfolgte aus ökonomischen und aus hygienischen Gründen.

      Anwendung
       preisgünstige Einwegartikel (nur kurzzeitig intrakorporal einge-

        setzt)
       Implantate (über eine längere Zeit großen Beanspruchungen im
        menschlichen Körper ausgesetzt)




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                                         Synthetische Polymere

   Beispiele




   Künstliches Hüftgelenk mit UHMWPE Kalotte              Künstliche Blutgefäße aus PTFE

          www.ruhr-uni-bochum.de/.../ plasmatechnik.htm   wundforum-bremen.de/.../ lexigefaessprothese.php




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                                         Synthetische Polymere




                              Hart-PVC
                        www.sport1.de/coremedia/ pics


                                                                 Blutbeutel
                                                                 www.kv-kl-land.drk.de/
                                                               helfen/so_koennen_sie_h...




                                                                                       Künstliche Herz-
                                                                                       klappe aus PU
                       PE-Schläuche                                                    http://www.bvmed.de/bilderpool/Bilder_
      http://www.intra-online.de/de/index.html, April 2005 .                           Medizinprodukte/Gefaesschirurgie/articl
                                                                                       e/Gefaessprothese.html, April 2005 .

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                                         Synthetische Polymere

                          Polymere werden daher in fast allen
                          medizinischen Bereichen eingesetzt.

         Hauptanwendungsgebiete :

                Therapie
                    Langzeit- und Kurzzeitimplantate, wie z.B. künstliche
                    Blutgefässe, künstliche Herzklappen, Katheter oder
                    Nahtmaterial
                    Kontrollierte therapeutische Systeme
                    Neue Technologien für Gewebekulturen in vitro
                    Separation von Blutbestandteilen
                Diagnostik
                    Diagnostik-Hilfsmittel für die klinische Labortestung.



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                                         Biokompatible Polymere
    Für die medizinische Nutzung der Polymere bestehen
    spezielle Anforderungen:
                    Biokompatibilität
                    Prozessierbarkeit mit konventionellen Herstellungs-
                     methoden (Spritzguß, Extrudieren, Hohlkörperblasen,
                     Warmformen)
                    genügend hohe mechanische Eigenschaften
                    Sterilisierbarkeit (g - Strahlung, Dampfsterilisation,
                     chemische Substanzen)
                    Langzeitstabilität in vivo
                    möglichst frei von Additiven (Weichmacher, Antioxi-
                     dantien, Stabilisatoren)
                    Verwendung von "medical grade" Polymeren


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                                         Natürliche Polymere

            Kollagen

           Tierisches Kollagen wird in unterschiedlicher Form
           in der Medizin eingesetzt. Dieses biokompatible
           Protein findet Anwendung als Blutgefäßersatz,
           Bänder- und Sehnenersatz, Corneaimplantat, Dia-
           lysemembran und als Wundabdeckung.




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                                         Natürliche Polymere


    Chitin und Chitosan
    Chitin ist in der Natur weit verbreitet und als Nebenpro-
    dukt der Lebensmittelindustrie (aus Garnelenschalen zu
    gewinnen) ein billiges Rohmaterial mit einem breiten Nut-
    zungsspektrum. Chitin bzw. das Deacetylierungsprodukt
    Chitosan findet Anwendung in der Kosmetik, Biotechnolo-
    gie und der Medizin (künstliche Blutgefäße und Haut,
    Wundbedeckung, abbaubares Nahtmaterial, Controlled
    Release Systems, Kontaktlinsen).




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                                         Natürliche Polymere


             Fibrin
             Fibrin- bzw. fibrinogenhaltige Substanzen zur Blut-
             stillung und Wundversorgung wurden erstmals im
             Jahre 1915 eingesetzt. Die Eigenschaften des "Ge-
             webeklebstoffs" wurden später durch Zusatz vom
             fibrinstabilisierenden Faktor XIII und Antifibrinolytika
             verbessert.




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                                     Biodegradable Polymere
    Einsatz:
          Chirurgie
           chirurgische Nahtfäden, temporäre Klebstoffe, temporäre
           Membranen, Osteosyntheseplatten, Träger für Zellen
           (scaffolds)




                                         Anwendung: Nahtmaterial
                                         http://www.3sat.de/3sat.php?http://www.3sat.de/nano/c
                                         stuecke/63714/.




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                                          Biodegradable Polymere
       •           Pharmazie
                   Trägerwerkstoff für kontrollierte therapeutische Systeme

       Prinzipiell sollen bei optimaler Anwendung die Degradations-
           produkte des Polymers nach Funktionserfüllung in den biolo-
           gischen Kreislauf des menschlichen Körpers aufgenommen
           werden.

Man unterscheidet vier unterschiedliche Degradationsmechanismen:

       1.          Polymerauflösung,
       2.          unspezifische Hydrolyse,
       3.          enzymatische Degradation und
       4.          Dissoziation von Polymer-Polymer-Komplexen.



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                                         Biodegradable Polymere



      a. Polylactide (PLA) und Polyglykolide (PGA)

      b. Polyhydroxyalkanoate (PHA)

      c. Polycaprolacton (PCL), Polyanhydride, Polyorthoester




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                     Biokompatible keramische Werkstoffe


      Unter dem Begriff der Biokeramiken werden
      biokompatible Werkstoffe, hauptsächlich be-
      stehend aus Al- bzw. Zr-Oxid, Calciumphos-
      phaten oder bioaktiven Gläsern / Glaskera-
      miken, zusammengefasst.
      Sie finden vor allem im Zusammenhang mit
      Knochen, Gelenken und Zähnen Anwendung.




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                                         a- Al2O3 (Korund)

          Implantate bestehen aus feinkörnigem, polykristallinem, bei ca.
          1800°C gesintertem Al2O3:
               Korund besitzt eine hexagonal dichteste Kugelpackung (hdp),
                2/3 der Oktaederlücken sind mit O besetzt.
               hohe Dichte: 3.9 - 4 g/cm3
               hohe Korrosionsbeständigkeit
               hohe Verschleißbeständigkeit / extreme Härte
               Mögliche Verunreinigungen beeinträchtigen die Festigkeit und
                Korrosionsbeständigkeit: MgO, CaO, Fe2O3, NaO2 und SiO2.
               Die ISO-Norm 6474 begrenzt die Gehaltssumme von NaO2 und
                SiO2 auf 0.1 Gew.%.




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                                         a- Al2O3 (Korund)

      Klinische Anwendung

      Verwendung in Kombination mit ultrahochmolekularem
      Polyethylen (UHMWPE) für Hüftgelenk-Endoprothesen:
                                  Al2O3-Kugeln mit UHMWPE-Pfannen.

      Das Problem des Abriebs ist bisher ungelöst. Neuere
      Entwicklungen, wie z.B. andere Werkstoffkombina-
      tionen und optimiertes Design, werden möglicherweise
      dieses Problem mindern oder ganz beseitigen.



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                                           a- Al2O3 (Korund)




            Keramische Prothesen                              Hüftgelenk aus Aluminiumoxid
            aus Aluminiumoxid                                 http://www.keramverband.de/keramik/pdf/02/sem02_03.pdf , S.
                                                              42. 16.04.2005
            http://www.ceramtec.de/intl/e4med/ta=e4med*626/
            la=en/ta0=gb*107/ta1=e3*335/le=2/ , 16.04.2005



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                                         ZrO2

 Tetragonale ZrO2-Hochtemperaturphase
                stabilisiert durch Y2O3 (Tetragonal Zirconia Polycrystalline)
                 bzw. MgO (Partially Stabilized Zirconia) Dotierung


 TZP:
                Korngröße <1µm bewirkt hohe Biege- und Zugfestigkeit)



   Erst seit kurzer Zeit in der klinischen Anwendung, daher bisher keine
                      Ergebnisse aus Langzeitstudien.




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                                             ZrO2


                                                      Zirkonoxid-Keramik-Implantat




                                                   Dental-Prothesen-Gerüst aus Zirkonoxid




                                         http://www.schoenheit-und-medizin.de/aesthetische_operationen/zirkonoxid_zahnersatz.htm , 16.04.2005




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                                         Hydroxylapatit (HAp)
Aufgrund der geringen Festigkeit ist HAp [Ca5(PO4)3OH, RG: P63/m;
a,b = 9.42, c = 6.88] nur für nicht lasttragende Anwendungen geeignet.

HAp wird als Knochenersatzwerkstoff und im Dentalbereich in Form
von Pulvern oder Beschichtungen (oder auch bei Mittelohrimplantaten)
eingesetzt, da es folgende positive Eigenschaften besitzt:

               keine Bildung von fibrillärem Gewebe
               rasches Anwachsen von Knochengewebe
               Ausbildung einer Verbindung zwischen Implantat und Gewebe
                mit hoher Festigkeit.
               verkürzte Heilungsphase
               reduzierte Freisetzung metallischer Ionen



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                                           Hydroxylapatit (HAp)




Keramischer Knochenersatz aus Hydroxylapatit
                                                        Zementfreie Titan-Hüfttotalendo-
                                                        prothese mit Hydroxylapatit (HA)-
                                                        Beschichtung
                                                        Größenanpassung durch anatomi-
                                                        sche Studien
                                                        Schaft, Kopf & Pfanne

                                                        www.gruenewaldklinik.de/ hofgartenklinik/hueft...
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                                         CaPO4-Phasen
    Die verschiedenen CaPO4-Phasen unterscheiden sich u.a. in der
    Löslichkeit, die durch folgende Faktoren beeinflusst wird:
              niedriger pH-Wert führt zu einer erhöhten Löslichkeit.
              große (spezifische) Oberfläche führt zu einer erhöhten
               Löslichkeit
              Gitterdefekte durch Verunreinigungen oder Leerstellen erhöhen
               die Löslichkeit
              Substitution: OH durch F vermindert die Löslichkeit
              pH < 4.2: Dicalciumphosphatdihydrat (DCPD, Brushit) ist die
               stabilste Phase
              pH > 4.2: HAp

    Beschichtungen:
    Die Beschichtung eines lasttragenden Implantates mit HAp soll das
    Einwachsen von Gewebe fördern und somit den Kontakt zwischen
    Implantat und umgebendem Gewebe verfestigen.
    Folgende Beschichtungsmethoden werden angewandt:
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                                Auswahl von klinisch eingesetzten biokeramischen
                                Werkstoffen und ihre medizinische Anwendungsgebiete

            Biokeramische                      Medizinische Anwendungsgebiete
              Werkstoffe
                                               Hüftgelenkskugeln, Dentalimplantate,
Aluminiumoxid (A1203)                          Gesichtschirurgie, Mittelohrimplantate


Zirkonoxid                                     Hüftgelenkskugel
                                               Orthopädische Implantate,
Hydroxylapatit                                 Knochenersatz, Ohrimplantate,
                                               Dentalimplantate, Wirbelersatz

                                               Implantate für die Gesichtschirurgie,
                                               Dentalimplantate und Glaskeramiken,
Bioaktive Gläser                               Knochenersatz, Wirbelersatz,
                                               Orthopädische Implantate


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                                         Bioglas

 Hauptvorteil der Biogläser ist die rasche und direkte An-
 bindung an den Knochen. In vitro- und in vivo-Untersu-
 chungen haben gezeigt, dass sich auf der Oberfläche von
 Biogläsern eine carbonatreiche Apatitschicht abscheidet,
 die auf eine Reihe von Ionenaustausch- und Lösungs-
 Wiederausscheidungs-Reaktionen zurückzuführen ist.

 Nachteile von Biogläsern sind ihre geringen mechanischen
 Eigenschaften und ihre geringe Bruchzähigkeit, weshalb
 diese Werkstoffe als Bauteile für lasttragende Implantate
 nicht geeignet sind.



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                                         Bioglas




                                                   Qelle: Prof. Biesalski, Uni Freiburg



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                             Knochenbildung an der Bioglasoberfläche




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                            Knochenbildung an der Bioglasoberfläche




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                        Biokompatible Faserverbundwerkstoffe

    Durch Einbettung von Kohlenstofffasern in eine thermo-
    plastische Matrix wird eine räumliche Variation der ma-
    kroskopischen mechanischen Eigenschaften induziert
    (Anisotropie).
    Faserverbundwerkstoffe zeigen weitere positive Eigen-
    schaften:
        Allergierisiko: keine allergischen Reaktionen durch
         freigesetzte Metallionen zu erwarten.
        Röntgentransparenz: gegebenenfalls Beimengung
         von Kontrastmitteln
        Artefaktfreiheit in modernen diagnostischen Verfah-
         ren, wie z.B. CT oder NMR


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                              Biokompatible Faserverbundwerkstoffe




6 µm dicke Kohlenstoff-
Faser im Vergleich zu
einem 50 µm dicken Men-
schenhaar
de.wikipedia.org/ wiki/Kohlenstofffaser
                                                Röntgenliege hergestellt
                                                aus einem Kohlenstofffa-
                                                ser-UD-Prepreg mit Ep-
                                                oxidharz
                                                www.krempel.com/krempel_ 2002_de/faser7.htm
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                                         Matrix

   Funktion der Matrix
   (Epoxidharze, Polysulfon,Polyamide, PEEK):

                  mechanisches Stützen der Faser
                  Kraftübertragung von Faser zu Faser
                  Festigkeit bei Beanspruchung senkrecht zur
                   Faserrichtung
                  Schutz vor aggressiven Medien
                  Schutz des Gewebes vor Faserpartikeln
                  Interphasen (Übergangsphasen) und Interfaces
                   (Grenzflächen)


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.                                     Hüftgelenk-Totalendoprothesen




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                                         Hüftschäfte

Gerad- und Bogenschaftprothesen
         Einsatz von Körperbau des Empfängers abhängig

Zementierte und zementfreie Schäfte
         zementiert: sofort belastbar, durch Wärme Abtöten
          von Vieren etc., aber kein Einwachsen möglich
         zementfrei: Einwachsen; Torsionsstabilisierung
          durch vieleckige Querschnitte




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                                            Hüftschäfte

                 Oberfläche:
                          je nach Einsetzung
                                     • rau (wg. Einwachsen) oder
                                     • glatt
                           auch Verträglichkeit des Patienten bestimmt
                           Beschichtung

                 Einsatzdauer: ca. 15-20a, dann setzt meist Lok-
                 kerung ein (bei Revisionsoperationen muß der
                 Knochen tiefer ausgehöhlt werden> Schaftlänge
                 bestimmend 130-190mm)



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                                                 Hüftpfanne
     Selbstschneidende und zementierte
     Hüftpannen
              Selbstschneidende: Außenschale aus
               Metalllegierung und Inlay meist aus Po-
               lyethylen
              Zementierte: häufig aus Polyethylen

     Form wird durch Anatomie des Patienten
      vorrangig bestimmt
     Oberflächengestaltung ist abhängig von
      Fixierungstechnik




                                             Exemplarisch: zementierte
                                             (links) und selbstschneidende
                                             (rechts) Hüftpfannen

    Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst
                                         Gelenkkugeln

      Gelenkkugeln
                    bestehen aus Keramik oder Metall

                     abhängig von der Hüftpfanne
                     Kombination wird unter tribologischen Gesichts-
                      punkten ausgewählt

                   werden nur auf den Hüftschaft aufgesteckt oder
                    mit diesem verschweißt




Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst
                             Hüftgelenkendoprothese (Beispiel)




Prof. Dr.-Ing. Dorothee Schroeder-Obst

								
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