Ärzte Zeitung online, 17.08.2010

Nanokorrosion löst Beschichtungen von Gelenkprothesen

ZÜRICH (eb). Extrem harte Beschichtungen aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC) verlängern bei Werkzeugen und Bauteilen die Einsatzdauer. Bei Gelenksimplantaten können DLC-Schichten allerdings versagen, weil sie sich ablösen. Forscher aus Zürich fanden nun heraus, warum - und entwickelten Verfahren, mit denen die Lebensdauer einer Prothese vorhersagbar ist, zumindest für die DLC-Schicht.

Nanokorrosion löst Beschichtungen von Gelenkprothesen

Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme: Durch Spannungsrisskorrosion wächst in der nur fünf Nanometer dicken Reaktionsschicht aus Metallkarbiden langsam ein Riss, der zum Ablösen der DLC-Schicht vom Implantat aus Kobalt-Chrom-Molybdän (CoCrMo) führt.

© Empa

Ob auf Computerfestplatten, Sägeblättern, Prägewerkzeugen, Rasierklingen oder Einspritzdüsen: Extrem harte Schichten aus diamantartigem Kohlenstoff (englisch: diamond-like carbon, DLC) bewähren sich schon seit geraumer Zeit. Sie vermindern den Abrieb und verleihen Werkzeugen und Bauteilen deshalb eine längere Einsatzdauer. Was liegt also näher, als DLC auch auf medizinische Implantate wie künstliche Gelenke aufzubringen, dachten sich verschiedene Implantathersteller. Denn auch hier ist Abrieb ein Problem.

In den Labors hatte DLC dann schnell etliche In-vitro-Tests bestanden und sich als körperverträglich, extrem abriebfest und resistent gegen das relativ aggressive Körpermilieu erwiesen. Implantiert in den menschlichen Körper traten jedoch schon nach wenigen Jahren gravierende Probleme auf: Die DLC-Schichten hatten sich ohne erkennbaren Grund vom Implantatmaterial gelöst.

Die Forscher nahmen sich besonders akribisch die Grenzflächen vor

In einem von der Förderagentur für Innovation (KTI), der Medizinaltechnikfirma Synthes und der Beschichtungsfirma Ionbond unterstützten Projekt gingen Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalten (Empa) Ursachen für das Implantatversagen auf den Grund. Dazu untersuchten sie die Grenzflächen zwischen Implantatmaterial und Beschichtung.

"Beim Zusammenfügen zweier Materialien entsteht in der Grenzfläche eine nur wenige Atomlagen dünne Reaktionsschicht - und somit ein neues Material, das wir nun erstmals genau untersucht haben", erklärte Roland Hauert von der Abteilung Nanoscale Materials Science der Empa. Sein Team konnte nachweisen, dass diese bisher kaum beachtete Reaktionsschicht im Körper nicht immer korrosionsstabil ist.

Die Folge: Es kann zu einem Ablösen der DLC-Schicht kommen. So können durch Spannungsrisskorrosion entstandene Risse in der Reaktionsschicht durch mechanische Belastung und eindringende Körperflüssigkeit langsam weiterwachsen und dadurch nach und nach zum Ablösen der DLC-Schicht führen.

In anderen Fällen war Spaltkorrosion für die Schädigung der Reaktionsschicht verantwortlich. Dabei bildet sich in feinen Spalten mit der Zeit ein aggressives, saures Medium, das allmählich die Reaktionsschicht oder die zusätzlich aufgebrachte Haftvermittlungsschicht zerfrisst, was ebenfalls zum Ablösen der DLC-Schicht führt.

Die Forscher entwickelten auch gleich ein Verfahren, um Lebensdauer zu bestimmen

Das Empa-Team entwickelte mit ihren Industriepartnern auch gleich eine korrosionsstabile Zwischenschicht an der Grenzfläche zum DLC und zudem ein Verfahren, mit dem sich die Geschwindigkeit des Risswachstums bei Spannungsrisskorrosion unter körperähnlichen Bedingungen sowie die Zersetzungsrate der Reaktionsschicht bei Spaltkorrosion bestimmen lässt. "Daraus lässt sich dann die zu erwartende Lebensdauer der beschichteten Implantate im menschlichen Körper berechnen", so Hauert in einer Mitteilung der Empa. Ob ein DLC-beschichtetes Implantat im Körper vorzeitig versagen würde, kann also in Zukunft schon während der Produktentwicklung erkannt werden.

Pressemitteilung der Empa mit Kontaktdaten bei weiteren Fragen (PDF)

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