Aktuelle Herausforderungen für Titanlegierungen in medizinischen Implantaten

Bei der Anwendung von Massivmetall-Implantatmaterialien sollten die Probleme der Knochenresorption und Implantatlockerung beachtet werden.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Implantate zu entwickeln, die im menschlichen Körper über längere Zeiträume funktionieren können, ohne dass eine erneute Operation erforderlich ist. Poröse medizinische Titanlegierungen sind aufgrund ihrer Leichtigkeit, Festigkeit, ihres niedrigen Elastizitätsmoduls, ihrer Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität zu den vielversprechendsten Materialien für Anwendungen geworden. Hüftprothesen aus Titanlegierung haben jedoch Probleme mit Ermüdungsmechanismen, die zu fast 90 % Oberflächenbruch führen und auch aufgrund von Korrosionsermüdung versagen können.

Daher verbesserten die Forscher die Ermüdungsfestigkeit und Lebensdauer der antibakteriellen und porösen Gerüste, indem sie der Titanlegierung Kupferelemente hinzufügten. Sie stellten poröses Cu-haltiges Ti6Al4V durch laserselektives Schmelzen her und untersuchten sein Korrosionsermüdungsverhalten in Luft und 0,9 Gew.-% NaCl-Lösung. Es wurde festgestellt, dass die Ausscheidung der Ti2Cu-Phase zu einer höheren Ermüdungsfestigkeit und längeren Lebensdauer von porösem Ti6Al4V-6Cu führte.

Diese Studie verwendete additive Fertigungstechnologie, um poröse Ti6Al4V-6Cu-Legierungsproben herzustellen, und untersuchte ihre statischen und Ermüdungseigenschaften sowie ihr Ermüdungsverhalten in einer korrosiven Umgebung. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Ti6Al4V-6Cu-Legierung bessere statische Druckeigenschaften aufweist als die reine Ti6Al4V-Legierung, insbesondere die Druckfestigkeit, die das 1,43-fache der Ti6Al4V-Legierung beträgt. Bei Ermüdungstests wird die Position des Rissanfangspunkts durch den Ermüdungszyklus beeinflusst, d. h., der Rissbeginn ist unter hohem Spannungszustand schneller. In der korrosiven Umgebung mit 0,9 Gew.-% NaCl ist der Hauptversagensmechanismus von Ti6Al4V-6Cu der interkristalline Bruch und der teilweise transkristalline Bruchmodus, der dem beschleunigten Risswachstum aufgrund von Korrosionsermüdung zugeschrieben wird. Zusammenfassend hat die poröse Ti6Al4V-6Cu-Probe eine längere Ermüdungslebensdauer als die Ti6Al4V-Legierungsprobe aufgrund des Effekts des zickzackförmigen Ermüdungsrisswachstums und der Ti2Cu-Phase, die nahe den Korngrenzen ausgeschieden wird.