Jan-Oliver Sass (Rostock), Paul Henke (Rostock), Dr. Daniel Kluess (Rostock), Dr. Cornelia Lork (Rostock), Jan Johannsen (Hamburg), Dr. Ulrich Lembke (Rostock), Dirk Pfuetzner (Rostock), Dr. Markus Weinmann (Goslar), Dr. Melanie Stenzel (Goslar), Prof. Rainer Bader (Rostock)
Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften)
Ein multifunktionaler Verbund aus einer Oxidkeramik und einer Titanlegierung sind vielversprechende Werkstoffkandidaten für Gelenkersatz-Implantate, indem diese die Korrosions- und Abriebbeständigkeit erhöhen und darüber hinaus die Knochen-Implantat-Interaktion verbessern [1,2].
Das Ziel dieser Studie war die mechanische Untersuchung von Hybridwerkstoffen aus einer ATZ Keramik und β-phasigem Ti-35Nb-6Ta, welches durch selektives Laserstrahlschmelzen hergestellt wurde. Weiterhin wurden Funktionsdemonstratoren, die den Flexionsbereich der Femurkomponente einer Knieendoprothese (Abb. 1A) darstellen, biomechanisch untersucht.
Der Verbund aus der ATZ Keramik und additiv gefertigtem Ti-35Nb-6Ta wurde mittels Glaslottechnologie gefügt. Im Anschluss wurden Scherfestigkeitsuntersuchungen (nach ASTM F1044) und darauf aufbauend biomechanische Untersuchungen an Funktionsdemonstratoren durchgeführt. Diese Untersuchung erfolgte in einem 6-Freiheitsgrad Gelenksimulator (ViVoTM, Advanced Mechanical Technology, Watertown, MA, USA) unter Aufbringung des in der ISO 14243-1 beschriebenen Gangzyklus (Abb. 1B) über 10.000 Zyklen. Durchläufer dieser zyklischen Belastung wurden in einer Prüfmaschine (8874 Instron, Norwood, Massachusetts, USA) mit einem Rotationsmoment, welches eine Scherspannung innerhalb der Glaslotverbindung induzierte, beaufschlagt und bis zum Versagen belastet.
Die Scherfestigkeit der Hybridprobekörper aus ATZ und Ti-35Nb-6Ta betrug 26,4 ± 4,2 MPa. Alle untersuchten Funktionsdemonstratoren durchliefen die zyklische Belastung ohne sichtbare Schädigung. Das maximal ertragbare Rotationsmoment betrug 40,7 ± 2,2 Nm.
Die Studienergebnisse zeigen, dass die entwickelten hybriden Funktionsdemonstratoren biomechanisch relevanten Belastungen standhalten können.
[1] Bahraminasab et al., Mater. Des., 2013
[2] Mick et al., Materials, 2014