FORBIOMAT

BAYERISCHER FORSCHUNGSVERBUND BIOMATERIALIEN

TP5 Entwicklung von diamantbeschichteten femuralen Gleitflächen für Kniegelenkendoprothesen

Arbeitsfeld:

Zur Verschleißminderung in Kniegelenksendoprothesen werden Technologien zur Beschichtung der Gleitflächen der Femurkomponente mit Diamantschichten entwickelt bzw. bestehende Technologien zur Beschichtung der Implantatkomponente angepaßt.

Forschungsbedarf:
Gegenwärtig kommen in der Prothetik als Werkstoffe für Knieendoprothesen im Femurbereich Kobaltgusslegierungen zum Einsatz, während als Gleitpartner für die Tibiakomponente ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) verwendet wird. Diese Gleitpaarung stellt zur Zeit nach der vorherrschenden Meinung den besten Kompromiss aus mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität dar. Jedoch besteht großes Interesse an der Entwicklung neuartiger Werkstoffkombinationen, um das Reibverhalten künstlicher Kniegelenke zu verbessern und insbesondere den Verschleiß auf der Seite des Tibiaplateaus aus UHMWPE zu vermindern. Der Einsatz von Titanlegierungen, der infolge der besseren Biokompatibilität wünschenswert wäre, scheitert am unzureichenden Reibverhalten des Materials.

Diamant als Schicht auf reiner Kohlenstoffbasis stellt mit seinen einzigartigen Eigenschaften (hohe Härte, hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit, gute Biokompatibilität) eine potentielle Lösung für diese Problematik dar. Bereits im Rahmen des Forschungsvorhabens FORBIOMAT I gelang es, durch Optimierung der Beschichtungsparameter sowohl das Abscheidungsfenster als auch die Abscheideraten zu vergrößern und die Schichtqualität sowie die Schichthaftung (Schichtdicken bis zu 5mm) zu verbessern. Dies führt zu einer Reduzierung der Schichtkosten. Ein Nachweis der Biokompatibilität wurde sowohl in vitro als auch in vivo erbracht.

Innerhalb des vorliegenden Projektes soll die femurale Gleitfläche eines künstlichen Kniegelenks mit Diamant beschichtet werden. Zur Ermittlung der Reibungs- und Verschleißkennwerte von Diamantschichten werden im Tribologieprüfstand Ring-Scheibe-Versuche gegen Aluminiumoxid, UHMWPE, eigenverstärktes PE sowie gegen diamantbeschichtetes TiAl6V4 durchgeführt. Nach erfolgreicher Anpassung der Beschichtungsparameter an die Geometrie der relevanten Kniegelenkskomponenten erfolgt die tribologische Charakterisierung der realen Bauteile in einem Modellprüfstand durch die Fa. Erothitan, wobei vor allem die Möglichkeit einer vorherigen Glättung der Diamantschichten untersucht wird. Parallel dazu ist an der Chirurgischen Klinik der Universität Erlangen (Prof. Hennig) eine tierexperimentelle Studie zur Bewertung der Bioverträglichkeit unter Scherbelastung geplant. Ergänzend werden an der Dermatologischen Klinik der LMU München (Dr. Thomas) Untersuchungen zur potentiellen Immunaktivierung humaner Blutzellen und zur Reaktivität der Diamantschichten im Hauttest durchgeführt.