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Entwicklung strukturierter Oberflächen zur Verbesserung der Osseointegration von PEEK

Martin, Anne (2022)
Entwicklung strukturierter Oberflächen zur Verbesserung der Osseointegration von PEEK.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022557
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Für Implantate stehen verschiedenste Werkstoffe zur Verfügung. Häufig im Einsatz, auch aufgrund ihrer sehr guten osseointegrativen Eigenschaften, sind Titanimplantate. Eine Alternative ist aufgrund seiner radiologischen Transparenz und der knochenähnlichen mechanischen Eigenschaften PEEK (Polyetherehterketon). Für ein schnelles Einheilverhalten sowie die Langzeitstabilität der Implantate ist eine dauerhaft stabile Anbindung (Osseointegration) an den Knochen essenziell, welche massiv von den Oberflächeneigenschaften bestimmt wird. So ist neben der Superhydrophilizität eine Kombination aus Nanostruktur und moderater Mikrostruktur von Titanoberflächen sehr förderlich. PEEK hingegen vermindert aufgrund seines inerten Charakters die Ausbildung einer direkten Knochen-Implantat Anbindung. Um die Vorteile beider Werkstoffe zu verbinden und somit das Einheilverhalten und die Langzeitbeständigkeit zu optimieren, wurde bereits ein Verfahren entwickelt, welches mittels physikalischer Gasphasenabscheidung Titan auf PEEK appliziert. In der hier vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Methoden untersucht und bewertet, die es ermöglichen, zusätzlich eine moderate Rauheit in das Titan-PEEK-Schichtsystem einzubringen. Es wurden hierfür zwei Methoden erprobt. Die Stempelmethode arbeitet über verschieden sandgestrahlte Stempel, welche bei Raumtemperatur und bei 240 °C auf die Oberflächen von Spritzguss-PEEK Proben gepresst werden. Vergleichend dazu wurden auf unterschiedlich sandgestrahlten Bauplattformen PEEK Proben additiv gedruckt. Für das Stempeln bei Raumtemperatur konnte zwar eine gewünscht moderat raue Oberfläche gemessen werden. Jedoch wurden Teile der Oberfläche nicht strukturiert. Bei der Strukturierung bei 240 °C wurde zwar eine homogene Verteilung der Oberflächenstruktur erreicht, jedoch konnte nicht die gewünschte Größenordnung der Rauheit erzielt werden. Die Substratrauheit und der Einbau einer TiO2-Schicht in die Titanbeschichtung sowie das Weglassen der in situ Kühlung beim Beschichten zeigen positive Auswirkungen auf die kohäsiven und adhäsiven Schichteigenschaften. In Auslagerungsversuchen konnte beobachtet werden, dass sich die vermehrt oberflächennahe Ausbildung amorpher Anteile nachteilig auf die Schichtbeständigkeit auswirken kann. Für die gedruckten PEEK Oberflächen konnte eine homogene Rauheit in der gewünschten Größenordnung erreicht werden. Die erzeugten Schichtsysteme weisen neben sehr guten tribologischen Schichteigenschaften auch eine mittels Nanorauheit erzeugte Superhydrophilizität für 3 Monate auf.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2022
Autor(en): Martin, Anne
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Entwicklung strukturierter Oberflächen zur Verbesserung der Osseointegration von PEEK
Sprache: Deutsch
Referenten: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Blaeser, Prof. Dr. Andreas
Publikationsjahr: 2022
Ort: Darmstadt
Kollation: V, 127 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 14 Juni 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022557
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22557
Kurzbeschreibung (Abstract):

Für Implantate stehen verschiedenste Werkstoffe zur Verfügung. Häufig im Einsatz, auch aufgrund ihrer sehr guten osseointegrativen Eigenschaften, sind Titanimplantate. Eine Alternative ist aufgrund seiner radiologischen Transparenz und der knochenähnlichen mechanischen Eigenschaften PEEK (Polyetherehterketon). Für ein schnelles Einheilverhalten sowie die Langzeitstabilität der Implantate ist eine dauerhaft stabile Anbindung (Osseointegration) an den Knochen essenziell, welche massiv von den Oberflächeneigenschaften bestimmt wird. So ist neben der Superhydrophilizität eine Kombination aus Nanostruktur und moderater Mikrostruktur von Titanoberflächen sehr förderlich. PEEK hingegen vermindert aufgrund seines inerten Charakters die Ausbildung einer direkten Knochen-Implantat Anbindung. Um die Vorteile beider Werkstoffe zu verbinden und somit das Einheilverhalten und die Langzeitbeständigkeit zu optimieren, wurde bereits ein Verfahren entwickelt, welches mittels physikalischer Gasphasenabscheidung Titan auf PEEK appliziert. In der hier vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Methoden untersucht und bewertet, die es ermöglichen, zusätzlich eine moderate Rauheit in das Titan-PEEK-Schichtsystem einzubringen. Es wurden hierfür zwei Methoden erprobt. Die Stempelmethode arbeitet über verschieden sandgestrahlte Stempel, welche bei Raumtemperatur und bei 240 °C auf die Oberflächen von Spritzguss-PEEK Proben gepresst werden. Vergleichend dazu wurden auf unterschiedlich sandgestrahlten Bauplattformen PEEK Proben additiv gedruckt. Für das Stempeln bei Raumtemperatur konnte zwar eine gewünscht moderat raue Oberfläche gemessen werden. Jedoch wurden Teile der Oberfläche nicht strukturiert. Bei der Strukturierung bei 240 °C wurde zwar eine homogene Verteilung der Oberflächenstruktur erreicht, jedoch konnte nicht die gewünschte Größenordnung der Rauheit erzielt werden. Die Substratrauheit und der Einbau einer TiO2-Schicht in die Titanbeschichtung sowie das Weglassen der in situ Kühlung beim Beschichten zeigen positive Auswirkungen auf die kohäsiven und adhäsiven Schichteigenschaften. In Auslagerungsversuchen konnte beobachtet werden, dass sich die vermehrt oberflächennahe Ausbildung amorpher Anteile nachteilig auf die Schichtbeständigkeit auswirken kann. Für die gedruckten PEEK Oberflächen konnte eine homogene Rauheit in der gewünschten Größenordnung erreicht werden. Die erzeugten Schichtsysteme weisen neben sehr guten tribologischen Schichteigenschaften auch eine mittels Nanorauheit erzeugte Superhydrophilizität für 3 Monate auf.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

For implants different materials are available. One of the most often used ones is titanium because of its very good osseointegrative properties. Another option is PEEK (polyether ether ketone) due to its good radiological transparency and bone like mechanical properties. For implants the aim is to have a fast healing process combined with long term stability. Both are correlated with a strong direct bone to implant connection (Osseointegration), which is highly influenced by the implant surface properties. For titanium implant surfaces both the superhydrophilicity and the combination of micro and nano structure at the surface are known to be beneficial. Due to its inert surface character PEEK supresses the direct bone to implant formation. To combine the positive properties of both materials, a process to apply titanium on PEEK has been developed. In this thesis different methods are investigated and assessed to create a moderately rough surface. Therefore, two methods are under investigation. The stamping method works through different sand blasted stamps which are pressed under room temperature and 240 °C at the surface of injection moulded PEEK. In comparison to that PEEK was manufactured additively on different sand blasted building platforms. By stamping under room temperature it was possible to create the desired roughness parameter, but not all surface parts were structured isotropically. Structuring by stamping under 240 °C was able to create an isotropically roughened surface, but due to roughness parameters the moderate roughness was not generated. The roughness of the substrate as well as the inclusion of a TiO2-layer in the titanium coating combined with no in situ cooling during the coating process shows positive effects regarding the adhesive and cohesive coating properties. A possible negative effect on the coating stability evident in immersion tests is a higher incidence of amorphous surface parts on the PEEK close to the interface. For the printed PEEK surfaces, it was not only possible to create a homogenous surface roughness but also the desired moderate roughness. The created coating system showed beside the very good triobological properties also superhydrophilicity for at least three months due to an additionally created nano roughness.

Englisch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-225572
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA)
Hinterlegungsdatum: 14 Dez 2022 13:40
Letzte Änderung: 15 Dez 2022 06:34
PPN:
Referenten: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Blaeser, Prof. Dr. Andreas
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 14 Juni 2022
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