Medizintechnik Werkstoffe

3 Gründe warum Titan in der Medizintechnik eingesetzt wird

Warum wird Titan eingesetzt? Manche Knochenfrakturen wachsen aufgrund der stetig wirkenden Muskelkräfte falsch zusammen. Implantierte Platten leiten die Kräfte der Muskeln um. Folgende Eigenschaften sind für den Nutzen in der Medizintechnik verantwortlich: fest, beständig gegen Korrosion und biokompatibel [4].

Material
[unit]
Yield Strength
[MPa]
Ulitimate Strength
[MPa]
Red Area (Elong)
[%]
Fracture Young’s Modulus
[in GPa]
CP-Grade 1170 – 180240 – 41024 – 30103
CP-Grade 2250 – 275345 – 54020 – 22102
CP-Grade 3320 – 380450 – 59018103
CP-Grade 4390 – 485540 – 74015 – 16104
Grade 5 (Ti-6Al-4V)830 – 1070920 – 11508 – 10114
Tabelle 1: Öffentlich zugängliche Materialdaten zu Titan [1,2,3,4]

Mechanische Festigkeit

Titan hat den Vorteil, dass es ähnlich steif wie Knochen ist. Dass zu viel Last für den Knochenbruch schlecht ist, leuchtet ein. Doch zu wenig davon schadet dem Heilungsprozess genauso. Knochengewebe ist mitdenkendes Baumaterial. Unbelastet ist es nicht in der Lage sich richtig anzuordnen. [4]

Korrosionsbeständigkeit

Das Implantatmaterial befindet sich immer in einer Umgebung aus Weichgewebe und Flüssigkeit. Deshalb muss es der Korrosion widerstehen. Korrosion macht Platten mechanisch schwächer. [4]

Biokompatibilität

Ein Implantat, das von der korrosiven Umgebung angegriffen wird, könnte Metallionen freisetzen. Diese interagieren mit Körperzellen. Wird eine bestimmte Konzentration zytotoxischer Elemente überschritten, kann dies zu krebsartigen Wirkungen führen. [4]

Wieso wird Titan in der Medizintechnik so häufig eingesetzt?

Bei der Suche nach einem geeigneten Implantatmaterial prüft man jeweils, ob die drei Bedingungen erfüllt sind. Gold erfüllt zum Beispiel ausreichend Korrosion und Biokompatibilität, aber die mechanische Festigkeit reicht nicht aus. Titan ist eines der wenigen Materialien, das alle Kriterien erfüllt. Im Vergleich zu CoCr-Legierungen oder rostfreiem Stahl weist Titan einen geringeren Unterschied in der Materialsteifigkeit zum Knochen auf. Titan hat eine herstellungsbedingte oder natürlich vorkommende stabile Passivierungsschicht und ist korrosionsbeständig. Bei der Prüfung möglicher Ti-Legierungen hinsichtlich der drei Bedingungen bestehen zwei Typen: TiAl6V4 und kommerziell reines (englisch: commercially pure –> CP) Titan. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei letzterer nicht um eine Legierung. CP-Titan wird in vier verschiedene Sorten mit wachsenden Anteilen an Kohlenstoff, Eisen und Sauerstoff klassifiziert. Sein Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften ist positiv, d.h. Grad 4 hat eine höhere UTS (Zugfestigkeit) als Grad 1. Tabelle II.2 zeigt eine Zunahme der Zugfestigkeit und eine Abnahme der möglichen Dehnung mit jeder höheren Güteklasse. Grad 1 hat die höchste Reinheit und daher die geringste Zugfestigkeit. Durch Zugabe von Aluminium und Vanadium können die mechanischen Eigenschaften an die Anforderungen angepasst werden. Mit etwa 50% der weltweiten Tonnage ist Ti6Al4V die weltweit am häufigsten verwendete Titanlegierung [5]. Sie hat einen höheren Elastizitätsmodul sowie eine erhöhte Zugfestigkeit. Im Vergleich zu Stahl hat es eine doppelt so lange Lebensdauer. Zudem ist es korrosionsbeständig und hat einen positiven Einfluss auf das Knochenwachstum [4].

Quellen:

  • [1] Hans-Jürgen Bargel and Günter Schulze. Werkstoffkunde. Springer-Lehrbuch. Springer Berlin Heidelberg, Berlin Heidelberg, 11., bearb. aufl. 2012 edition, 2012.
  • [2] Joon Park and R. S. Lakes. Biomaterials: An Introduction. Springer Science+Business Media LLC, New York, 2007.
  • [3] Manfred Peters. Titan und Titanlegierungen. Wiley-VCH,Weinheim u.a., 1. aufl., 2. nachdr edition, 2009.
  • [4] Erich Wintermantel and Suk-Woo Ha. Medizintechnik: Life Science Engineering. Springer Berlin Heidelberg, Berlin Heidelberg, 5 edition, 2009.
  • [5] Rodney Boyer, GerhardWelsch, and E.W. Collings. Materials properties handbook: Titanium alloys. ASM International, Materials Park, Ohio, 4. printing edition, 2007.