Neue Metallschweißverbindungen verbessern Mittelohrimplantate

Medizintechnik 08. 10. 2023
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Schweißverbindungen zwischen Titan beziehungsweise nichtrostenden Stählen und sogenannten Nickel-Titan-Form­gedächtnislegierungen sind bislang noch anfällig für die Entstehung von Rissen. Die Werkstoffkombinationen weisen daher häufig geringe Festigkeiten auf. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Kassel ist mit den biokompatiblen Zusatzwerkstoffen Niob, Tantal und Hafnium hier nun ein neues Verfahren gelungen – das eröffnet Möglichkeiten beispielsweise in der Medizintechnik. In einem ersten Projekt verbesserten sie nach eigenen Angaben die Materialfestigkeit eines Mittelohrimplantats um den Faktor 3.

Titanlegierungen, Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (kurz: NiTi) und nichtrostende Stähle zeichnen sich unter anderem durch hervorragende Korrosions- und Medienbeständigkeit aus und zählen deshalb zu den am häufigsten genutzten Metallen in der ­Medizintechnik. Wegen der spezifischen Materialeigenschaften ist es jedoch aus funktionellen, fertigungstechnischen sowie aus wirtschaftlichen Gründen gewünscht, sogenannte artfremde Verbindungen zu anderen Werkstoffen herzustellen und somit deren Vorteile in Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu vereinen. Eine beispielhafte Anwendung aus dem Bereich der Medizintechnik sind Stapesprothesen, die als Ersatz für Steigbügel, die kleinsten Knochen im menschlichen Körper, eingesetzt werden. Mit einer Länge von fünf Millimetern ist ein Steigbügel dreimal kleiner als der Durchmesser einer 1-Cent-Münze.

Im Rahmen des von Januar 2021 bis Dezember 2022 durchgeführten Forschungsprojekts MeTiWeld – Artfremdes Mikro-Strahlschweißen von Titan mit Nitinol und nichtrostenden Stählen zur Herstellung eines biokompatiblen Materialverbunds und Verwendung von Zusatzwerkstoffen untersuchten die Forscherinnen und Forscher um Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm, Leiter des Fachgebiets Trennende und Fügende Fertigungsverfahren, artfremde Strahlschweißverbindungen bei Titanlegierungen, nichtrostenden Stählen und NiTi unter Nutzung biokompatibler Zusatzwerkstoffe wie Niob, Tantal und Hafnium. Zum Einsatz kamen sowohl das Mikro-
Elektronenstrahlschweißen als auch das Laserstrahlschweißen. Bei der Verwendung der Zusatzwerkstoffe konnten nach Aussage von Michael Wiegand, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets und Leiter des Projekts, herausragende Zug- und Biegefestigkeiten erzielt werden, die die Ergebnisse bisheriger Studien zum artfremden Strahlschweißen der Grundwerkstoffe deutlich übertreffen.

Auch ein zweites Medizinprodukt verbesserte das Forschungsteam: Am Beispiel eines Führungsdrahts, der bei einer Herzkatheter­untersuchung benötigt wird, zeigt das Forschungsteam, dass etwa die Zusatzwerkstoffe Niob oder Tantal zwischen nichtrostendem Stahl und NiTi-Draht zu einer fast doppelt so hohen Zugfestigkeit der Materialverbindungen gegenüber der des Strahlschweißens ohne Zusatzwerkstoffe führt. Im Falle der Stapesprothese, deren Schaft aus reinem Titan und das Ankopplungselement aus super­elastischem NiTi besteht, konnte die Zugfestigkeit durch das Einschweißen einer dünnen Niobfolie um mehr als das Dreifache gesteigert werden. Die Forschungsergebnisse bestätigen auch im Hinblick auf die Biokompatibilität, dass mit dem Forschungsvorhaben eine essentielle Basis für die Übertragung auf medizintechnische Bauteile geschaffen wurde, so das Resümee von Prof. Böhm.

Die Kasseler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten im Projekt MeTiWeld mit dem naturwissenschaftlichen und medi­zinischen Institut an der Universität Tübingen/Reutlingen zusammen. Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Fördervereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. mit rund 400 000 Euro gefördert.

Die Universität Kassel legt einen ihrer Forschungsschwerpunkte auf molekulare Komponenten und multifunktionale Materialien. Das Institut für Werkstofftechnik wiederum beschäftigt sich intensiv mit metallischen Werkstoffen. Hierzu werden nach eigenen Angaben regelmäßig zukunftsweisende und mit hohen Fördersummen bedachte Projekte als Teil des Forschungsclusters BiTWerk – Biologische Transformation technischer Werkstoffe gestartet.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm, Universität Kassel, Trennende und Fügende Fertigungsverfahren; E-Mail: s.boehm@uni-kassel.de

Text zum Titelbild: Eine Stapesprothese im Größenvergleich mit einer 1-Cent-Münze (Bild: Uni Kassel)

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