In der Implantatproduktion gewinnen laserbasierte additive Verfahren zunehmend an Bedeutung und das selektive Laserschmelzen, besser bekannt als Pulverbett-Verfahren (LPBF - laser powder bed fusion), wird als die Schlüsseltechnologie für Metallimplantate angesehen, da es ein sehr hohes Potenzial für die patienten-individualisierte Knochenimplantatfertigung bietet. Im Fokus aktueller Forschung zu Implantatwerkstoffen stehen neue (near-)beta Ti-Legierungen mit biokompatiblen Zusammen-setzungen wie z.B. Ti-13Nb-13Zr, die aufgrund ihrer geringeren Elastizitätsmoduln effektiv reduzierte Implantatsteifigkeiten und somit eine bessere Anpassung an Knocheneigenschaften im Vergleich zu klinisch genutzten Materialien (Ti, Ti-6Al-4V) gewährleisten können [1]. Gleichermaßen wichtig sind Implantatoberflächen mit bestmöglichen biofunktionalen Eigenschaften und dafür werden Ansätze entwickelt, um maßgeschneiderte Implantatoberflächenfunktionalitäten bezüglich Rauigkeit, Topografie und Oberflächenchemie einzustellen, die eine verbesserte Osseointegration bewirken.

[Abbildung 1] Abb. 1: a) Draufsicht der SLM-hergestellten Proben unterschiedlicher Geometrien auf der Platte; b) Spannungs-Dehnungs-Diagramm; c) Stromdichte-Potenzial-Diagramm aus den Korrosionsmessungen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein weiter Bereich des LPBF-Parameterraums (volumetrische Energiedichte, Schmelzspurbreite etc.) zur Optimierung der Oberflächeneigenschaften untersucht, um einen stabilen LPBF-Prozess und eine relative Dichte > 99% zu erreichen [2]. Darüber hinaus wurden optimierte Ti-13Nb-13Zr-Probenzustände durch thermische Nachbehandlung unter Verwendung von Standard-Auslagerung und sub-transus (660°C) sowie super-transus (900°C) Wärmebehandlung mit unterschiedlichen Kaltabschreckungsmedien (Luft, Wasser und Eis) erreicht. Die angewandten Wärmebehandlungsstrategien führen zu verschiedenen Martensit(α‘,α“)-Anteilen kombiniert mit der β-Phase, die stark mit der feststellbaren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und einem relativ geringen Elastizitätsmodul korrelieren (Abb. 1a,b). Korrosionsstudien ergaben hervorragende Korrosionsbeständigkeiten der wärmebehandelten LPBF-hergestellten Legierungsproben, die mit denen von konventionell geformten (z.B. gewalzten) Legierungen vergleichbar sind (Abb. 1c).

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des OsteoLas-Projekts durchgeführt, das zum Teil aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und aus Steuermitteln auf der Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushalts finanziert wurde (Förderkennzeichen 100382988 / 100382989).

Referenzen
[1] M. Niinomi, Acta Biomater., 2012, 8, 3888 ; [2] A. Hariharan et al., Materials & Design, (eingereicht)