„LAVA“ kann Implantate verbessern

Werkstoffwissenschaftler der Universität Jena entwickeln keramische Materialien weiter

Ob künstliches Hüftgelenk oder Zahnimplantat, "Ersatzteile" im menschlichen Körper müssen nicht nur stabil und gut verträglich, sondern auch möglichst langlebig sein. Bislang kommen in der Endoprothetik vor allem Implantate aus Polymeren und Keramik bzw. Polymeren und Metall zum Einsatz. Doch manche Patienten reagieren mit Entzündungen auf Polymerabrieb, was die Haltbarkeit des Implantats einschränken kann. Zunehmend finden daher auch andere Werkstoffkombinationen Anwendung, beispielsweise Keramiken aus Zirkon- und Aluminiumoxid.

"Allerdings besteht für solche Keramiken hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie möglichst hoher Bruchzähigkeit, Festigkeit und Alterungsbeständigkeit noch erhebliches Optimierungspotenzial", weiß Prof. Dr. Frank A. Müller von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Der Materialwissenschaftler und sein Team haben nun mit Partnern des spanischen Instituto de Ciencia de Materiales in Madrid ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Qualität von Zirkon-/Aluminiumoxid-Keramiken entscheidend verbessern lässt. In der gerade erschienenen Ausgabe des Online-Fachmagazins "Scientific Reports" stellen sie Keramiken vor, die deutlich fester, zäher und alterungsbeständiger sind, als die bisher auf dem Markt verfügbaren Materialien (DOI: 10.1038/srep20589).

Die mechanischen Eigenschaften von Zirkon-/Aluminiumoxid-Keramiken hängen von der Mischung ihrer Ausgangsstoffe sowie der Körnigkeit des Materials ab. "Mit Yttrium stabilisierte Zirkonoxidkeramiken weisen eine hohe mechanische Stabilität auf und sind widerstandsfähig gegen die Ausbreitung von Rissen", erläutert Prof. Müller. In Kombination mit Aluminiumoxid, das für minimalen mechanischen Abrieb sorgt, lassen sich Werkstoffe herstellen, die hervorragend als Implantate geeignet seien. "Je homogener die Mischung und je feiner die Körnigkeit, umso stabiler das entstehende Material."

Mit ihrem Verfahren setzen die Jenaer Forscher an genau diesen beiden Punkten an. Als Ausgangsmaterialien für die Keramiken dienen feine Pulver von Yttrium-, Zirkon- und Aluminiumoxid, die homogen gemischt werden. Anschließend wird die Pulvermischung mit Hilfe eines CO2-Lasers verdampft. Bei dieser "Laser vaporization" (kurz "LAVA") genannten Methode, bilden sich aus dem etwa 6.000 Grad Celsius heißen Dampf beim Abkühlen winzige Tröpfchen, die zu Nanopartikeln erstarren, in denen die einzelnen Bestandteile wiederum homogen verteilt vorliegen.

 

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