In vitro-Kurzzeit-Prüfmethode zur Prädiktion des Langzeit-Eigenschaftsprofils von Magnesiumimplantaten

Abstract

Infolge des demografischen Wandels in der westlichen Welt und einer immer aktiver werdenden Gesellschaft steigt der Einsatz von Biomaterialien und damit die Anforderungen an deren Leistungsfähigkeit, Effizienz und Kosten. Die gängigen permanenten Implantatmaterialien können dabei die Anforderungen bei einem temporären Einsatz im menschlichen Körper nicht erfüllen, sodass für derartige Anwendungen zunehmend an biodegradierbaren Metallen geforscht wird. Diese ermöglichen eine zeitlich begrenzte Unterstützung der menschlichen Körperfunktion und korrodieren aufgrund der geringen Beständigkeit unterdessen kontinuierlich, sodass nach einer vollständigen Auflösung eine Zweitoperation zur Entfernung und die einhergehenden Risiken und Kosten obsolet werden. In diesem Feld fokussieren sich die Forschungsaktivitäten auf Magnesiumsysteme, die aufgrund der mechanischen und biokompatiblen Eigenschaften sowie des natürlichen Vorkommens im menschlichen Körper eine Reihe an Vorteilen mit sich bringen. Dennoch erfüllen viele Magnesiumlegierungen nicht die hohen Anforderungen in Bezug auf eine geringe Korrosionsrate mit einer einheitlichen Korrosionsmorphologie zur Einhaltung einer ausreichenden Lebensdauer, um im Rahmen der Funktionsphase des Implantats dem heilenden Knochen ausreichend Zeit zu geben. Im Bereich der in vitro-Prüfmethoden zur Prädiktion dieser Langzeit-Eigenschaften besteht eine Lücke zum Ausschluss ungeeigneter neuer Materialien vor zeit- und kostenintensiven präklinischen Studien. Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Arbeit eine in vitro-Kurzzeit-Prüfmethode zur Prädiktion und Bewertung des Langzeit-Eigenschaftsprofils anhand der beiden etablierten Magnesiumlegierungen WE43 und ZX10 sowie einer Oberflächenmodifikation mittels plasma-elektrolytischer Oxidation (PEO) entwickelt und validiert. Durch die Berücksichtigung mehrerer Magnesiumsysteme umfasst die Methodenentwicklung unterschiedliche mikrostrukturelle Charakteristika sowie modifizierte Oberflächen. Dabei liegen für die beiden Legierungen unterschiedliche Legierungselemente, deren -anteile und dementsprechend eine variierende Ausscheidungsmorphologie und Korngröße vor. Da es sich infolge des Abbauprozesses um ein zeitabhängiges Eigenschaftsprofil aus Korrosionsrate, Korrosionsmorphologie und der wechselwirkenden mechanischen Stabilität handelt, wird in einem ersten Schritt die reproduzierbare Quantifizierung von Korrosionsrate und -morphologie durch einen gekoppelten Ansatz aus Wasserstoffmessung sowie zwei- und dreidimensional bildgebenden Verfahren genutzt. Die Messung des Wasserstoffs erlaubt direkte Rückschlüsse auf die Korrosionsrate durch Berücksichtigung der chemischen Reaktionsgleichung, sodass im Zuge der Methodenentwicklung für die unterschiedlichen Belastungskollektive und die einhergehenden Anforderungen Prüfstände zur Wasserstoffmessung entwickelt werden. Im Rahmen der gekoppelten analytischen Methoden gilt es die Ausgangsmikrostruktur hinsichtlich ihrer Heterogenität und elektrochemischen Stabilität zu charakterisieren, da beide Größen einen dominanten Einfluss auf die Korrosionsrate und -morphologie besitzen, was wiederum durch die Kurzzeit-Prüfmethode abgebildet wird. Zur Quantifizierung der Korrosionsmorphologie wird ein Ansatz aus Rasterelektronenmikroskopie und Mikro-Computertomografie angewandt, wobei für letzteres ein Skript zur automatisierten Quantifizierung der gemessenen Korrosionsnarben hinsichtlich ihrer geometrischen Ausprägung nach Korrosion und Korrosionsermüdung verfasst wird. Den eigentlichen Grundstein zur Umsetzung der Kurzzeit-Prüfmethode legt die galvanostatische Polarisation zur Erhöhung der Korrosionsrate, sodass während einer Kurzzeit-Immersion der absolute Massenverlust der ursprünglichen Langzeit-Immersion am freien Korrosionspotential simuliert und dessen Einfluss auf die Korrosionsermüdungseigenschaften bestimmt werden kann. Die Quantifizierung des Einflusses und damit die Validierung der Prüfmethode wird durch ein bruchmechanisches Modell vorgenommen. Hierbei werden die Korrosionsnarben als Oberflächendefekt mit dem Modell nach Murakami und Endo betrachtet und ausgewertet, sodass durch die Anwendung des Modells der generelle Einfluss der Korrosionsnarben auf die Lebensdauer bestimmt sowie die Abhängigkeit von der Kurzzeit-Prüfmethode und der Immersionszeit quantifiziert wird. Auf dieser Basis wird die Prüfmethode abschließend validiert sowie weiterführend ein Modell aufgestellt, das die Lebensdauer in Abhängigkeit der Immersionszeit und der vorliegenden Belastung bestimmt und somit die Anwendbarkeit der in vitro-Kurzzeit-Prüfmethode sowie eine Erweiterung mit dem Modell nach Murakami und Endo bei biodegradierbaren Magnesiumlegierungen zeigt. In Abhängigkeit der Mikrostruktur ermöglicht die Methode, gekoppelt mit dem bruchmechanischen Ansatz, die defektbasierte Bewertung des Korrosionsermüdungsverhaltens unter Langzeit-Immersion mehrerer Wochen und führt zu einer signifikanten Zeit- und Kostenersparnis bei der Charakterisierung. Damit kann über die in vitro-Kurzzeit-Prüfmethode eine Abschätzung zur Einhaltung oder Verfehlung der Funktionsphase des Implantats getroffen werden.