Untersuchung von biodegradierbaren Dünnschicht-Magnesiumlegierungen

Schlüter, Kristina

Seit einigen Jahren wird vermehrt an bioresorbierbaren Magnesiumlegierungen für den Einsatz in der Medizintechnik geforscht. Diese Legierungen können überall dort eingesetzt werden, wo ein permanenter Verbleib des Implantats aus medizinischen Gründen nicht nötig ist, wie z.B. bei der Fixation von Knochenbrüchen oder zur Behandlung von koronaren Herzkrankheiten, da sie im menschlichen Körper abgebaut werden. Bisher lag der Fokus der weltweiten Forschungen auf der Entwicklung von Gussmaterialien. Ansätze zur Herstellung von Implantaten mit Hilfe der Dünnschichttechnik wurden hingegen bisher kaum erforscht und stellen das Thema dieser Arbeit dar. Sie umfasst das Finden geeigneter Legierungen und Abscheideparameter um freitragende Dünnschichten herzustellen, die gleichzeitig sowohl eine für die spätere Anwendung ausreichende plastische Verformbarkeit, als auch eine ausreichend niedrige Korrosionsrate aufweisen. Hierbei wird die Wahl der Legierungselemente zusätzlich durch die Vorgabe eingeschränkt, dass keine der beteiligten Komponenten eine schädliche Wirkung auf den menschlichen Metabolismus haben darf. In dieser Arbeit wird die Charakterisierung von vier ternären und zehn binären Legierungen hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, ihres Korrosionsverhalten und ihrer mechanischen Eigenschaften vorgenommen. Zusätzlich wird der Ansatz untersucht, das Korrosionsverhalten der Dünnschichten über Multilagen aus unterschiedlichen Materialien zu beeinflussen. Es konnte gezeigt werden, dass gesputterte Dünnschichten aus den meisten Magnesiumlegierungen unabhängig von den gewählten Abscheideparametern ein kolumnares Gefüge zeigen, das auch mit Hilfe von Wärmebehandlungen nicht in einen globularen Zustand überführt werden kann. Trotzdem konnte an ternären Legierungen aus Magnesium, Seltenen Erden und Yttrium beobachtet werden, dass für bestimmte Abscheideparameter Bruchdehnungen von über 20 % erreicht werden können. Eine signifikante Beeinflussung der Mikrostruktur über die Abscheideparameter war nur für diejenigen ternären Legierungen möglich, deren Zinkanteil bei über 30 wt. % lag. Weiterhin konnte für Dünnschichten aus binären Magnesiumlegierungen, die ein einphasiges Gefüge aufweisen, festgestellt werden, dass die Bruchdehnung mit steigendem Anteil des jeweiligen Legierungselements geringer wird, während sich das Korrosionsverhalten verbessert. Es existiert jedoch für die Systeme Mg-Gd und Mg-Y ein Fenster, in dem sowohl die mechanischen Eigenschaften, als auch die Korrosionsrate den Anforderungen für den Einsatz als bioresorbierbares Implantat genügen. Der Multilagenansatz erwies sich als nicht praktikabel, da die Korrosionsrate dieser Systeme, bedingt durch die Bildung von galvanischen Elementen zwischen den einzelnen Schichten, für den Einsatz als temporäres Implantat zu hoch war.

The scientific work on biodegradable magnesium alloys for applications in the field of medical implant materials has increased significantly the recent years. These alloys can be applied whenever it is not necessary for the implant to remain permanently in the body, as it is the case for the anchorage of fractured bones or for the treatment of coronary heart diseases, because they are decomposed by the human body. Up to now the focus of the worldwide research was concentrated on the development of casting alloys. Approaches to fabricate implants by means of thin film technology have barely been explored and are thus the topic of this work. It includes the development of suitable alloys and the determination of deposition parameters in order to fabricate free-standing thin films, which exhibit at the same time a plastic deformation behaviour sufficient for the application and an adequately low corrosion rate. The range of possible alloying elements is in this case further limited due to the condition that none of the involved components must have a harmful effect on the human metabolism. In this work the characterization of four ternary and ten binary alloys regarding their microstructure, their corrosion behaviour and their mechanical properties is conducted. Additionally the approach to influence the corrosion performance of the thin films by means of multilayers made of different materials is investigated. It could be shown that sputter deposited thin films made of most of the investigated alloys show regardless of the deposition parameters a columnar microstructure and which also could not be converted to a globular microstructure with the help of heat treatments. Nevertheless it could be observed for ternary alloys of magnesium, rare earths and yttrium that elongations at fracture of up to 20 % can be obtained under certain deposition conditions. A significant influence on the microstructure by the deposition parameters was only possible for those ternary alloys, which had a zinc content of more than 30 wt. %. Furthermore it could be found for thin films consisting of binary magnesium alloys, which exhibit a microstructure composed of a supersaturated solid solution, that the elongation at fracture decreases with increasing amount of the corresponding alloying element, whereas the corrosion rate is at the same time improved. Nevertheless there exists a window for the systems Mg-Gd and Mg-Y in which both the mechanical properties as well as the corrosion rate meet the requirements for the application as biodegradable implant material. The multilayer approach was proven to be unsuitable, as the corrosion rates of the investigated systems were too high for the application as implant material due to the formation of galvanic elements between the single layers.

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Schlüter, Kristina: Untersuchung von biodegradierbaren Dünnschicht-Magnesiumlegierungen. 2012.

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