Amorphe Legierungen in der Medizintechnik

Bevorzugte Werkstoffe für personalisierte Implantate, orthopädische und medizinische Geräte sehen sich gleichzeitig einer Vielzahl von hohen Anforderungen gegenüber. Neben Biokompatibilitätsstandards sind Herstellbarkeit und Oberflächenfunktionalität, insbesondere die Anpassung komplexer individueller Geometrien, aktuelle Herausforderungen, die den Engpass zwischen einem Materiallösungsansatz und dem Anwendungsbezug bilden. Der vielversprechende Ansatz, amorphe Metalle in diesem Zusammenhang einzusetzen, hat sich in praktischen Studien und Umsetzungen bereits als tragfähig erwiesen. Das Potenzial, mit amorphen Legierungen die bisherigen Herausforderungen an Design, Funktionalität und Biokompatibilität für biomedizinische Anwendungen zu überwinden, wurde bereits in in-vivo-Ergebnissen bestätigt. Die anspruchsvollen Anwendungen in der Medizintechnik zeigen die vorteilhaften Wirkungsfelder amorpher Legierungen, die ihr Potenzial bei diesen Herausforderungen entfalten und neue Möglichkeiten für eine bessere Versorgung der Patienten in der Zukunft eröffnen.

_{*Alle Case Studies sind nur auf Englisch verfügbar.}

Der Vorteil von endkonturnahen Fertigungstechnologien in Verbindung mit den außergewöhnlichen Eigenschaften amorpher Metalle ist in der Lage, das akute Dilemma zwischen Belastung und Bewegung im Knochenheilungsprozess zu überwinden. Aufgrund ihrer atomaren Struktur weisen amorphe Metalle eine hohe Elastizität bei gleichzeitig hoher Festigkeit auf. Biomechanische Kräfte werden so abgefedert und stabilisiert. Mit Hilfe des amorphen 3D-Drucks und des amorphen Spritzgusses ist Heraeus AMLOY in der Lage, individualisierte Implantate oder komplexe Geometrien im Bereich der orthopädischen Chirurgie und Traumatologie innerhalb enger Toleranzen zu realisieren. Gleiches gilt natürlich auch für flexible und gleichzeitig stabile Standardimplantate. Poröse Oberflächenstrukturen, die das Einwachsen von Knochenstrukturen erleichtern, können ebenso hergestellt werden wie glatte Oberflächen, die dieses Wachstum gezielt und funktionell lenken. Während herkömmliche Werkstoffe hierfür viele Nachbearbeitungsschritte benötigen, lassen sich mit der amorphen Legierung AMLOY-ZR01 Oberflächenqualitäten im Bereich von 1,0 μm ohne aufwändige Nachbearbeitung realisieren. Für noch höhere Anforderungen können sogar Werte im Bereich von Ra 0,05 μm durch Glasperlenbestrahlung erzeugt werden. Die Pulverpartikel werden anschließend mit Ultraschall gereinigt. Gerade bei komplexen orthopädischen Frakturen ist das Potenzial der AMLOY-Legierungen von Heraeus enorm. Die Verbesserung des Heilungsprozesses, die Individualisierung und Bauteiloptimierung sowie die Elastizität und Festigkeit unter Dauerbelastung werden hier im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen erreicht. 

Gängige medizinische Schutzvorrichtungen für verletzte Schädel- und Gesichtsbereiche reichen von Plattentypen bis hin zu netzartigen Konstruktionen. Der Schwerpunkt liegt dabei nicht nur auf der Korrektur von Schädeldeformitäten, sondern auch auf der Wiederherstellung der Ästhetik des Schädels und zunehmend auf patientenspezifischen Anpassungen. Während herkömmliche Titanlegierungen oder die partielle Verwendung von PEEK-Material zufriedenstellende Biokompatibilitätseigenschaften bieten, ist die Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Elastizität noch nicht erreicht worden.
 
Genau hier setzt Heraeus AMLOY mit dem Einsatz von amorphen Metallen an. Amorphe Metalle zeichnen sich durch die Kombination von hoher Festigkeit zur Stabilisierung und gleichzeitig hoher Elastizität für eine effiziente Flexibilität aus, die oben als notwendig beschrieben wurde. Zudem sind sie durch 3D-Druck oder amorphen Spritzguss sehr anpassungsfähig. So kann die vereinfachte Handhabung von Implantaten durch die patientenspezifische Anpassung und die hohen mechanischen Eigenschaftsqualitäten amorpher Metalle abgerundet werden.

Insbesondere die Verwendung von Mesh-Designs in Kombination mit amorphen Metallen ist ein spannender Ansatzpunkt. Offene Strukturen können dünner, breiter und leichter gestaltet werden und erlauben dank der amorphen metallischen Werkstoffstruktur eine höhere Flexibilität bei gleichzeitig höherer Stabilität als herkömmliche Materialien. Die gute Elastizität des amorphen Materials könnte auch das Risiko von Knochenbrüchen in der Chirurgie verhindern.

Trotz aller Fortschritte in der Wirbelsäulenchirurgie durch konstruktive Anpassungen und hervorragende Erfolge in der minimalinvasiven Chirurgie bleibt ein weiteres Optimierungsfeld unerkannt. Die Verbesserung der gesamten Wertschöpfungskette von der Herstellung der Medizinprodukte bis zur Anwendung am Patienten unter Verwendung adäquater Funktionswerkstoffe.

Insbesondere der Bereich der amorphen Metalle stellt in diesem Zusammenhang ein großes Potenzial dar. Während in der Vergangenheit immer wieder Grenzen hinsichtlich der ungiftigen Reinheit und Biokompatibilität sowie der Reproduzierbarkeit in hoher Qualität den Einsatz amorpher Metalle in der Medizintechnik verhinderten, kann Heraeus AMLOY diese Hebel nun in die gewünschte Richtung drehen. 

Mit endkonturnahen Fertigungstechnologien wie dem amorphen Spritzguss und dem amorphen 3D-Druck sind wir in der Lage, modernste Bauteile mit zertifizierter Biokompatibilität und verbesserten biomechanischen Eigenschaften herzustellen, die aktuelle Herausforderungen lösen. Im kritischen Bereich der Wirbelsäule sind zuverlässige Materialeigenschaften erforderlich. Mit einer Elastizität von bis zu 2% bei einer Festigkeit von bis zu 2.000 MPa unterstützen Komponenten aus amorphen Metallen die Wirbelsäule in ihrer Stabilität und Flexibilität zugleich. Der E-Modul von 85 GPa kommt dem kortikalen Knochen noch näher als herkömmlich verwendete Legierungen. Dies könnte endlich Probleme der Senkung oder der Spannungsabschirmung mit einem ebenfalls erweiterten Stoßdämpfungsverhalten lösen. Gleichzeitig bieten die Eigenschaften der amorphen Metalle die Möglichkeit, die Bauteile für Wirbelsäulenanwendungen idealer zu dimensionieren. So ist Heraeus AMLOY in der Lage, selbst komplexeste Strukturen und Porositäten mittels 3D-Druck herzustellen, um eine dauerhafte Verschmelzung und einen langen Produktlebenszyklus zu unterstützen.
 

Gerade im Bereich der Zahnimplantate sind funktionelle Oberflächen, patientenspezifische Designs und eine möglichst wenig invasive Therapie von Bedeutung. Viele Möglichkeiten werden genutzt, um den Heilungsprozess und die Umsetzungseffizienz der Eingriffe nachhaltig zu verbessern. Die Optionen reichen von der Bauteilbeschichtung mit knochenähnlichen Substanzen bis hin zum Design von Bauteilen mit porösen Strukturen. Darüber hinaus liegt das Potenzial in diesem Bereich auch in der Auswahl von Materialien, die insbesondere durch den Einsatz von Funktionswerkstoffen bisher ungelöste Probleme adressieren können. 

Amorphe Metalle zeigen in diesem Zusammenhang ihre vorteilhaften Eigenschaften und stellen in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften eine Verbesserung gegenüber bisherigen Lösungen dar. Die Betrachtung der Kräfte, die während einer Kieferbewegung wirken, verdeutlicht beispielsweise die biomechanische Belastung, der Implantate bei interagierender Dauerbelastung ausgesetzt sind. Aufgrund der notwendigen Konstruktionsdetails stößt das Design von Dentalanwendungen an seine Grenzen.

Mit den endkonturnahen Fertigungstechnologien des amorphen 3D-Drucks und des amorphen Spritzgusses sowie einer intensiven werkstofftechnischen Expertise ist Heraeus AMLOY in der Lage, als Auftragsfertiger für hochwertige und effizient gestaltete amorphe Bauteile zu dienen. Bauteile aus amorphen Metallen übertreffen in vielen medizinischen Anwendungen herkömmliche Werkstoffe durch ihre gute Haltbarkeit, hohe Elastizität und hohe Festigkeit. Im Dentalbereich können nicht nur die oben genannten Designoptimierungen erweitert werden und den hohen biomechanischen Belastungen standhalten, sondern es können auch ganze Heilungsprozesse verkürzt und Lebenszyklen von Implantaten durch geringere Invasivität und möglicherweise sogar weniger Wartung verlängert werden.
 

Stabilität

• Sowohl bei statischer als auch bei Ermüdungsbelastung
• Gute biomechanische Leistung

Langlebigkeit

• Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß
• Miniaturisierung durch höhere Festigkeit

Biokompatibilität

• Knochen-Implantat-Interaktion
• Hohe Korrosionsbeständigkeit
   

Ob große und offene Gehäusestrukturen von medizinischen Instrumenten oder funktionale minimalinvasive Werkzeugkomponenten, amorphe Metalle haben eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften für den Einsatz im Bereich medizintechnischer Werkzeuge. Heraeus AMLOY setzt diese Vorteile mit effizienten Fertigungstechnologien maßgeblich um. Die reproduzierbare und qualitativ hochwertige Bauteilfertigung innerhalb enger Toleranzen (± 10µm) wird im amorphen Spritzgussverfahren durch unser werkstoffspezifisches Know-how realisiert.

Einsatzwerkzeuge in der minimalinvasiven Chirurgie erfordern eine hohe Maßgenauigkeit in der Fertigung und gleichzeitig eine hohe Belastbarkeit im Einsatz. Ob Zangen, Greifer oder Spezialhaken, amorphe Metalle lassen sich in vielen Dimensionen und engen Toleranzen skalierbar für langlebige Anwendungen herstellen. Aufgrund ihrer sehr guten Biokompatibilität bei gleichzeitig hoher Festigkeit haben sie sich als sehr abriebfest erwiesen. Darüber hinaus lassen sich aufgrund des Fehlens von Korn- und Phasengrenzen sehr scharfe Kanten in Form von Skalpellen und Schneidwerkzeugen realisieren. Auch in Bezug auf Verschleißfestigkeit und Schneidfähigkeit übertreffen sie herkömmliche Werkstoffe.

Während die Funktionalität zum Teil auf den mechanischen Eigenschaften beruht, ist die Oberflächenqualität potenzieller amorpher medizinischer Instrumente mindestens ebenso wichtig. Während konventionelle Werkstoffe hierfür viele Nachbearbeitungsschritte benötigen, weisen insbesondere amorphe Legierungen Oberflächenqualitäten im Bereich von 1,0 μm ohne Nachbearbeitung auf. Sogar haptische Eigenschaften können angeführt werden, da amorphe Metalle aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit eine sehr hochwertige Oberfläche signalisieren. 
 

Enge Toleranzen

• Komplexe Formen
• Reproduzierbare Fertigung
• Qualität der Oberfläche
• Hohe Qualität
• Funktionelle Oberfläche

Abriebfestigkeit

• Langlebigkeit
• Biokompatibilität