Ein Beitrag zur zellularen Bauweise von Implantatwerkstoffen nach dem Vorbild der Natur

Abstract

An die Implantatwerkstoffe in der Medizintechnik werden hohe Anforderungen hinsichtlich Biofunktionalität und Biokompatibilität gestellt. Zur Erfüllung dieser Eigenschaften bestehen viele Implantatwerkstoffe aus einem homogenen Vollmaterial. Die Verwendung zu steifer oder zu weicher Werkstoffe führt jedoch zu einer Veränderung des Lastpfades und somit zu einem, durch "Stress-Shielding“ hervorgerufenen adaptiven Knochenumbauprozess. Hierdurch kann es zum Versagen des Implantats oder zur Schädigung angrenzender Bereiche kommen. Um ein Versagen durch Steifigkeitsunterschiede zu vermeiden, wird in dieser Arbeit ein pulvermetallurgisch hergestellter, bionischer Titanschaum mit knochenähnlicher Struktur und knochenähnlichen Eigenschaften erforscht. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Charakterisierung des mechanischen Verhaltens unter statischer und zyklischer Belastung. Weiterhin werden die Einflüsse explizit gewählter Parameter (z. B. Porosität, Porengröße) auf das Werkstoffverhalten herausgearbeitet und die Einsatzmöglichkeiten am Beispiel eines Bandscheibenimplantats bewertet. Auf der theoretischen Seite wird eine Berechnungsroutine vorgestellt, welche die Lebensdauervorhersage für den zellularen Werkstoff mittels der Finite Elemente Methode ermöglicht. Aus den Simulationsergebnissen und den experimentellen Daten werden anschließend erste Materialparameter über Parameteridentifikation abgeleitet. Zum Abschluss werden Möglichkeiten zur Beschreibung knochenähnlicher Strukturen diskutiert.

Implant materials of the medical sector have to fulfil high requirements with regard to the biofunctionalitiy and biocompatibility. Almost all implant materials used to date, consist of a compact and homogeneous material. However, the use of to rigid or to soft materials leads to a change of the load, which causes an adaptive bone change process due to ”Stress Shielding“. This may lead to the failure of the implant or to the damage of adjacent areas. In order to avoid a failure due to stiffness differences, a new bionic lightweight powdermetalurgical manufactured material with bonesimilar structure and bone-similar characteristics is investigated in this work. The scope of the research work is the characterization of the mechanical behaviour with tension, compression and fatigue tests. Furthermore the influence of explicit defined parameters (e. g. grain size, porosity) to the mechanical behaviour will be investigated. In addition to this, the planed usage of this material for intervertebral disc applications is considered. On the theoretical side, a new routine for the numerical fatigue-life analysis of the cellular foam using the Finite-Element-Method is presented in this thesis. Subsequently the routine is implemented in a common finite-element-code and the first material parameters are determined by parameter identification using experiments and simulation results. In addition, possibilities for the mechanical characterization of bone similar structures are discussed.