Schichtsysteme aus SiC und DLC mit maßgeschneiderten tribologischen Eigenschaften für biomedizinische Implantate

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Schichtsysteme aus SiC und DLC mit maßgeschneiderten tribologischen Eigenschaften für biomedizinische Implantate
Projektleitung Marion Wienecke , Prof. Dr. rer. nat. habil.
Kürzel
Projektbeginn 01. Juni 2006
Projektabschluss 30. Mai 2009
Projektpartner
Projektbeteiligte Institut für Oberflächen- und Dünnschichttechnik ,
Projektmittel 251000 €
Mittelgeber BMBF-Projekt  (Ingenieurnachwuchs)
Fakultät(en) Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Forschungsschwerpunkte(e) Neue Materialien
Hyperlink http://www.hs-wismar.de/ifod

Inhalt

In der Medizintechnik, insbesondere für Produkte wie Langzeit- und Kurzzeitimplantate und interventionelle Instrumente verschiedenster Invasivität, sind Oberflächenbeschichtungen von besonderer Bedeutung. Sie bilden die Grenzfläche zwischen der 'synthetischen' Welt und der menschlichen Physiologie. Die Beständigkeit von Beschichtungen gegen unerwünschte Ablösungen ist ein entscheidendes Qualitätsmerkmal. Hohe Haftfestigkeit und Beständigkeit muss für die jeweilige Anwendung auch nach (bei Instrumenten mehrmaliger) Reinigung und Sterilisierung gegeben sein. Kohlenstoffbasierte Schichten und Schichtsysteme, wie amorphe diamantartige Schichten und Schichten aus amorphen Siliziumcarbid kommen in besonderer Weise für medizinische Implantate und Instrumente in Frage, da sie biologisch kompatibel, chemisch innert und ihre Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften durch die Abscheidungsbedingungen variierbar sind.

Das Projekt zielt auf die komplexe Erforschung derartiger Beschichtungen und auf die Entwicklung von Technologien für ihre Herstellung. Im Mittelpunkt stehen Beschichtungen für formveränderliche Implantate oder Instrumente, wie z. B. Gefäßstützen (stents) oder Katheter mit hoher elastischer Rückfederung sowie Beschichtungen für tribologisch beanspruchte Implantate. Die Eigenschaften amorpher Kohlenstoffschichten sollen entsprechend diesem speziellen Anwendungszweck optimiert werden. Das Material wird DLC genannt (diamond-like carbon) da es diamantähnliche Eigenschaften aufweist. Mit Blick auf tribologische Eigenschaften zeichnet sich DLC dadurch aus, dass Reibungs- und Verschleißeigenschaften durch variierbaren sp3/sp2- Bindungsanteil sowie durch Dotierungen in den Schichten „maßgeschneidert“ werden können.

Ein neuer Ansatz besteht hierbei darin, Schichtsysteme mit graduellen chemischen Übergängen abzuscheiden oder Dotierungen vorzunehmen. Zur Erhöhung der Haftfestigkeit werden Kompositbeschichtung vorgeschlagen: metallische Legierung/ Metallsilicid/ Si/ SiC/ DLC. Durch funktionelle Gradientenschichten, wie auch durch Nanokomposite kann eine weitere Verbesserung der mechanischen Stabilität erreicht werden, da durch den Verlauf des Elastizitätsmoduls innere Spannungen verringert werden.

Weitere für medizintechnische Anwendungen relevante Schichteigenschaften amorpher Kohlenstoffschichten wie die Morphologie der Oberflächen, deren antibakterielle Wirkung und Benetzbarkeit sowie ihr Einfluss auf die Korrosion degradierbarer Substratmaterialien sind ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen. Auch diese Eigenschaften hängen von den Bindungsverhältnissen und vorgenommenen Dotierungen ab und können über die Prozessparameter gezielt eingestellt werden.

Zur Herstellung derartiger Schichten wird die Plasmaaktivierte Chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) eingesetzt. In komplexer Weise wirken sich hierbei die verschiedenen Prozessparameter auf die Eigenschaften der hergestellten Schichten und Schichtsysteme aus. Das Verständnis von Zusammenhängen zwischen Prozessparametern und relevanten Schichteigenschaften und das Herleiten reproduzierbarer Herstellungsmethoden ist das Ziel ingenieurwissenschaftlicher Untersuchungen in diesem Projekt.