Was sind biomedizinische Titanlegierungen und wozu werden sie verwendet?

Biomedizinische Titanlegierungen werden in Implantaten und medizinischen Geräten eingesetzt, da sie Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit, ausreichende Festigkeit und eine relativ geringe Dichte vereinen. Handelsreines Titan und Ti-6Al-4V sind etablierte Werkstoffe, während β-Legierungen mit niedrigerem Elastizitätsmodul derzeit untersucht werden, um die Steifigkeitsdiskrepanz zum Knochen zu verringern. Im Folgenden werden ihre Einsatzbereiche und die Materialauswahl verglichen.

Was ist eine biomedizinische Titanlegierung?

Biomedizinische Werkstoffe interagieren mit biologischen Systemen, um Gewebe und Organe zu diagnostizieren, zu behandeln, zu reparieren oder zu ersetzen bzw. deren Funktion zu verbessern. Dazu zählen medizinische Metalle, Polymere und Keramiken. Metalle spielen insbesondere bei orthopädischen und kardiovaskulären Produkten eine wichtige Rolle. Titan zeichnet sich durch eine günstige biologische Reaktion, eine gute Gewebeverträglichkeit und das Fehlen einer inhärenten Magnetisierung aus, was seinen umfassenden Einsatz in der Medizin ermöglicht.

Biomedizinische Titanlegierungen vereinen Biokompatibilität, mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und eine geringe Dichte. Eine hohe Festigkeit und ein relativ niedriger Elastizitätsmodul können das Stress-Shielding verringern und die Knochenheilung unterstützen. Titan ist bioinert und in physiologischen Umgebungen korrosionsbeständig. Seine Dichte beträgt etwa 56% der von Edelstahl, wodurch das Gewicht des Implantats reduziert wird. Die Entwicklung hat sich von kommerziell reinem Titan und Ti-6Al-4V hin zu modifizierten Legierungen und β-Titanlegierungen mit niedrigem Elastizitätsmodul weiterentwickelt.

Klassifizierung und mechanische Eigenschaften

Biomedizinische Titanlegierungen werden anhand ihrer Mikrostruktur in α-, α+β- oder β-Legierungen unterteilt. Kommerziell reines Titan und Ti-6Al-4V finden in der klinischen Praxis nach wie vor breite Anwendung. Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt sind β-Legierungen mit niedrigerem Elastizitätsmodul und verbesserter Biokompatibilität.

Legierungen der zweiten und dritten Generation weisen im Allgemeinen einen niedrigeren Elastizitätsmodul auf und enthalten zunehmend größere Mengen an Niob. Ti-35Nb-7Zr-5Ta und verwandte Ti-Nb-Ta-Zr-Systeme gehören zu den Werkstoffen mit dem niedrigsten Elastizitätsmodul, die hier aufgeführt sind. Der angegebene Elastizitätsmodul beträgt für Ti-35Nb-7Zr-5Ta 55 GPa, verglichen mit etwa 30 GPa bei Knochen. Superelastische β-Legierungen auf Ti-Nb-Basis sind besonders gut erforscht.

Zu den neuen β-Legierungen zählen die Systeme Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr und Ti-Ta. Potenziell schädliche Elemente wie V, Al, Ni und Cr werden zunehmend durch biokompatible Elemente wie Nb, Zr, Ta, Sn, Pt und Mo ersetzt. Ti-Nb-Legierungen zeichnen sich durch einen niedrigen Elastizitätsmodul aus, kommen ohne Aluminium und Vanadium aus und werden intensiv als medizinische Metalle erforscht.

Biomedizinische Eigenschaften

Hohe spezifische Festigkeit

Titanlegierungen haben eine Dichte von etwa 4,51 g/cm³, etwa 60% im Vergleich zu Stahl. Reines Titan erreicht nahezu die Festigkeit von gewöhnlichem Stahl, während hochfeste Titanlegierungen viele Baustähle übertreffen. Ihr hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte ermöglicht die Herstellung starker, steifer und leichter Bauteile. Herkömmliche medizinische α-Legierungen können aufgrund ihres höheren Elastizitätsmoduls zu einer Spannungsabschirmung führen. Durch Legieren, plastische Verformung und Lösungsglühen lassen sich die Kristallstruktur verändern und der Elastizitätsmodul des Implantats verringern.

Korrosionsbeständigkeit

Titanlegierungen übertreffen Edelstahl in feuchter Luft und Meerwasser und sind beständig gegen Lochfraß, Säureangriffe und Spannungskorrosion. Sie sind zudem beständig gegen Laugen, Chloride, chlorierte organische Verbindungen, Salpetersäure und Schwefelsäure, wenngleich ihre Leistungsfähigkeit in einigen reduzierenden oder chromathaltigen Medien geringer ist.

1. Ti-39Nb weist in physiologischer Kochsalzlösung ein Korrosions- und Zersetzungsverhalten auf, das mit dem von reinem Titan vergleichbar ist, und zeigt in fluoridhaltigen Umgebungen eine deutlich bessere Leistung.
2. Ti-10Nb-10Zr zeigt in 3,5% NaCl und künstlichem Speichel eine gute Beständigkeit, wobei die Abbaurate in künstlichem Speichel besonders gering ist.
3. Ti-26Nb-4Zr-3Mn und Ti-26Nb-4Zr-5Mn weisen in der Hank-Lösung hohe Korrosionspotenziale und niedrige Stromdichten auf, was auf eine gute Korrosionsbeständigkeit hindeutet.