Spritzgießen von Biomaterialien bietet neue Perspektiven

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angew. Materialforschung - IFAM -

In einer am IFAM durchgeführten Studie wurde der biokompatible Edelstahl 316L für die Mikrostrukturierung verwendet, um die Eignung des Prozesses für Implantatanwendungen zu prüfen. Zur Abbildung der Oberflächen wurden verschieden mikrostrukturierte Kavitäten verwendet, um Oberflächen mit Halbschalen von 50, 30 und 5 µm Durchmesser und einem Abstand von 20 µm zu erhalten (Bild 1 – siehe Bildergalerie). Das Pulver bestand aus einer Mischung aus Nano- und Mikropartikeln mit Durchmessern zwischen 15 nm und 5 µm), um eine möglichst präzise Abbildung zu erreichen.

Prozessparameter beim Mikro-Metallpulver-Spritzgießen beeinflussen die Oberflächenrauheit

Wie erste Untersuchungen zeigen, hat die halbschalenförmige Oberflächenstrukturierung offenbar eine bemerkenswerte Auswirkung auf das Zellverhalten. Osteoblasten, also knochenbildende Zellen, die auf Oberflächen von Edelstahl-Proben ausgesät wurden, tendierten dazu, sich zwischen den Hemisphären aufzuspannen, wie in Bild 2 zu sehen ist. Damit scheint eine definierte Steuerung des Zellwachstums über solche definierten Oberflächenstrukturen möglich.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Materialstruktur durch Variation der Verarbeitungsparameter gesteuert werden kann. Der Zusatz von Nanopartikeln beeinflusste zum Beispiel das Kornwachstum des gesinterten Produkts in Abhängigkeit von der Sintertemperatur, sodass erheblich reduzierte Korngrößen erzielt wurden.

Oberflächenrauheit lässt sich beim Mikro-Metallpulver-Spritzgießen direkt variieren

Die dadurch hervorgerufenen Veränderungen der Oberflächenrauheit konnten mit einem Rasterkraftmikroskop verdeutlicht werden (Bild 3). Die Bilder bestätigen, dass sich mit der Variation der Korngröße auch die topologischen Eigenschaften ändern können. Durch Variation der Prozessparameter und geschickte Auswahl der Pulver ist es somit möglich, direkt die Oberflächenrauheit zu variieren.

Ein weiteres Ziel, das die Mikrostrukturierung von Oberflächen mit dem µ-MIM-Prozess für die Implantatindustrie noch attraktiver machen würde, ist die Verarbeitung von biokompatiblem Titan. Dabei ist bisher das hohe Risiko von Verunreinigungen ein limitierender Faktor. Durch eine ausgefeilte Anpassung der einzelnen Prozessschritte war es möglich, Titanproben mit reduziertem Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt herzustellen, die dem Reinheitsgrad 2 entsprechen und somit für medizinische Implantate und Bauteile geeignet sind.

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