Biomaterialien Handout 08

1 Einführung in die Biomedizinische Technik – Biokompatible Werkstoffe

Biomaterialien – intelligentes Design in der Natur

SS 2009

Priv.Doz.Mag.Dr.rer.nat. Helga Lichtenegger308.119

Biokompatible WerkstoffeWS 2008/2009

Termine: Montag 9 – 12 Uhr Theresianumgasse 27 (Institut für Managementwissenschaften), HS 1:27.10. # 17.11. # 24.11. # 1.12. # 15.12.Karlsplatz 13, HS 11 (Paul Ludwik): 12.01.09 # 19.01.09 # 26.01.09

Biokompatible Werkstoffe - Überblick (I)

1. Einleitende Betrachtungen2. Biokompatibilität und Biofunktionalität

- Grundlagen und Definitionen- Sterilisation

3. Das biologische System- Zelle- Gewebe- Immunsystem

4. Reaktionen des menschlichen Körpers auf Werkstoffe und Bauteile

5. Bestimmung der Biokompatibilität mittels in vitro und in vivo Methoden


Biokompatible Werkstoffe - Überblick (II)6. Biokompatible Werkstoffe

1. Medizintechnik und Verpackungensbereich2. Anisotrope biokompatible Faserverbundwerkstoffe

(Osteosyntheseplatten, Schrauben)3. Implantate für den Bewegungsapparat

• Hüftgelenk-Endoprothese• Knieendoprothese• Problematik des polymeren Gleitflächenersatzes• Rückenimplantat• Knochenzement• Prüfverfahren

4. Degradables Osteosynthesesystem für die Gesichtschirurgie5. Schädelimplantate6. Natürliche Polymere7. Wundverbände und Nahtmaterialien8. Gefäßimplantate9. Kontrollierte therapeutische Systeme10. Werkstoffanwendungen in der Zahnmedizin

Polyethylen – Ein biokompatibler Werkstoff?

• Einleitung– Biokompatibilität– Motivation– Polyethylen

• Molmasse• Herstellung• Sterilisation• Alterung (Lagerung)• Deformation und Schädigung• Schlussfolgerung

Biokompatibilität

• Verträglichkeit zwischen einem technischen und einem biologischen System

• Sie gliedert sich in die Strukturkompatibilität– Anpassung der Implantatstruktur an das mechanische Verhalten

des Empfängergewebes– beinhaltet Formgebung (Design) und die “innere Struktur” (z.B.

die Ausrichtung von Fasern in anisotropen Werkstoffen)– Ziel: Struktur-Mimikry

und die Oberflächenkompatibilität– Anpassung der chemischen, physikalischen, biologischen und

morphologischen Oberflächeneigenschaften des Implantates an das Empfängergewebe mit dem Ziel einer klinisch erwünschten Wechselwirkung


Implantat-Gewebe-Interaktionen

Implantateigenschaft Gewebereaktion

inkompatibel Gewebenekrose

kompatibel Gewebe bildet eine nicht-adhärente Bindegewebskapsel um das Implantat

bioaktiv Gewebe bildet eine Bindung mit dem Implantat aus

degradabel Gewebe ersetzt Implantat

Gelenkersatz

Prognose

THA ... Total Hip ArthoplastyTKA ... Total Knee Arthoplasty

Quelle: AAOS (American Academie of Orthopedic Surgeons)

800

700

600

500

400

300

200

100

01995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035

Year

Thou

sand

s of

Prim

ary

Proc

edur

es (

U.S

.)

AAOS Projections (2002)THATKATHA + THR


Schädigung und Implantatdesign

Ursachen• Maximale Spannungen• Constraint, insbesondere beeinflusst vom Design• Bindungsfehler im PE-UHMW• OxidationsgradWirkung• Pitting• Eingebettete Fremdkörper• Kratzer• Delamination• Oberflächendeformation, Abrasions- und

Adhäsionsverschleiß


• Pitting– Oberflächendefekte mit einem Durchmesser von 2 – 3 mm und einer

Tiefe von 1 – 2 mm– Form des Ermüdungsverschleißes und mit der Freisetzung von

Verschleißpartikeln verbunden; kritische Partikelgröße• Eingebettete Fremdköper

– PMMA, Knochensplitter, Metallteilchen– Dreikörperverschleiß, erhöhte Verschleißraten

• Kratzer– Abrasionsverschleiß, hervorgerufen durch Fremdkörper oder

Oberflächenrauigkeiten• Delamination

– Ermüdungsverschleiß– In Verbindung mit Oxidation infolge Versprödung katastrophales

Versagen

Quelle: Kurtz: The UHMWPE Handbook. Elsevier 2004




• Röntgenaufnahme (stehend) zeigt die Veränderung im Abstand auf der Innenseite

• Die PE-UHMW Komponente ist auf der Innenseite vollkommen verschlissen

• Der tibiale Teil ist vom femuralen „poliert“ worden, was zu einer Metallose des umgebenden Gewebes führte



• Hauptursachen für das Versagen der Stütze– Ermüdung– Bruch– Adhäsionsverschleiß


Verschleißverhalten während der Implantatlebensdauer

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

00 2 4 6 8 10

Implantation Time (y)

Wea

r (m

m)

Charnley and Halley(1975)

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Wea

r Ra

te (

mm

y)

-1

Wear

Wear Rate


Volumetrische Verschleißrate

PE-HD PE-UHMW0

100

200

300

400

500W

ear

Rate

(

mm

3 /106 c

ycle

s)

Quelle: Eddin et al: J. Arthroplasty 15 (2000) 321

Struktur – Verarbeitung – Eigenschaften in teilkristallinen Polymeren

Chemische Struktur

Konstitution (chemischer Aufbau, Art der Monomere)Mittlere Molmasse und MolmassenverteilungKonfiguration (räumliche Anordnung der Substituenten)VerzweigungsgradKonformation

Verarbeitung

MischenOrientierungenThermische VorgeschichteNukleierung/AdditiveAbbau/Vernetzung

Physikalische Struktur – nano

kristalline PhaseKristallstrukturGitterparameterForm und Dimension der LamellenLangperiodeRel. Anteil und Struktur der GrenzschichtenKristallisationsgrad

Physikalische Struktur – mikro und makro

OrientierungenEigenspannungenSphärolithgrößenverteilungenMorphologiegradienten

amorphe PhaseZahl, Art, Orientierung der tie-molekülePhysikalische Vernetzung (Verschlaufungen, Verhakungen)

Physikalische und Chemische Eigenschaften

Prüfbedingungen

TemperaturGeschwindigkeit Medium

Lamellenstruktur eines teilkristallinen Polymeren

LP LangperiodeLc LamellendickeLa Dicke der amorphen BereicheLT Mindestlänge zur Bildung eines Tie-Moleküls


Charakteristische Kennwerte vonPE-HD und PE-UHMW

Eigenschaft PE-HD PE-UHMWMW (g mol-1) 0.05 – 0.25 × 106 2 – 6 × 106

Tm (°C) 130 – 137 125 – 138

ν 0.4 0.46

ρ (g cm-3) 0.952 – 0.965 0.932 – 0.945

E (N mm-2) 400 – 4000 800 – 1600

σy (N mm-2) 26 – 33 21 – 28

σB (N mm-2) 22 – 31 39 – 48

εB (%) 10 – 1200 350 – 525aiU, B = 3.175 (J m-1) 21 – 214 > 1070 (kein Bruch)

Kr (%) 60 – 80 39 – 75

HDPE (120,000 g/mol)2-4 million g/mol4-6 million g/mol

250

200

150

100

50

00 0.5 1 1.5 2 2.5

True Strain

True

Str

ess

(MPa

)

Einfluss der Molmasse auf das wahreσ – ε Verhalten

RT, 30 mm min-1


Prüfkörperpräparation und Small Punch Test

• Durchmesser 6.4 mm, Dicke 0.5 mm• Prüfkörper werden auf ein rundes Widerlager gesetzt und mittels

Gegenstück fixiert• Die geschlossene Form wird in die Materialprüfmaschine eingebaut und

die Belastung erfolgt über den Dorn mit 0.5 mm min-1

• Messgröße: Kraft-Verschiebungs-Diagramm


Einfluss der Molmasse auf das Werkstoffverhalten im Small Punch Test

RT, 0.5 mm min-1

120,000 g mol-1

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

Displacement (mm)

Load

(N

)

4-6 million g mol-1

2-4 million g mol-1

500,000 g mol-1

Quelle: Edidin et al: Transactions of the 46th Orthopedic Research Society 25 (2000)

Molmasse und Risswachstumsgeschwindigkeit

3.2 9.5 15.8 22.1 28.4 34.7

1.7 10-6

1.7 10-7

1.7 10-8

1.7 10-9

1.7 10-10

1.7 10-11

10-3

10-5

10-7

10-9

2.5 5.1 7.7 10.3K (MPamm )I

1/2

da/d

t (m

s)

-1

K = 1.3 Iscc MPamm1/2


MM

w1

w2



K (MPamm )I1/2

MM

w3

w4da/d

t (m

s)

-1

ba

MW1 > MW2, Methanol,T = 22 °C

MW3 > MW4, 5%ige Dispergatorlösung,T = 25 °C

Herstellungsverfahren unter Reinraumbedingungen

• Pressen zu– Halbzeugen (Platten 1 × 2 m2 bis 2 × 4 m2,

Dicke 30 mm – 80 mm, Presszeit ≈ 24 h)oder

– Endprodukten• Ram Extrusion

– Durchmesser 20 mm bis 80 mm;langsame Abkühlung

• Heißisostatisches Pressen– Schutzgas (Ar)– Hohe Isotropie

Hydraulic Ram

FrameElectric

Heating Mantle

Hopper intoExtruder

Support Rack

ExtrudedRod ofUHMWPE

UHMWPEPowderSupplyRamp/Chute


Herstellungsverfahren und Eigenschaft

Werkstoff ρ (g cm3) σy (N mm-2) σB (N mm-2) εB (%)

GUR 1020extrudiert 0.935 ± 0.001 22.3 ± 0.5 53.7 ± 4.4 452 ± 19

GUR 1020gepresst 0.935 ± 0.001 21.9 ± 0.7 51.1 ± 7.7 440 ± 32

GUR 1050extrudiert 0.931 ± 0.001 21.5 ± 0.5 50.7 ± 4.2 395 ± 23

GUR 1050gepresst 0.930 ± 0.002 21.0 ± 0.7 46.8 ± 6.4 373 ± 29


Sterilisationsverfahren

• γ-Sterilisation– bis 1998 an Luft, seit dem in Inertgasatmosphäre oder

Atmosphäre mit reduziertem Sauerstoffgehalt– Dosis 25 – 40 kGy

• Gassterilisation (Ethylenoxid)– Hoch toxisch, was besonders sorgsamen Umgang und Einhaltung

strenger Richtlinien erforderlich macht• EtO diffundiert in Oberflächenbereiche, d.h. ausreichende

Lagerzeiten nach der Sterilisation erforderlich– Vorteil: es sind bisher keine substanziellen Einflüsse auf die

physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von PE-UHMW bekannt

• Gas Plasma Sterilisation– Niedertemperatur Peressigsäure Gasplasma (3-4 h)– Wasserstoffperoxid Gasplasma (75 min)

Vernetzung und Degradation

a ... Primärradikalbildung (1)b ... Sekundärradikalbildung (3)Rekombination (2,4) ist wahrscheinlich für die MakroradikaleH• kann in amorpher und kristalliner Phase diffundieren und inter- oder intramolekular H-Atome extrahieren

in kristalliner und amorpher Phase

ΔH = -288 kJ mol-1

ΔH = -30 kJ mol-1


Vernetzung und Degradation

PE enthält in der amorphen Phase in geringen Konzentrationen Doppelbindungen, tertiäre C-Atome und MethylgruppenStrahlungsinduzierte Makroradikale reagieren mit endständigen Doppelbindungen und bilden dabei Y-Vernetzungen (ΔH = - 88 kJ mol)Primärer Vernetzungsmechanismus bei γ- oder e-Strahlenvernetzung im festen Zustand

Wärmebehandlung und Sterilisation

30 kGy (Nitrogen)100 kGy - T = 130 °C100 kGy - T = 150 °C

60

50

40

30

20

10

00 50 100 150 200 250 300 350 400

Elongation (%)

Engi

neer

ing

Stre

ss (

MPa

)

30 mm min22 + 1 °C

-1

_

Wärmebehandlung und Sterilisation Biaxiale Ermüdung im Small Punch Test

GUR 1050F = 68 N, Versagen nach 7289 ZyklenVersagen tritt bei größeren Verschiebungen ein

GUR 1050 + 100 kGy γ + 150 °CF= 67 N, Versagen nach 7994 Zyklen

Quelle: Villaraga et al: J. Biomed. Mater. Res. A 66a (2003) 298


Sterilisation und AlterungSmall Punch Test, GUR 1020

• Nach 10 Jahren Lagerung in N2 sind keine Änderungen im Kraft-Verschiebungs-Verhalten nachweisbar.

• Mit diesem Experiment wurde erstmals der Nachweis erbracht, dass Inertgas enthaltende Verpackungssysteme eine oxidative Schädigung während der Lagerung verhindern.

Quelle: Edidin et al: Transactions of the 46th Orthopedic Research Society 25 (2000)

100

0 Displacement (mm) 5

Load

(N

)

10 years -Nγ 2 0 years -Nγ 2

5 years -Airγ

Wahre plastische Dehnung und Dichte bei dynamischer Beanspruchung

0.915 0.920 0.925 0.930 0.935 0.940 0.9450.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

sterilisiertR2=0.9037

unsterilisiertR2=0.9187

, N = 1 @ ε = 0.5, N = 10 @ ε = 0.5, N = 100 @ ε = 0.5, N = 1 @ ε = 1, N = 10 @ ε = 1, N = 100 @ ε = 0.12

ε tpl

ρ (g cm-3)Quelle: Meyer et al: Polymer 42 (2001) 5293

Lamellenausrichtung und zyklische Beanspruchung

1 µm 1 µm

1 µm 1 µm

Quelle: Meyer et al: Polymer 42 (2001) 5293

Ausgangs-zustand

N = 100 @ ε = 0.5

N = 10 @ε = 1

N = 100 @ ε = 0.12


Teilkristalline Kunststoffe PP – Deformationsmechanismen

Quelle: Michler, G. et al: J. Mat. Sci. 39 (2004) 3281

Interlamellares Gleiten:Drehung der Lamellenpakete in Beanspruchungsrichtung

Intralamellares Gleiten:Orientierung der Ketten in Beanspruchungsrichtung

Amorphe Phase:

konformationsabhängiges Orientierungsverhalten:

• tie-Moleküle richten sich in Beanspruchungsrichtung aus

• Kettenenden sind nicht orientierbar• Verzweigungen und kurze Ketten

orientieren sich nur wenig

Einfluss der Tie-Moleküldichte

H. Beerbaum, PhD Thesis, Halle (S.) 2000J.J. Strebel et al, J. Polym. Sci. B Polym. Phys. 1995

Polyethylen ist ein biokompatibler Werkstoff aber

erst wenn grundlegende Struktur-Eigenschaftszusammenhänge wie

„Highly crosslinked“ und ErmüdungDeformationsmechanismenSpannungsrisskorrosion und AlterungSpannungsinduzierte Phasenumwandlung

geklärt sind, wird es möglich sein, realistische Abschätzungen zur Lebensdauer vorzunehmen und die erforderlichen Schlussfolgerungen zu ziehen.

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