ImPatienCe – Duktile Keramiken für patientenspezifische Implantate
Projekt
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Projektlaufzeit
01.04.2026 - 31.03.2029
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Projektart
Verbundforschungsprojekt
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Projektstatus
Laufend
Kurzbeschreibung
Im Projekt „ImPatienCe“ werden 3D-gedruckte duktile, Ceroxid-stabilisierte Zirkonoxid-Verbundwerkstoffe für patientenspezifische Anwendungen untersucht. Im Rahmen dieses Projekts werden Synchrotron-Röntgenverfahren eingesetzt, um spannungsinduzierte Umwandlungsbänder und die Bildung von Mikrorissen zu untersuchen und so Zusammenhänge zwischen mikrostrukturellen Unterschieden und der Leistungsfähigkeit herzustellen.
Ort
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin
Gegenstand
Keramikimplantate sind im Allgemeinen biokompatibel und verschleißfest, doch aufgrund ihrer Sprödigkeit sind sie anfällig für Defekte, insbesondere bei im 3D-Druckverfahren hergestellten Implantaten. Ceria-stabilisierte Zirkonoxid-Verbundwerkstoffe (Ce-TZP) könnten eine vielversprechende Alternative darstellen. Unter mechanischer Belastung wandelt sich die tetragonale Zirkonoxidphase in eine monokline Phase um, was zu einer Erhöhung der Duktilität führt. Das Projekt „ImPatienCe“ untersucht solche durch diese Umwandlung induzierten Mechanismen mithilfe von In-situ-Synchrotron-Röntgenverfahren.
Ziel
Das Projekt ImPatienCe zielt darauf ab, die Entstehung dreiphasiger Ce-TZP-Mikrostrukturen während der Verarbeitung sowie deren Auswirkungen auf Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität und Eigenspannungen zu untersuchen. Ziel ist es, die Formulierungen für die Stereolithografie, die Verarbeitungsverfahren und die Wärmebehandlungen zu optimieren, reversible Phasenumwandlungen zu untersuchen und zuverlässige mechanische Eigenschaften für additiv gefertigte Implantate maßzuschneidern.
Methodik
Im Projekt ImPatienCe untersucht die BAM die Entstehung von spannungsinduzierten Transformationsbändern und mögliche Mikrorisse im Inneren von Ce-TZP-Verbundwerkstoffen mithilfe der Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie während In-situ-Zugversuchen. Darüber hinaus ermittelt die BAM mithilfe der Synchrotron-Röntgendiffraktometrie die phasenspezifischen Eigenspannungen und die Lastverteilung zwischen den Phasen.
Förderer
Project Koordination: Prof. Helen Reveron, MATEIS – INSA Lyon, France
Partner: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Förderung: Agence Nationale de la Recherche (ANR) and Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
ImPatienCe – Duktile Keramiken für patientenspezifische Implantate
Keramiken wie Zirkonoxid und Aluminiumoxid sind seit vielen Jahren attraktive Materialien für Implantate. Sie sind sowohl biokompatibel als auch sicher hinsichtlich der Freisetzung von Metallionen und weisen eine hohe Verschleißfestigkeit auf. Ihr Hauptnachteil ist ihre Sprödigkeit: Selbst kleine Defekte, wie sie beispielsweise beim 3D-Druck (hier durch Stereolithografie) entstehen, können zu einem plötzlichen Versagen führen. Dreiphasige, mit Ceroxid stabilisierte Zirkonoxid-Verbundwerkstoffe bieten hier einen attraktiven Ausweg. Unter Belastung wandeln sich ihre Zirkonoxidkörner von einer tetragonalen in eine monokline Kristallstruktur um. Diese Umwandlung induziert eine Plastizität, die eine Verformung der Keramik gestattet, bevor sie bricht. Mit anderen Worten: Durch Last wird ein „duktiles“ Verhalten gefördert, das das Material tolerant gegenüber Defekten macht . Zudem kann durch Erwärmung die Umwandlung rückgängig gemacht und die ursprüngliche Form wiederhergestellt werden (Formgedächtniseffekt). Im deutsch-französischen Projekt ImPatienCe untersuchen die BAM und das MATEIS-Labor (INSA Lyon), wie die Verarbeitung, das Sintern und die Mikrostruktur das mechanische Verhalten sowohl bei kalt-isostatisch gepressten als auch bei 3D-gedruckten (Stereolithografie) Keramiken beeinflussen. Die Ergebnisse werden die Entwicklung zuverlässiger patientenspezifischer Implantate unterstützen, beispielsweise für die Kieferrekonstruktion.
Radiographische Abbildung der Umwandlungen im Material
Da die optische und die Elektronenmikroskopie nur zeigen, was an der Oberfläche geschieht, nutzt die BAM die Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie (SXRR) an der BAMline am BESSY II. SXRR macht Transformationsbänder und potenzielle Mikrorisse sichtbar, die in den zugbelasteten Proben auftreten.
Eigenspannungen und Lastverteilung zwischen den Phasen
Dieser dreiphasige Keramikverbundwerkstoff besteht aus Zirkonoxid-, Aluminiumoxid- und Strontiumaluminat-Anteilen. Mithilfe der Röntgenbeugung wird der Eigenspannungszustand gemessen, um den Einfluss von Prozessparametern zu untersuchen. Zusätzlich werden während der Zugversuche In-situ-Synchrotron-Röntgenbeugungs-Messungen durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich die Last auf die verschiedenen Phasen verteilt. Im Ergebnis wird die kritische Spannung ermittelt, bei der die t→m -Umwandlung ausgelöst wird.
Förderung
Die BAM ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde
im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.
