TU BRAUNSCHWEIG

Konsortium: AdvantIQx (Augsburg), TU Braunschweig (Braunschweig), TU Darmstadt (Darmstadt), Schweizer Feinwerktechnik (Bad Boll)

Verbundname: Nanostrukturierte Titanlegierung mit unterschiedlichen E-Moduli für ein innovatives Dentalimplantat

Akronym: IdentiTI

Teilvorhaben IfW: Erforschung der Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehung von nano-strukturiertem Ti 13Nb13Zr

Beschreibung: Konventionelle Dentalimplantatsysteme werden aus CP-Titan Grad 4 (Titan technischer Reinheit) im Implantatbereich und aus der Legierung Ti 6Al 4V im Abutmentbereich gefertigt. Beim Einsatz dieser Systeme treten mehrere, noch ungelöste Probleme auf. Hierzu zählen Periimplantitis, crestaler Knochenrückgang, Implantat- und Abutmentbrüche sowie Schraubenlockerungen. Als Werkstoff in diesem Gesamtvorhaben ist die Ti-tanlegierung Ti 13Nb 13Zr vorgesehen, um einerseits den Einsatz von potenziell kritischen Legierungselementen (beispielsweise Aluminium und Vanadium in der Legierung Ti 6Al 4V) zu vermeiden. Das Material kann andererseits im Vergleich zu CP-Titan Grad 4 (etwa 105 GPa) oder der Legierung Ti 6Al 4V (etwa 110 GPa) mit einem deutlich reduzierten E-Modul eingestellt werden. Eine Besonderheit liegt zusätzlich darin, dass sich der E-Modul durch Wärmebehandlungen in weiten Bereichen variieren lässt. Beispielsweise kann ein niedriger E-Modul für das Implantat und ein hoher E-Modul für das Abutment eingestellt werden. Für die Osseointegrationsfähigkeit ist die Oberflächenstruktur eines Implantats entscheidend. Eine durch Severe Plastic Deformation (SPD) umgeformte Ti 13Nb 13Zr-Legierung (das so genannte Nano-TNZ) weist aufgrund der ultra-feinkörnigen Struktur (0,3μm) eine hohe Osteokonduktivität auf. Ti 13Nb 13Zr ist also die Titanlegierung der zweiten Generation mit dem größten Potenzial für Anwendungen in der Medizintechnik unter allen Legierungen der zweiten Generation, wie beispielsweise Ti 15Mo (Einstellmöglichkeit der Materialeigenschaften nur in sehr geringem Umfang vorhanden) oder Ti 15Mo 5Zr 3Al (wie Ti 15Mo, zusätzlich ist Aluminium enthalten).  

Der Einsatz von Ti 13Nb 13Zr mit konventionellen Korngrößen in der Implantattechnik ist bisher problematisch, da entweder die Festigkeit bei geringer Steifigkeit zu gering oder der E-Modul bei ausreichender Festigkeit zu hoch ist. Zurzeit wird die Legierung Ti 13Nb 13Zr mit einem nano-kristallinen Gefüge (Nano-TNZ) nicht in größeren Mengen produziert (nur Labormaßstab) und daher auch nicht in Implantaten eingesetzt. Dies stellt in dem vorliegenden Antrag also eine innovative Neuerung dar. Nano-kristalline Gefüge werden mittels Massivumformung (hier ECAP oder ECAS) hergestellt. Nach der Umformung der Legierung Ti 13Nb 13Zr durch das ECAP- oder ECAS-Verfahren ergeben sich Materialeigenschaften, die einen Einsatz des Materials in der Medizintechnik in der Regel ausschließen. Die Spezifikation ASTM F1713, in der die Legierung Ti 13Nb 13Zr für medizintechnische Anwendungen genormt ist, schreibt eine Mindestbruchdehnung von 8% im umgeformten Zustand vor. Der hohe Umformgrad und die damit verbundene (Kalt)Verfestigung sind beim ECAP- und ECAS-Verfahren jedoch so hoch, dass eine Bruchdehnung im Zugversuch von unter 5% zu erwarten ist.

Im Rahmen des Teilprojekts des IfW der TU Braunschweig soll daher erforscht werden, ob und wie sich die unvermeidbare (Kalt)Verfestigung von Nano-TNZ ganz oder teilweise beseitigen lässt, um so die Bruchdehnung zu erhöhen ohne dabei die Nanostruktur zu zerstören. Dabei soll die Festigkeit möglichst hoch bleiben, um frühzeitige Brüche beim Einsatz der Legierung in der Medizintechnik zu vermeiden. Eine Textur sollte ebenfalls weitgehend entfernt werden, um isotrope Materialeigenschaften einzustellen.

Die konkreten Anforderungen an die Materialeigenschaften des zu entwickelnden Dentalimplantatsystems sind dabei sehr vielfältig: Das Implantat soll eine möglichst niedrige (knochenähnliche) Steifigkeit bei einer hohen Festigkeit, einer guten Duktilität und einer guten Korrosionsbeständigkeit haben. Im Abutment ist hingegen eher eine hohe Steifigkeit bei einer sehr hohen Festigkeit mit ausreichender Bruchdehnung gefordert. Die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit sind noch einmal höher, da hier Fluoridionen vorhanden sind (z.B. durch Flourid-haltige Zahnpasta).

Durch die Erforschung der Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehung der Titanlegierung Nano-TNZ in Folge von mehrstufigen Wärmebehandlungen und der Entwicklung einer auf Dentalimplantate abgestimmten Wärmebehandlungsprozedur nach der Umformung mittels ECAS soll diese Legierung also für den Einsatz in Implantaten generell qualifiziert werden, so dass sie als Werkstoff für ein innovatives Dentalimplantat eingesetzt werden kann.

Organsisation / Weitere Infromationen

Projektleiter: Carsten Siemers

Projektbearbeiterin: Lina Klinge

Projektnummer: 13XP5093C / IdentiTi (BMBF)

Projektlaufzeit: 1. August 2019 bis 31. Januar 2022


  last changed 30.07.2019
TU_Icon_E_Mail_1_17x17_RGB pagetop