Verbesserungen bei der Herstellung künstlicher Gelenke

Die durchschnittliche Haltbarkeit von orthopädischen Implantaten beträgt lediglich etwa 10 Jahre. Dies liegt hauptsächlich an der Osteolyse, die durch den Verschleiß der Materialien verursacht wird. Daher mussten die vorhandenen, vor allem aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid bestehenden Keramikarten hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, Festigkeit, hydrothermischen Stabilität und des Risswiderstands verbessert werden.

Die Verbindung verschiedener Bestandteile ergibt häufig einen Verbundstoff mit guten chemischen und physikalischen Eigenschaften unter Nutzung der jeweiligen Vorteile der einzelnen Verbundmaterialien. Die Zugabe eines Zirkonoxidanteils bei Aluminiumoxid ergibt zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid (ZTA – Zirconia Toughened Alumina), ein „Verbundmaterial“ mit einer erhöhten Bruchfestigkeit, Biegefestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Die herkömmlichen Verfahren zur Gewinnung von ZTA-Bestandteilen haben sich als untauglich zur Erzielung einer feinen und homogenen Struktur erwiesen. Dennoch ermöglicht die neue Herstellungsmethode in nichtwässrigen Medien gegenüber den konventionellen Pulvermischverfahren die Präparation von Verbundstoffen mit einer deutlich kleineren und engeren, partikelgroßen Verteilung des Zirkonoxids. So können hochdichte ZTA-Nanoverbundstoffe (NZTA) mit einer sehr homogenen Mikrostruktur und besseren physikalischen Eigenschaften gewonnen werden.

Im Zuge des BIOKER-Projekts wurde herausgefunden, dass ein kleiner Anteil von gleichmäßig verteilten Zirkonoxid-Nanopartikeln für deren verbesserten Abnutzungswiderstand verantwortlich ist. Dadurch wird auch die Haltbarkeit verbessert. Die Zirkonoxidpartikel bilden unter Druck ein kompressives Restspannungsfeld, das den Nanoverbundstoff vor langsamem Risswachstum schützt. Auf diese Weise werden neue Wege für die Entwicklung von oxidkeramik-basierten Nanostruktur-Verbundstoffen erschlossen. In diesem Zusammenhang müssen noch die Schwierigkeiten bei der Massenproduktion von NZTA behandelt werden. Dabei ist zu beachten, dass deren Herstellung und Bearbeitung einfacher als bei entsprechenden Ersatzstoffen ist.