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Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten für medizinische Implantate.

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Präsentation zum Thema: "Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten für medizinische Implantate."—  Präsentation transkript:

1 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten für medizinische Implantate

2 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Übersicht - Was ist DLC? - Synthetisierung von DLC - Dotierbarkeit und Eigenschaften von DLC - DLC-Beschichtungen für künstliche Hüftgelenke - Erzeugung und Untersuchung der Abriebpartikel - Zusammenfassung und Ausblick

3 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten für medizinische Implantate - DLC steht für diamond-like carbon (diamantähnlicher Kohlenstoff) - DLC ist eine amorphe Modifikation des Kohlenstoffes - herausragende Eigenschaft: außerordentlich hart - daher der Namensbezug zu Diamant - DLC läßt sich sehr einfach dotieren und ist daher eine ganze Klasse von Materialien (Kennzeichnung wird in VDI-Norm 2840 beschrieben) Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

4 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung kleiner Exkurs in die Atomphysik: Hybridisierung von Orbitalen Kohlenstoff ist Nr. 6 im PDE - 2 Elektronen auf der K-Schale (1s 2 -Orbital - in der Chemie und auch für unsere Betrachtungen unwichtig) - die 4 anderen Elektronen verteilen sich im Grundzustand auf das 2s 2 - und 2p 2 -Orbital der L-Schale - die Elektronen der L-Schale können durch Anregung Hybridorbitale bilden, z.B. 3 sp 2 - oder 4 sp 3 -Orbitale DLC-Schichten für medizinische Implantate Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

5 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung - Schreibweise: 2p 1 [sp 2 ] 3 Orbitale liegen in der Ebene Kristallstruktur des Graphits DLC-Schichten für medizinische Implantate sp 2 -Hybridisierung: - die beiden 2s-Orbitale und ein 2p-Orbital hybridisieren zu 3 sp 2 -Orbitalen Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

6 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung - Schreibweise: 2[sp 3 ] 4 tetraedische Anordnung der OrbitaleDiamantgitter DLC-Schichten für medizinische Implantate sp 3 -Hybridisierung: - die beiden 2s-Orbitale und die beiden 2p-Orbitale hybridisieren zu 4 sp 3 -Orbitalen Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

7 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC enthält beide Hybridisierungstypen: - sp 2 -hybridisierten und sp 3 -hybridisierten Kohlenstoff in unterschiedlichen Anteilen - DLC vereint die typischen Eigenschaften von Graphit und Diamant, z.B. den geringen Gleitreibungskoeffizienten von Graphit mit der hohen Härte des Diamanten (diamantähnlich...) - welche der Eigenschaften überwiegt hängt vom sp 2 / sp 3 -Verhältnis ab DLC-Schichten für medizinische Implantate - sp 3 -Anteil über 50%: ta-C (tetraedische amorphe Kohlenstoffschicht) - sp 3 -Anteil unter 50%: a-C (amorphe Kohlenstoffschicht) - sp 2 / sp 3 -Verhältnis ist wichtiges Charakterisierungsmerkmal von DLC Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

8 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Synthetisierung von DLC - PECVD-Verfahren - Laser- und Ionenstrahlgestützte Verfahren - Kathodenzerstäubung - Vakuumlichtbogen (anodischer- und kathodischer Modus) - verschiedene Durchmesserverhältnisse Anode / Kathode realisierbar Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

9 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten für medizinische Implantate Dotierbarkeit und Eigenschaften von DLC - grundsätzliche Unterscheidung: wasserstoffhaltig oder - frei - Kennzeichnung: a-C:H bzw. ta-C:H - DLC ist auch mit Metallen und Nichtmetallen dotierbar - Kennzeichnung (2 Beispiele): a-C:Au und a-C:H:Si Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

10 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - Transparenz - Elastizität - Härte - elektrische Leitfähigkeit - Benetzbarkeit - Palette der Eigenschaften ist via Dotierung vielfältig einstellbar, z.B.: - gemeinsame Eigenschaften: - chemische Inertheit - Korrosionsbeständigkeit - niedriger Gleitreibungskoeffizient - Biokompatibilität Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

11 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - Biokompatibilität von DLC hat bereits zur einer Reihe von Anwendungen geführt, z.B.: - Beschichtung auf Stents - Beschichtung auf Kontaktlinsen gute Elastizität bei gleichzeitiger Barrierewirkung für Metallionen erhöhte Benetzbarkeit bei gleichzeitiger Transparenz Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

12 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Unser Interessensgebiet: - Erhöhung der Lebensdauer künstlicher Hüftgelenke Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

13 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - Anzahl jährlich implantierter künstlicher Hüftgelenke: weltweit, davon allein in Deutschland - Operation an sich ist ein Routineeingriff - die Lebenserwartung (Standzeit) von 10 bis 15 Jahre ist jedoch unbefriedigend - Ursache (u.a.): Lockerung des Implantates durch nicht-bekämpfbare Abriebpartikel DLC-Beschichtungen für künstliche Hüftgelenke Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

14 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - in der Gleitpaarung Gelenkkopf / Pfanne entstehen Abriebpartikel - Abriebpartikel < 0,3 µm werden von den Freßzellen des Immunsystems entsorgt und stellen kein Problem dar - Abriebpartikel > 10 µm können eingekapselt und im Gewebe eingelagert werden - auch dies stellt kein Problem dar. Einzige Beschränkung: Partikel pro Gramm Gewebe - Abriebpartikel im Größenbereich dazwischen können vom Immunsystem nicht bekämpft werden das Immunsystem bekämpft den Knochen als vermeintlichen Verursacher des Problems - dies führt zu Knochenabbau (Osteolyse), Lockerung und letztlich zum Verlust des Implantates - Problematisch: Häufig kann wegen des Knochenabbaus keine Folgeoperation durchgeführt werden - für den Patient bedeutet dies ein Leben im Rollstuhl Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

15 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - erhöhte Lebenserwartung und aktiverer Lebensstil werden das Problem weiter verschärfen - konkret heißt dies: Die Größe der Abriebpartikel soll 0,3 µm nicht übersteigen - hier kommt DLC zum Zuge: - DLC ist über Dotierung und Abscheideparameter designbar unser Ziel ist es daher, eine DLC-Schicht zu entwickeln, deren Abriebpartikel die Größe von 0,3 µm nicht überschreiten - Lebensdauer von künstlichen Hüftgelenken muß dem angepaßt, sprich erhöht werden Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

16 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten - Zunächst muß grundsätzlich gezeigt werden, daß sich die Abriebpartikelgröße beeinflussen läßt - beeinflußbare Parameter bei der Abscheidung: 1. Biasspannung (beeinflußt die Ionenenergie und somit Haftung) 2. A/K-Verhältnis (beeinflußt den Ionisierungsgrad des Plasma und Ionenenergie) ( 3. Dotiersubstanzen, insbesondere Wasserstoff ) ( 4. Multilayerschichten ) - grundsätzliche Idee, dies zu erreichen: - Abscheidung unter verschiedenen Parametern korreliert mit unterschiedlichen Abriebpartikelgrößen - Abscheidung erfolgt auf sog. P2000-Stahl (sehr gut für Knochenimplan- tate geeignet) in Form von je einer Scheibe und eines Stiftes Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

17 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Erzeugung und Untersuchung der Abriebpartikel - Erzeugung der Abriebpartikel erfolgt in einem kommerziell erhältlichem Tribometer (Scheibe-auf-Stift Aufbau) - Scheibe reibt mit definierter Kraft (5N) über den Stift - die entstehenden Abriebpartikel werden in einem Gefäß mit VE-Wasser aufgefangen - anschließend Untersuchung der Größenverteilung der Abriebpartikel in einem kommerziellen Nanopartikelanalysator Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

18 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Partikelgrößenverteilung zweier Proben im Vergleich Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick

19 Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck Topic I Topic II Topic III Zusammen- fassung DLC-Schichten in medizinischen Implantaten Zusammenfassung und Ausblick - DLC ist eine Materialklasse basierend auf amorphem Kohlenstoff - DLC ist biokompatibel und kann leicht dotiert werden, seine Eigen- schaften sind somit und über die Parameter bei der Abscheidung in einem weitem Bereich einstellbar - in dieser Eigenschaftenkombination kommt DLC als Beschichtung für künstliche Hüftgelenke in Frage Voraussetzung hierfür: Es muß eine Beschichtung entwickelt werden, deren entstehende Abriebpartikel < 0,3 µm sind - Korrelation von Parametern bei der Abscheidung mit Abriebpartikel- größenverteilung wurde bereits gezeigt - Versuche mit Multilayerschichtung und dem Einbau von Wasserstoff in die Schicht werden folgen Was ist DLC? Synthetisierung von DLC Dotierbarkeit und Eigen- schaften von DLC DLC-Beschich- tungen für künstliche Hüft- gelenke Erzeugung und Untersuchung der Abrieb- partikel Zusammen- fassung und Ausblick


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