AMT | Anwendung von Pulvermetallurgie-Strukturteilen in porösen Beschichtungen auf Implantaten

Date：2025-07-30   Views：1023

Traditionell wurden Implantate mit Polymethylmethacrylat-(PMMA-)Zement fixiert. Der chirurgische Ablauf umfasst das Präparieren einer exakt dimensionierten Knochenhöhle, das Einbringen des zähflüssigen, teilweise vorgehärteten PMMA in diese Höhle, das Einführen des Implantats und das Aushärten des PMMA, wodurch das Implantat quasi mechanisch verankert wird.

Der Zement dringt in den umgebenden Knochen ein und verzahnt sich mit mikroskopischen Unebenheiten der Implantatoberfläche. Die Schrumpfung während der Aushärtung verankert den Zement zusätzlich im Implantat. Mit der Zeit lockert sich jedoch das Implantat im Zement. Diese Lockerung kann schmerzhaft sein oder die Beanspruchung des Implantats erhöhen, was zu einem Versagen und der Notwendigkeit einer Revisionsoperation führt.

Um Lockerungen zu vermeiden, verfügen moderne Implantate über raue oder poröse Oberflächenbeschichtungen. Porös beschichtete Implantate können entweder durch Zementklebung mit der porösen Schicht oder durch knöcherne Einwachsung in die Poren fixiert werden.

Damit mineralisierter Knochen in die poröse Beschichtung einwachsen kann, muss die Poreninterkonnektivität eine Mindestgröße überschreiten. Sind die Poren kleiner als diese Schwelle, bildet sich nur Weichgewebe oder es findet überhaupt kein Einwachsen statt. Diese Mindestporenmaße spiegeln biologische Randbedingungen wider. Studien zum minimalen interkonnektierenden Porendurchmesser zeigen – je nach Materialcharakteristik und verwendetem Tiermodell – leichte Unterschiede. Für unbelastete Implantate beträgt die Mindestgröße ca. 50 µm. Für belastete Bauteile – wie künstliche Hüften oder Knie – sind 100–150 µm erforderlich, damit gesunder Knochenhalt entsteht. Werden poröse Beschichtungen durch Sintern von Pulverpartikeln erzeugt, wird die Porengröße über die Auswahl der Pulverpartikel eingestellt.

Für die Applikation poröser Beschichtungen wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Kobalt-Chrom- oder Titanpulver können mit unterschiedlichen Bindemitteln gemischt, auf Co-Cr- oder Ti-Legierungsimplantatflächen aufgetragen und anschließend gesintert werden. Draht- oder Faserpreformen lassen sich zu porösen Pads formen und diffusionsschweißend an Titanlegierungsimplantate anbinden. Auch opferbare Porenbildner werden verwendet, um poröse Metalle zu erzeugen. Plasma-Spritz- und poröse Polymerbeschichtungen kommen ebenfalls zum Einsatz.

Das konventionelle Sinterverfahren, das grobe Pulverpartikel (–841 µm + 325 µm, –20 + 45 Mesh) mit Co-Cr-Legierungen verbindet, arbeitet typischerweise bei 90–95 % des Schmelzpunkts des Grundmetalls. Eine derartig hohe Temperatur beeinflusst Mikrostruktur und Eigenschaften feinkörniger, hochfester Implantatwerkstoffe – wie HIP-verdichtete Metallpulver oder geschmiedete Co-Cr-Mo-Legierungen – erheblich: es kommt zu starkem Kornwachstum und einer reduzierten Schwingfestigkeit. Derzeit werden poröse Pulverbeschichtungen auf grobkörnigen Gussimplantaten aufgebracht, deren Ermüdungsfestigkeit geringer ist als die von HIP Co-Cr-Mo-Legierungen. Die poröse Schicht kann zusätzlich als Kerbe wirken und die Schwingfestigkeit weiter senken.

Ein geringerer Abfall der Ermüdungsfestigkeit ist akzeptabel, da Knocheneinwachsung eine exzellente Fixierung und Lastverteilung zwischen Implantat und Knochen bietet. Durch geeignete Implantatgeometrie kann übermäßige Ermüdung vermieden werden. Auch klinische Anforderungen – wie Insertion und Extraktion – müssen berücksichtigt werden.

Forschungen laufen zu Zusatzstoffvariationen sowie kombinierten Temperatur–Druck-Zyklen, die Sinntemperaturen senken. Solche Ansätze ermöglichen das Diffusionsschweißen poröser Titanfaser-Pads an Titanimplantate bei Temperaturen deutlich unterhalb konventionellen Schwerkraftsinterns.

Abbildung 10-10 zeigt Rasterelektronen- und metallografische Querschliffbilder gesinterter Co-Cr-Mo-Partikel. Beachten Sie die zwischen den Partikeln gebildeten „Necks“ und die deutliche Partikel-zu-Partikel-Bindung im Querschliff.

Abbildung 10-10 REM-Aufnahme und metallografisches Querschliffbild gesinterter Kobalt–Chrom–Molybdän-Legierungspartikel

Abbildung 10-11 zeigt einen Querschliff eines caninen femoralen Kniegelenkimplantats mit einer Co-Cr-Pulverbeschichtung nach neun Monaten in vivo. Die Poren sind mit gut entwickeltem Knochen gefüllt. Diese Fixierung ist der mechanischen Verankerung mit PMMA-Zement deutlich überlegen.

Abbildung 10-11 Querschliff eines caninen femoralen Kniegelenkimplantats mit Kobalt–Chrom-Pulverbeschichtung nach 9-monatiger Implantation; gut entwickeltes Knochenwachstum innerhalb der Poren ist sichtbar.

Obwohl porös beschichtete Hüft- und Knieimplantate im Mittelpunkt stehen, profitieren auch andere Geräte. So können beispielsweise Herzschrittmacher über poröse Beschichtungen fixiert werden, bei denen Weichgewebeeinwachsung die Verankerung sicherstellt.