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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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Topic I

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Zusammen-fassung

DLC-Schichten für medizinische Implantate

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Topic I

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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

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Topic I

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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?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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Zusammen-fassung

kleiner Exkurs in die Atomphysik: Hybridisierung von Orbitalen

Kohlenstoff ist Nr. 6 im PDE

- 2 Elektronen auf der K-Schale (1s2-Orbital - in der Chemie und auch für unsere Betrachtungen unwichtig)

- die 4 anderen Elektronen verteilen sich im Grundzustand auf das 2s2- und 2p2-Orbital der L-Schale

- die Elektronen der L-Schale können durch Anregung Hybridorbitale bilden, z.B. 3 sp2- oder 4 sp3-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

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Zusammen-fassung

- Schreibweise: 2p1[sp2]3

Orbitale liegen in der Ebene Kristallstruktur des Graphits

DLC-Schichten für medizinische Implantate

sp2-Hybridisierung:

- die beiden 2s-Orbitale und ein 2p-Orbital hybridisieren zu 3 sp2-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

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Zusammen-fassung

- Schreibweise: 2[sp3]4

tetraedische Anordnung der Orbitale Diamantgitter

DLC-Schichten für medizinische Implantate

sp3-Hybridisierung:

- die beiden 2s-Orbitale und die beiden 2p-Orbitale hybridisieren zu 4 sp3-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

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Zusammen-fassung

DLC enthält beide Hybridisierungstypen:

- sp2-hybridisierten und sp3-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 sp2 / sp3-Verhältnis ab

DLC-Schichten für medizinische Implantate

- sp3-Anteil über 50%: ta-C (tetraedische amorphe Kohlenstoffschicht)- sp3-Anteil unter 50%: a-C (amorphe Kohlenstoffschicht)

- sp2 / sp3-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

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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

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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

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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

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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

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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

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DLC-Schichten in medizinischen Implantaten

- Anzahl jährlich implantierter künstlicher Hüftgelenke:- 1.000.000 weltweit, davon 150.000 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 HüftgelenkeWas 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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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: 1010 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

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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

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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

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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

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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

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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