Biokompatibler Zusatzwerkstoffe stabilisieren Medizinprodukte

Wissenschaftler der Universität Kassel und ihre Kollegen aus Tübingen/Reutlingen wollen Medizinprodukte verbessern. Dabei konzentrieren sie sich auf Schweißverbindungen zwischen Titan beziehungsweise nichtrostenden Stählen und Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (NiTi), da diese Verbindungen anfällig für Risse sind. Ein neues Verfahren mit den biokompatiblen Zusatzwerkstoffen Niob, Tantal und Hafnium eröffnet nun neue Möglichkeiten in der Medizintechnik, denn es macht Medizinprodukte tatsächlich stabiler.

Bisher konnten die Forscher von der Universität Kassel um Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm (Leiter Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren) zwei Medizinprodukte verbessern. Zum einen gelang es ihnen, die Materialfestigkeit eines Mittelohrimplantats um den Faktor 3 zu erhöhen. Zum anderen konnten sie die Zugfestigkeit eines Führungsdrahtes für Herzkatheter-Untersuchungen fast verdoppeln.

Bei dem Mittelohrimplantat handelt es sich um Stapesprothesen, die als Ersatz für Steigbügel, die kleinsten Knochen im menschlichen Körper, eingesetzt werden. Mit einer Länge von 5 mm ist ein Steigbügel dreimal kleiner als der Durchmesser einer Cent-Münze. Ihr Schaft besteht aus reinem Titan und das Ankopplungselement aus einer superelastischen NiTi. Durch das Einschweißen einer dünnen Niob-Folie konnte die Zugfestigkeit um mehr als das Dreifache gesteigert werden. „Unsere Forschungsergebnisse bestätigen auch im Hinblick auf die Biokompatibilität, dass mit dem Forschungsvorhaben eine essentielle Basis für die Übertragung auf medizintechnische Bauteile geschaffen wurde“, erläutert Stefan Böhm.

Am Beispiel des Führungsdrahtes für Herzkatheter-Untersuchungen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass der zusätzliche Einsatz von Niob oder Tantal zwischen nichtrostendem Stahl und NiTi-Draht zu einer fast doppelt so hohen Zugfestigkeit der Materialverbindungen gegenüber der des Strahlschweißens ohne Zusatzwerkstoffe führt.

„Bei der Verwendung der Zusatzwerkstoffe konnten wir herausragende Zug- und Biegefestigkeiten erzielen, welche die Ergebnisse bisheriger Studien zum artfremden Strahlschweißen der Grundwerkstoffe deutlich übertreffen“, ergänzte Michael Wiegand, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets und Leiter des Projekts.

Die Forschungen fanden im Rahmen des Projektes „MeTiWeld – Artfremdes Mikro-Strahlschweißen von Titan mit Nitinol und nichtrostenden Stählen zur Herstellung eines biokompatiblen Materialverbunds und Verwendung von Zusatzwerkstoffen“ statt, das von Januar 2021 bis Dezember 2022 an der Universität Kassel durchgeführt wurde, in enger Zusammenarbeit mit dem Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an der Universität Tübingen/Reutlingen. Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Fördervereinigungen "Otto von Guericke" e.V. mit rund 400.000 Euro gefördert.