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Ni-Ti
Legierungen mit Pseudoelastizität/
Formgedächtnis für den medizinischen Einsatz
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Ni-Ti Legierungen weisen als
außergewöhnliche und in der Kombination einzigartige
Eigenschaften Pseudoelastizität, Formgedächtnis und
Biokompatibilität auf. Über Jahrzehnte fand der
technische Einsatz dieser Legierungen nur begrenzt statt, bis die
Verwendungsmöglichkeit für medizinische Implantate
entdeckt und mehr und mehr genutzt wurde. Minimalinvasive
Operationstechniken wurden durch die Ausnutzung von
Pseudoelastizität und Formgedächtnis wesentlich
verbessert und weiterentwickelt. Implantate aus Ni-Ti können
im zusammengefalteten Zustand durch einen Katheter in den
Körper eines Patienten eingebracht werden. Wenn sie an der
gewünschten Position im Körper den Katheter
verlassen, entfalten sie sich in ihre ursprüngliche Form und
üben ihre Funktion der Aufweitung von verengten
Blutgefäßen (Stents) oder des Verschlusses von
Gewebeschäden (Okkluder) aus.
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Oxidationsmechanismus
von Ni-Ti
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Eines
der Risiken beim Einsatz von Ni-Ti Legierungen im medizinischen Bereich
ist die
Möglichkeit der Abgabe von Ni während des Einsatzes
als Implantatmaterial. Im Kontakt mit menschlichem Gewebe kann
freigesetztes Ni allergische Reaktionen oder Entzündungen
hervorrufen. Künstlich erzeugte Oberflächenschichten
aus praktisch nickelfreiem Titanoxid können die Abgabe von Ni
aus der Legierung wirkungsvoll unterbinden. Solche Oxidschichten
verhindern zusätzlich die Korrosion. Die Oxidschichten werden
in einem speziell abgestimmten Verfahren mittels
Wärmebehandlung erzeugt. Die Menge und Art von Defekten in der
erzeugten Oxidschicht haben wesentlichen Einfluss auf ihre Funktion als
Schutzbarriere. Ein entscheidender Parameter ist die Dicke der
Oxidschicht. Diese kann durch das Auftreten von
Interferenzphänomenen über die
Oberflächenfärbung des Materials nach der
Wärmebehandlung schon rein optisch abgeschätzt werden
(qualitativ). Für die Erzeugung praktisch nickelfreier
Oxidschichten spielt die Klärung des Oxidationsmechanismus
eine Schlüsselrolle. Die Diffusionsprozesse während
der Oxidation werden durch Markerexperimente unter Verwendung von
verschiedenen stabilen Isotopen der enthaltenen Elemente mittels
Rutherford Weitwinkelstreuung (resonant) untersucht.
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Mechanische
Stabilität der Oxidschichten auf Ni-Ti während
pseudoelastischer Verformung
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Bei
der Erzeugung von annähernd nickelfreien Oxidschichten auf der
Oberfläche muss sich aufgrund der Massenerhaltung unterhalb
der Oxidschicht Ni anreichern. Die Stabilität der erzeugten
Oxidschicht ist insbesondere deshalb wichtig, da durch Schäden
in der Oxidschicht der nickelangereicherte Bereich unterhalb der
Oxidschicht freigelegt wird, wodurch die schützende Wirkung
der Oxidschicht lokal verloren geht. Die Entstehung solcher
makroskopischer Defekte wird durch in-situ Dehnexperimente im
Raster-Elektronenmikroskop untersucht. In Abhängigkeit der
Dicke der Oxidschicht entstehen unterschiedlich Arten von
Schädigungen. Wenn die Dicke der Oxidschicht 80nm
übersteigt, führt die Überlagerung von
Längsdehnung und Querkontraktion zum Abplatzen von Teilen der
Oxidschicht. Dies kann verhindert werden, wenn die Dicke der
Oxidschicht für die medizinische Anwendung von Ni-Ti
präzise eingestellt und kontrolliert wird.
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Strukturelle
Eigenschaften von Ni-Ti für die medizinische Anwendung
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Um
bei Operationen mit Verwendung von Implantaten aus NiTi die
bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen, ist die reproduzierbare
Einstellung struktureller Materialseigenschaften wie Festigkeit und
Pseudoelastizität notwendig.
Pseudoelastizität und Formgedächtnis stehen im
Zusammenhang mit der Martensit–Austenit Umwandlung der NiTi
Phase. Dazu werden die Möglichkeiten zur Kontrolle der
Umwandlungstemperaturen sowie der Umwandlungscharakteristik von NiTi
durch Kurzzeitglühungen untersucht. In Abhängigkeit
der Dauer und der Temperatur der Behandlung sind wesentliche
änderungen der Umwandlungstemperaturen und der
Umwandlungscharakteristik aufgetreten. Mit Hilfe detaillierter
Untersuchungen werden die komplexen Zusammenhänge zwischen
Erholung, Rekristallisation und Bildung von Ausscheidungen mit der
änderung der strukturellen Eigenschaften des Materials
untersucht. Ein grundlegendes Ergebnis ist die extreme Empfindlichkeit
der Materialeigenschaften auf geringe änderungen von
Temperatur und Dauer der Kurzzeitglühungen –
für medizinische Zwecke ist die präzise Kontrolle der
Glühbedingungen unabdingbar.
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Charakterisierung
des Ermüdungsverhaltens von Okkludern
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Ein
Ermüdungstestgerät wurde entwickelt, um die
Belastungen und Verformungen eines implantierten Okkluders
nachzustellen. Die Bedingungen wie Verformungswege, Verformungsart,
umgebendes Flüssigkeitsmedium und Temperatur lassen sich
relativ genau durch die Testvorrichtung erzeugen. Problematisch sind
die Halterungen für die Implantate. Die Selbstfixierung der
Okkluder im Herzen kann nicht so nachgestellt werden, dass mit der
Vorrichtung gleichzeitig der Verformungsmodus erzeugt werden kann. Aus
diesem Grund ist es notwendig, die Implantate durch Klemmhalterungen
oder Gewindehalterungen zu befestigen. Mit einer Frequenz von ca. 4Hz
werden die Implantate 107 Verformungszyklen ausgesetzt, um die
Dauerfestigkeit der Drahtgeflechte nachzuweisen. In dem Gerät,
das aus Gründen der Sichtprüfung
hauptsächlich aus PMMA (Plexiglas) gefertigt ist,
können 16 Implantate parallel getestet werden.
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Nicht–martensitische
nadelartige Strukturen auf Ni–Ti Legierungen
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metallographische Präparation zur Gefügeuntersuchung
von Ni-Ti-Legierungen ist komplexer als auf den ersten Blick zu
vermuten. In der Literatur sind verschiedene Möglichkeiten der
Präparation beschrieben, aber besondere Phänomene wie
spannungsindizierter Martensit oder Martensit Geister könne
die Interpretation der Gefügebilder erschweren.
Zusätzlich zu diesen bekannten Phänomenen treten
regelmäßig nadelartige Strukturen auf
martensitischem und austenitischem NiTi auf. Diese nadelartigen
Strukturen sehen martensitischen Strukturen sehr ähnlich,
weshalb es nahe liegt, sie als Martensitnadeln zu interpretieren. Die
Unterscheidung dieser Strukturen von martensitischen ist nicht ohne
weiteres möglich, da EDX-Untersuchungen praktisch keinen
Unterschied in der Zusammensetzung erkennen lassen. Die Anwendung von
Methoden mit einer höheren Oberflächenempfindlichkeit
wie Röntgenbeugung mit streifend einfallendem Strahl, GDOS,
XPS und AES ergibt, dass die nadelartigen Strukturen kein Martensit
sind, und das die Oberfläche des Materials eine entscheidende
Rolle für die Entstehung der Strukturen spielt.
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