Topologische Mg-Legierungen für biomedizinische Anwendungen

Die Aufgaben des vorliegenden Projekts zielen auf die Entwicklung von besonderen Magnesium (Mg) Legierungen ab, welche im allgemeinen für Leichtwerkstoffanwendungen im Mobilitätsbereich Anwendung finden, im Rahmen des gegenständlichen Projekts aber vorwiegend im biomedizinischen Bereich eingesetzt werden sollen. Die Wahl fiel auf Magnesium, weil dieses Material aufgrund seines hohen Festigkeits/Dichte Verhältnisses, seiner aussergewöhnlich guten Umweltverträglichkeit und Biokompatibilität ein hohes und weitgehend noch unausgeschöpftes Anwendungs-Potential bietet. Dieses Potential soll durch ein gezieltes, auf topologischen Prinzipien basierendes Design von Mg- Legierungen auf mehreren strukturellen Ebenen genutzt werden. Die primär für das Projekt relevanten biomedizinischen Anwendungen bedürfen der Entwicklung von Mg-Legierungen für Implantate und Prothesen mit kontrollierbarer Bio-Abbaubarkeit, die außerdem auch sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen müssen, um einen raschen und nachhaltigen Heilungsprozess zu gewährleisten. Zur Realisierung solcher optimaler Mg-Materialien stehen dem Projekt durch das Zusammenwirken slowenischer und österreichischer Wissenschafter nicht nur die fachliche Expertise, sondern auch eine breite Palette von Methoden der Legierungsherstellung, Mikro- und Nanokristallisierung und Wärmebehandlung zur Verfügung. Die Kontrolle der Materialstruktur und der mechanischen Eigenschaften wird durch den Einsatz modernster Charakterisierungstechniken gewährleistet. Die Systematik der experimentellen Untersuchungen wird durch ab-initio und multiscale Computersimulationen der Herstellung und strukturellen Modifikation der Materialien unterstützt. Von den Projektergebnissen sind signifikante Fortschritte bei der Konzeption neuer Mg-Legierungen, neue Erkenntnisse für deren Biodegradation in verschiedenen Umgebungen, sowie bei der Entwicklung neuer Technologien für die Herstellung dieser Legierungen zu erwarten, indem diese neue Perspektiven für lebenserhaltende Maßnahmen eröffnen.

Verschiedende bioabbaubare Mg-Legierungen (annähernd feste Lösungen Mg5Zn0.3Ca, Mg5Zn, Mg0.3Ca, Mg5Zn0.15Ca, and Mg5Zn0.15Ca0.15Zr) mit dem Potential für Ausscheidungshärtung wurden bei verschiedenen Temperaturen stark plastisch verformt sowie gezielt wärmebehandelt, mit dem Ziel eine möglichst feste, elastisch und plastisch gut verformbare, und kontrolliert bioabbaubare Legierung für den Einsatz als Prothesenmaterial für humanmedizinische Zwecke herzustellen. Die Ergebnisse waren wie folgt: (i) Starke Erhöhung der Festigkeit um bis zu einem Faktor 2.5 (Ermüdungsfestigkeit Faktor 2) durch Niedrigtemperatur-Verformung und moderate Temperaturbehandlung. Jedoch kam es zur Abnahme der Verformbarkeit auf 5% und weniger; (ii) Moderate Erhöhung der Festigkeit um bis zu einem Faktor 1.8 (Ermüdungsfestigkeit Faktor 1.2), und zusätzlich einer beträchtlichen Verformbarkeit von ca. 15%. Diese Werte ergaben sich durch Hochtemperatur-Verformung und moderate Temperaturbehandlung. Bei keinen der Bearbeitungen (i) bzw. (ii) änderten sich die geringe Elastizität oder die niedrige Korrosionsrate der entsprechend ausgewählten Legierungen. die diese im Ausganszustand aufwiesen. Deshalb wurde mit der Bearbeitung (ii) eine Herstellungsroute gefunden, die eine signifikante Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit gewährleistet und gleichzeitig die vorteilhaften elastischen und biokorrosiven Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Es ist anzumerken, dass das ursprüngliche Ziel des Projekts, die Festigkeitssteigerung mit Ausscheidungen zu erreichen, nur 20% der gesamten Festigkeitssteigerung ausmacht und die restlichen 80% der Steigerung auf die hohe Dichte verformungsinduzierter Versetzungen und insbesondere Leerstellenagglomerate zurückzuführen ist.