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DLC-Schichten für medizinische Implantate. 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. - PowerPoint PPT Presentation
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Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
Zusammen-fassung
DLC-Schichten für medizinische Implantate
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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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Topic I
Topic II
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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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
Zusammen-fassung
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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Topic I
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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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Topic I
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Topic III
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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Topic I
Topic II
Topic III
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
Technische Physik AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
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
Zusammen-fassung und Ausblick
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Topic I
Topic II
Topic III
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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Topic I
Topic II
Topic III
Zusammen-fassung
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