Ob Zahnimplantate oder Hüftprothesen, Nägel, Schrauben oder Platten: Der Bedarf an Materialien in der Medizin ist groß. Doch die zurzeit verwendeten Materialien erfüllen längst nicht alle Anforderungen, die für eine optimale Behandlung wünschenswert wären. Implantate aus Metall können Unverträglichkeiten auslösen. Bei einem komplizierten Knochenbruch eingesetzte Nägel oder Schrauben müssen nach erfolgter Heilung wieder operativ entfernt werden.

Materialien nach Maß

Doch wie lassen sich diese Materialien verbessern? Am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschft (ESI) der ÖAW untersucht und entwickelt Reinhard Pippan zusammen mit seinem Team maßgeschneiderte Materialien für verschiedene Anwendungen. Die Forscher arbeiten mit der Methode der so genannten Hochdruckverformung. Dabei werden Materialien mit bis zu 400 Tonnen belastet und um bis zu 100.000 Prozent verformt, die Umformungsgeschwindigkeit lässt sich ebenso breit variieren wie die Umformungstemperatur (siehe dazu auch Mit Hochdruck zum Nanomaterial ).

Weltweiter Standard

Mit dieser Methode können nicht nur zahlreiche Materialien aus groben Kristallen zu Materialien aus Nanokristallen umgeformt und damit ultrafest gemacht werden. Auch Pulvergemische werden zu Festkörpern, selbst wenn sie aus ansonsten unvereinbaren Materialien bestehen. "Wir haben für die Hochdruckverformung ein eigenes Design entwickelt, das mittlerweile weltweit zum Standard geworden ist", sagt Reinhard Pippan. Seit zwei Jahren besitzt das ESI auch die weltweit einzige Hochdrucktorsions-Einrichtung mit der sich Proben von einer Größe bis zu einem Durchmesser von 50 Millimetern und einer Dicke von zehn Millimetern herstellen lassen. Pippan: "Das Volumen unserer Proben ist rund 100 Mal größer, als jenes jeder anderen Einrichtung - damit können wir faktisch alle Tests durchführen, die benötigt werden, um Material-Eigenschaften sinnvoll zu charakterisieren."

Die Suche nach dem perfekten Design

Dazu gehört allen voran die so genannte Rissbruch-Zähigkeit. Diese beschreibt, wie gut ein Werkstoff einen Fehler verträgt: je höher seine Rissbuch-Zähigkeit, desto unempfindlicher der Werkstoff. "Eines der ganz großen Handikaps aller sehr hochfesten Werkstoffe ist, dass sie meist eine sehr geringe Rissbruch-Zähigkeit und deshalb eine sehr geringe Fehlertoleranz besitzen", erläutert Pippan. Mit der neuen Hochdrucktorsions-Einrichtung können die ESI-Forscher nun ausreichend große Proben herstellen, um die Rissbuch-Zähigkeit in den hochverformten Materialien zu bestimmen. Denn das große Ziel der Werkstoffwissenschaft sind natürlich Materialien, die sehr fest, aber gleichzeitig unempfindlich gegenüber Fehlern sind. "Einer unserer Forschungsschwerpunkte ist hier herauszufinden, wie solche Materialien aufgebaut sein müssen", so Pippan weiter.

Vom High-Tech-Implantat bis zur Bio-Schraube

Für Anwendungen im Bereich der Medizintechnik ist an der Hochdruckverformung interessant, dass man mit ihr in Verbindung mit weiteren Techniken nanoporöse Materialien kreieren kann, die sich an der Zellstruktur von biologischen Materialien orientieren und damit eine optimale Verträglichkeit gewährleisten. Pippan: "Bei einem optimalen Implantat sollte der natürliche Knochen in das Implantat einwachsen, bei einer glatten Metallfläche, wie sie derzeitige Implantate oft besitzen, funktioniert das jedoch nicht." Auch für Materialien zur Behandlung komplizierter Knochenbrüche gibt es bereits eine Vision: Sie könnten mittels Hochverformung aus bioabbaubaren Materialien wie Magnesium oder Calcium hergestellt werden und von alleine verschwinden, wenn sie nicht mehr benötigt werden.

An der Umsetzung ihrer Visionen arbeiten die ESI-Forscher mit Hochdruck. Projekte mit der Med Uni Graz sind bereits in Vorbereitung.


Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Reinhard Pippan
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Jahnstraße 12, 8700 Leoben
T + 43 3842 804-311
reinhard.pippan@oeaw.ac.at
www.oeaw.ac.at/esi


Dezember 2011