TPN von leichten und biokompatiblen Ti-MG für Dentalimplantate

Die Lebenserwartung in den Industrieländern hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen, ebenso wie die Anwendung von Verfahren der rekonstruktiven Medizin. Als Folge von ungesunder Lebensweise und mangelhafter Mundhygiene bei gleichzeitig hohen ästhetischen Ansprüchen ist eine erhöhte Nachfrage nach Zahnimplataten zu verzeichnen. Dennoch erfüllen viele der derzeit verwendeten Materialien für Dentalimplantate die hohen Ansprüche an die Gewebe- / Knochenintegration oder an die Langlebigkeit und Haltbarkeit unter biomechanischen und biokorrosiven Bedingungen nicht. Ein vielversprechender Materialkandidat, der all diese Probleme lösen könnte, sind metallische Gläser (MG) auf Titan-Basis (Ti). Diese Materialien vereinen hohe Festigkeit, Härte und Elastizität, niedrigen Elastizitätsmodul und Dichte, hohe Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie hohe Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit in Körperflüssigkeiten. Darüber hinaus ermöglicht die Formbarkeit von MGs in einem kontrollierten Viskositätsbereich bei niedrigen Temperaturen mit minimaler Schrumpfung beim Abkühlen, dass diese Materialien zu Geometrien mit einer Präzision im Nanobereich geformt werden können (Near-Net-Shape). Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Ti-basierten MG mit ausgezeichneten Formeigenschaften und exzellenter Biokompatibilität. Der Entwicklung eines neuartigen Ti-basierten MG unter Berücksichtigung der Gussdimensionen und Mikroformbarkeit, der Beurteilung der thermoplastischen Formgebungsfähigkeiten, der Materialcharakterisierung vor und nach dem Formen von Zahnimplantaten und Biokompatibilitätstests dieser Implantate wird das Hauptziel von diesem Forschungsprojekt sein. Mit den kosten- und energiesparenden Produktionsverfahren die in diesem Project entwickelt werden, kann das Projekt auch einen Beitrag zu aktuellen wirtschaftlichen und ökologischen Herausforderungen leisten. Aufgrund der enormen Gefahren, die durch Umweltverschmutzung und globale Erwärmung entstehen, steigen die Anforderungen für reduzierte Gasemissionen und Energieeinsparung deutlich. Daher das große Interesse, durch Effizienzsteigerung bei Produktion und Verarbeitung von Hochleistungswerkstoffen zur Reduzierung der CO2-Emissionen beizutragen. Das vorliegende Projekt konzentriert sich daher auf neue Technologien, die die Effizienz der Herstellung von Materialien mit verbesserten Kennwerten und verringertem spezifischen Gewicht, verbessern. Dies trägt durch die folgenden wichtigen Punkte zur Verringerung von Treibhausgasemissionen bei: - Umweltfreundliche und kostengünstige Gieß- und Umformtechnologien, - Materialien mit günstigem Festigkeits-Gewichtsverhältnis, - Materialien mit verbesserter Biokompatibilität für biomedizinische Produkte der nächsten Generation - Materialien mit feinen und präzisen und schrumpfungsfreien Formen für die Miniaturisierung Es wird erwartet, dass die thermoplastische Formgebung von MG Abfälle und Emissionen (Rauch, Chemikalien, Staub, gefährliche Materialien) während der Verarbeitung, Herstellung und / oder Demontage um bis zu 30% reduzieren kann. Weiters bieten die neu entwickelten titanbasierten metallischen Gläser signifikante Vorteile in Bezug auf Biokompatibilität und mechanische Eigenschaften für in-vivo Anwendungen (Hüft- oder Zahnimplantate). Am Ende dieses Projekts sollen neuartige Materialien mit hervorragenden Eigenschaften verfügbar sein. Dies wird das Potential des Wirtschaftsstandortes der beiden Forschungspartner im Bereich der Materialwissenschaften fördern und als neue Schlüsseltechnologie einen wichtigen Beitrag zur Bewältigung der künftigen Herausforderungen im Bereich der Materialentwicklung für die Biotechnologie zu liefern.

Der völlige Verzicht auf zytotoxische Elemente wie Cu, Ni oder Be, die für die Herstellung von metallischem Glas (MG) auf Ti-Basis unerlässlich sind, schränkt die Glasbildungsfähigkeit (GFA) der untersuchten Legierungen erheblich ein. Durch den Verzicht auf diese Elemente wird jedoch auch eine beispiellose Korrosionsbeständigkeit in simulierten Körperflüssigkeiten erreicht, was die potenzielle Verwendung der Legierungen als langlebiges Dentalimplantatmaterial unterstützt. Das ultimative Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines biokompatiblen MG-Implantats auf Ti-Basis mit modulierter Topographie, das die zelluläre Reaktion von der anfänglichen Anheftung und Migration bis hin zur Differenzierung und Produktion von neuem Gewebe ohne exogene Wachstumsfaktoren fördert. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden vier wissenschaftliche Meilensteine angestrebt: (i) Entwicklung eines neuartigen biokompatiblen MG auf Ti-Basis mit verbesserter (Mikro-)Strukturierungskinetik. (ii) Festlegung geeigneter Wege zur Erzielung von Materialeigenschaften, die im täglichen Gebrauch als hervorragendes Stressabschirmungsmaterial funktionieren. (iii) Herstellung und Abstimmung von Oberflächenmustern mit verbesserten antimikrobiellen/osseointegrativen Eigenschaften. (iv) Untersuchung und Verständnis von Zelladhäsion, bakterizider Adhäsion und Biokorrosionsmechanismen. Das Projekt erreichte seine Meilensteine durch den Beitrag des Projektpartners INSA Lyon und die Zusammenarbeit mit anderen interdisziplinären Partnern von der Universität Wien, der Slowakischen Akademie der Wissenschaften, dem Politecnico di Torino, der Universita Del Piemonte Orientale, der National University of Science and Technology, dem Polymer Competence Center Leoben und der Montanuniversität Leoben. Die Zusammenarbeit mit interdisziplinären Forschungspartnern in ganz Europa war entscheidend für die Nutzung verschiedener Fachkenntnisse und Spitzentechnologien, die Beschleunigung der Innovation und die Gewährleistung der Entwicklung fortschrittlicher MG auf Ti-Basis, die hohe Standards für die Materialleistung erfüllen und die die goldenen Standardlegierungen auf Ti-Basis übertreffen. Ausgehend von den In-vitro-Ergebnissen wird prognostiziert, dass die neuartigen MGs als Zahnimplantat eine ausgezeichnete Biokompatibilität aufweisen, so dass sie sich für medizinische Implantate und Geräte eignen, ohne unerwünschte Reaktionen im Körper hervorzurufen. Die verbesserten Eigenschaften werden zu länger haltbaren Komponenten, geringerem Wartungsaufwand und niedrigeren Herstellungskosten aufgrund verbesserter Materialeffizienz und weniger Abfall führen. Das Projekt soll zu neuen Hypothesen und Forschungsfragen führen, z. B. zur Verbesserung der GFA von MG auf Ti-Basis ohne Beeinträchtigung ihrer Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit und zur Frage, wie sich diese Materialien in Langzeit-In-vivo-Studien verhalten. Dazu gehören die Erforschung der Beziehungen zwischen atomarer Struktur und Eigenschaften, das Verständnis der Rolle verschiedener Legierungselemente und die Untersuchung der Verarbeitungstechniken zur Optimierung der mechanischen, thermischen, elektrochemischen und biologischen Leistung dieser Materialien. Darüber hinaus können Fragen zur Skalierbarkeit der bestehenden und modernen Produktionsmethoden aufgeworfen werden, wodurch sich neue Wege für Forschung und Entwicklung eröffnen. Die Forschungsergebnisse könnten einen Paradigmenwechsel in diesem Bereich bewirken, einschließlich einer Neudefinition der Prioritäten beim Legierungsdesign, um ein Gleichgewicht zwischen Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit herzustellen, neue Standards für Zahnimplantate zu setzen und die Verwendung von MGs in biomedizinischen Anwendungen auszuweiten. Darüber hinaus könnten sie eine breitere Bewegung hin zu nachhaltigen und umweltfreundlichen Materialien in der Biomedizintechnik vorantreiben.