Wie Wasserstoff Titanimplantate beeinflusst

Ob zur Behandlung von Knochenbrüchen, als Zahnersatz oder als Herzschrittmacher – Metallimplantate sind aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken. Sie müssen stabil bleiben und sich zugleich in das umgebende Gewebe integrieren. Ein innovativer Ansatz im Bereich der biologischen Implantate ist die Entwicklung von Titan-Magnesium-Hybridimplantaten, die die Vorteile beider Materialien vereinen, um leistungsfähigere Implantate zu schaffen. Titan wird aufgrund seiner hohen Festigkeit eingesetzt, während sich die Magnesiumkomponente mit der Zeit auflöst und das Knochenwachstum fördert. Solche Materialien haben das Potenzial, Metallimplantate zu revolutionieren.

Ein Forschungsteam unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Hereon stellte in Zusammenarbeit mit dem Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) Hybridproben aus Titan- und Magnesiumlegierungen her. Diese Proben setzten die Forschenden dann über mehrere Tage hinweg einer Kochsalzlösung aus, die Körperflüssigkeiten nachahmen sollte. Das Magnesium begann sich zu zersetzen und setzte dabei Wasserstoff frei. Die Forschenden beobachteten, wie der Wasserstoff ins Titan eindrang. Mithilfe der Neutronentomographie an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ am Paul Scherrer Institut PSI konnte anhand der zunehmenden Neutronenabschwächung nachgewiesen werden, dass die Wasserstoffpenetration mit der Zeit zunahm.

Neutronen «sehen» Wasserstoff 

«Wir haben Neutronentomographie genutzt, weil Neutronen aufgrund ihres grossen Streuquerschnitts sehr empfindlich auf Wasserstoff reagieren, während Röntgentechniken ihn in der Regel nicht nachweisen können. Mit der 3D-Bildgebung ist es möglich, das Vorhandensein von Wasserstoff im Volumen abzubilden und so Einblicke in den Grad der Hydrierung von Proben zu gewinnen», erklärt Richi Kumar, Instrumentenwissenschaftlerin am Helmholtz-Zentrum Hereon am MLZ.

Wasserstoff dringt ins Titan ein 

In wässrigen Lösungen wird Wasser durch Magnesium elektrochemisch gespalten, wodurch Wasserstoff entsteht, der von Titan absorbiert werden kann. Die Tatsache, dass Wasserstoff bei Raumtemperatur von der Titanlegierung absorbiert wird, deutet darauf hin, dass die natürliche dünne Schutzschicht auf der Titanoberfläche, die Oxidschicht, beschädigt wurde. Die im Vergleich zu Titan höhere Reaktivität von Magnesium führt zu einer Verringerung der Oxidschicht. Dadurch kann Wasserstoff leichter in das Titan «eindringen». 

Der Wasserstoff verteilt sich im Titan gleichmässig von der Mitte nach aussen (radial), ist jedoch entlang der Ränder stärker konzentriert. Der Grund dafür ist, dass die Mitte anfangs noch von Magnesium bedeckt war und daher weniger Wasserstoff aufnehmen konnte. Zusätzliche Analysen mittels Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie bestätigten, dass sich keine neuen Verbindungen zwischen Titan und Wasserstoff gebildet hatten. Der Metallkristall dehnte sich jedoch geringfügig im Volumen aus, was auf eine Wasserstoffaufnahme hindeutet.

Wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Implantaten

Diese Erkenntnisse sind für die Implantatentwicklung von Bedeutung: Wenn Wasserstoff in Titan eindringt, kann das Material spröde werden, was die Stabilität des Titanbauteils beeinträchtigt. Richi Kumar fasst zusammen: «Verbesserungen im Design von Hybridimplantaten sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass das eine Material die Eigenschaften des anderen nicht beeinträchtigt. Das ist nicht nur für Hybridimplantate relevant, sondern auch für alle Situationen, in denen Titan und Magnesium in unmittelbarer Nähe zueinander verwendet werden. Dies unterstreicht die Notwendigkeit eines durchdachten Designs sowie der Berücksichtigung von Materialwechselwirkungen.»