Surface modification of polyethylene materials with amorphous and nanocrystalline C:H-coatings
Final Report Abstract
Das Ziel des Projektes war die Herstellung von diamantähnlichen C:H-Schichten (diamond-like carbon: DLC) auf Polyethylen (UHMW-PE - ultra hochmolekulares Polyethylen). Diese Schichten sollten sowohl haftfest sein als auch tribologisch belastbar und insbesondere auch unter tribologischer Beanspruchung in Flüssigkeiten langzeitbeständig sein. Hintergrund dieser Entwicklung ist insbesondere die potentielle Möglichkeit, DLC-Schichten für die Beschichtung von tribologisch beanspruchten Polymeren für Gelenkendoprothesen einzusetzen, um deren Verschleißresistenz zu verbessem. Gegenwärtig werden jährlich in den USA und in Europa etwa 500 000 künstliche Knie- und Hüftgelenke eingesetzt. Die Standardkombination der Gelenkteile besteht dabei aus Metall, typischerweise einer CoCr-Gusslegierung nach ISO 5832-4 nach ISO 5832-12 nach ISO 5832-12 und UHMWPE (ultra hochmolekulares Polyethylen) nach ISO 5834-2. Die mittlere Lebensdauer der Prothesen beträgt für die Materialkombination CoCrMo-UHMWPE etwa 15 Jahre. Etwa 25% der derzeitigen Operationen entfallen auf erneuten Eingriff wegen vorzeitiger Fehlfunktion des Gelenkes. Abriebprodukte, die sich als mikroskopisch kleine Teilchen in den Gelenkzwischenräumen anhäufen, führen zu Entzündungen und Gelenklockerung. Wenn die Oberflächen von zwei Materialien gegeneinander gleiten, wird das Material mit der geringeren Härte abgerieben. Eine Möglichkeit, den Abrieb von UHMW-PE zu verringern, stellt dessen Beschichtung, beispielsweise mit diamant-ähnlichem Kohlenstoff dar. Im Projekt ist es gelungen, mittels des Verfahrens der Plasmadekomposition DLC-Schichten unterschiedlicher Struktur haftfest auf den Polymersubstraten abzuscheiden. Die Schichten bewirkten gegenüber dem unbeschichteten UHMW-Substrat eine signifikant verbesserte tribologische Beständigkeit in Kurz-Zeit-Versuchen. In Modellprüfständen zur Verschleißprüfung (Kugel-Scheibe und Stift-Schiebe-Verschleißtest, Schwingverschleiß) wurde an einfachen Probengeometrien bei geringer Flächenpressung kein Materialabtrag, jedoch eine bleibende plastische Deformation des Werkstoffverbundes ermittelt. Eine Erhöhung der Fiächenpressung führte zum Durchbruch der Schicht. Nach Anpassung der DLC-Struktur erfolgten die Beschichtung von UHMW-Inlays von Prothesen und deren tribologische Prüfungen im Kniegelenk-Simulator. Bei der Modellprüfüng im Stift-Scheibe-Test wurde eine Verbesserung der tribologischen Kurzzeit-Beständigkeit erzielt. Die Ergebnisse der Verschleißtests im Simulator nach ISO-Norm 14 243-1 belegen eine Verbesserung der Verschleißresistenz bis ca. 500.000 Zyklen. Nach 500.000 Beanspruchungszyklen ist das UHMW-PE-Substrat auf den beanspruchten Oberflächenkonturen der Inlays zu erkennen. Langzeitermüdung kann zum Herauslösen von UHMW-PE-Partikeln UNTER der DLC-Schicht infolge des zyklischen „Durchwalkens" führen. Derartige Partikel mit Abmessungen größer 10 μm (Schichtdicke des DLC zwischen 1 μm und 3 μm) wurden nachgewiesen. Sind diese zudem noch mit tribologisch beständigem DLC beschichtet, können sie stark abrasiv wirken. Die Folge ist eine Erhöhung des Materialabtrages vom weichen UHMW-PE-Inlay. Um die tribologisch resistenten DLC-Schichten, die, wie im Projelct gezeigt, gut haften und zur Verbesserung der Kurzzeit-Verschleißbeständigkeit führen, zu nutzen, ist es notwendig, die Langzeit-Ermüdungsfestigkeit des UHMW-PE stark zu verbessern oder ein Substrat mit höher Ermüdungsfestigkeit auszuwählen. Aufgrund der Sprödigkeit von Keramiken kämen hierfür beispielsweise neue Polymere und Polymerverbunde mit ermüdungsfestem Aufbau in Betracht. Auch eine Zwischenschicht aus Plasma-Polymeren, die durch Anregung im Plasma einen hohen Vernetzungsgrad erreichen, könnte in Form von Multilayera (Schichtdicke größer 10 μm) eine ermüdungsstabile Vermittler-Schicht für den tribologisch resistenen DLC darstellen. Besonderes Anliegen des Projekts war weiterhin die Untersuchung des Einflusses von simulierter Körperflüssigkeit auf die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten. Die erzeugten Schichten wurden mit Rasterelektronenmikroskop, Rasterkraftmikroskop, Fourier-lnfrarotspektroskopie und Ramanspektroskopie untersucht. Die Wachstumsmorphologie führte zu „Blumenkohl-artiger" Topologie der Oberfläche. Die Spektroskopischen Untersuchungen verweisen auf einen geringen Anteil an Ringen von sp2-hybridisiertem Kohlenstoff und nahezu konstantes sp3/sp2-Verhältnis, das wenig von den variierten Herstellungsbedingungen und auch nicht merklich durch Benetzung in simulierter Körperflüssigkeit beeinflusst wird. Nach zwölfmonatigem Kontakt der Schichten mit simulierter Körperflüssigkeit wurde eine Reduktion der C-H-Bindungen festgestellt, was auf eine Substitution des Wasserstoffs durch Ionen der Salzlösung hindeutet. Das Benetzungsverhalten der Schichten wurde vom Gasgemisch in der Plasmakammer beim Abscheideprozess beeinflusst, wobei das Benetzungsverhalten gegenüber polaren Flüssigkeiten durch höheren Argonanteil verbessert wurde.
Publications
- Oberflächenmodifikation von Polyethylen mit amorphen und nanokristallinen C:H-Schichten. Jahresbericht des Institutes für Keramische Werkstoffe TU Bergakademie Freiberg, Jahresbericht IKW, 2004
Dorner-Reisel, A., G. Reisel, E. Müller
- Oberflächenmodifikation von Polyethylen mit amorphen und nanokristallinen C:H-Schichten. Jahresbericht des Institutes für Keramische Werkstoffe TU Bergakademie Freiberg, Jahresbericht IKW, 2005
Dorner-Reisel, A., G. Reisel, E. Müller
- Untersuchungen zum Verschleißverhalten von RF-PECVD DLC-Schichten auf Polyethylen-Substraten. Tagungsband zum 8. Werkstofftechnischen Kolloquium, (Hrsg. B. Wielage) 30.09.-1.10.2005 Chemnitz, 293-300
Dorner-Reisel, A., G. Reisel, G. Irmer, L. Kühler, E. Müller
- Herstellung on a-C:H-Schichten auf UHMW-PE. Tagungsband zum 9. Werkstofftechnischen Kolloquium, (Hrsg. B. Wielage) 07.09.-08.09.2006 Chemnitz, 179-186
Reisel, G., A. Dorner-Reisel
- Hydrogen containing DLC coatings on UHMW-PE deposited by r.f.-PECVD. Diamond Relat. Mater. 16 (2007) 1370-1373
Reisel, G., A. Dorner-Reisel
- Diamond-like carbon films for polyethylene femoral parts: Raman and FT-IR spectroscopy before and after incubation in simulated body liquid. 14. Tagung Festkörperanalytik, Wien, 16.-18.07.2008
Dorner-Reisel, A., G. Gärtner, G. Reisel, G. Irmer
- Diamond-like carbon films for polyethylene femoral parts: Raman and FT-IR spectroscopy before and after incubation in simulated body liquid. Anal. Bioanal. Chem. (2008) 390 1487-1493
Dorner-Reisel, A., G. Gärtner, G. Reisel, G. Irmer
