Billiger, robuster, weniger giftig: Neue Legierungen sind vielversprechend für die Entwicklung künstlicher Gliedmaßen

25. November 2022

von Michael Oluwatosin Bodunrin, The Conversation

Titan ist ein starkes, belastbares und relativ leichtes Metall. Auch seine Eigenschaften sind gut untersucht; Wissenschaftler wissen viel darüber. All dies macht es zur idealen Basis für die Herstellung künstlicher Gliedmaßen – insbesondere Knie und Hüfte – und Zähne. Es rostet weniger als andere Metalle und ist, wie Untersuchungen gezeigt haben, verträglicher für den menschlichen Körper als beispielsweise Edelstahl und kobaltbasierte Materialien.

Doch es gibt ein großes Problem: Titan ist nicht billig. Genaue Daten sind schwer zu bekommen, aber die konservativen Durchschnittskosten für Prothesen auf Titanbasis liegen zwischen 3.000 und 10.000 US-Dollar. Das ist für die meisten Menschen teuer und für die Mehrheit der Menschen in Ländern mit mittlerem und niedrigem Einkommen wie denen in Afrika unerschwinglich.

Auch hier liegen nur wenige Daten vor, aber eine aktuelle Studie über Afrika südlich der Sahara (mit Ausnahme von Südafrika, das über bessere Einrichtungen für solche Eingriffe verfügt als die meisten anderen Länder des Kontinents) ergab, dass zwischen 2009 und 2018 606 Hüft- und 763 Kniegelenkersatzoperationen durchgeführt wurden. Viele weitere Menschen in der Region benötigen wahrscheinlich Ersatz, verzichten aber darauf, weil sie sich den Eingriff einfach nicht leisten können. Und da die Weltbevölkerung im Alter von 65 Jahren und älter wächst, wird die Nachfrage nach Implantaten voraussichtlich steigen; Diese Altersgruppe ist anfällig für Krankheiten wie Osteoporose und Arthrose.

Aus diesem Grund arbeiten wir daran, günstigere Materialien auf Titanbasis herzustellen, aus denen sich erschwingliche Gliedmaßen herstellen lassen. In unserer neuesten Forschung experimentierten meine Kollegen und ich mit metallischen Elementen wie Titan, Aluminium, Eisen und Vanadium, um neue Legierungen herzustellen. Wir haben jedes in einer Lösung getestet, die die Körperflüssigkeiten des Menschen nachahmt.

Wir stellten fest, dass die neuen Legierungen in der Lösung kaum Rost aufwiesen. Die neuen Legierungen, die etwas billiger sind als die handelsüblichen Legierungen, zeigten eine ebenso gute Leistung – und eine Legierung übertraf sie sogar.

Der größte Vorteil von Titan bei der Herstellung künstlicher Hüften, Knie und Zähne besteht darin, dass es sicher im menschlichen Körper verwendet werden kann, da es sich nicht so leicht zersetzt, wenn es Körperflüssigkeiten ausgesetzt wird.

Wenn Titan jedoch in reiner Form verwendet wird, fehlt ihm die nötige Festigkeit und Verschleißfestigkeit, um den Strapazen menschlicher Tätigkeit standzuhalten.

Deshalb werden weitere metallische Elemente hinzugefügt. Beispiele hierfür sind Aluminium, Vanadium, Zirkonium, Tantal, Niob, Molybdän und Eisen. Wissenschaftler nutzen diese und andere Elemente, um neue Legierungen zu schaffen, die stärker und verschleißfester sind.

Die derzeit am häufigsten verwendete Legierung für künstliche Hüften und Knie ist Ti-6Al-4V: 90 % Titan, 6 % Aluminium und 4 % Vanadium. Obwohl es effektiv ist, hat es zwei große Nachteile. Der erste sind die Kosten. Vanadium ist fast so teuer wie Titan. Der zweite Punkt ist die Toxizität: Aluminium und Vanadium sind in großen Mengen giftig. Wenn das Material durch Korrosion zersetzt wird, werden Ionen in den Körper freigesetzt und können chronische Entzündungen verursachen. Diese Ionen wurden auch mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht.

Für diese Studie haben wir die Menge an Aluminium und Vanadium reduziert, die Ti-6Al-4V zugesetzt wird, um neue Materialien auf Titanbasis herzustellen. Wir haben außerdem Aluminium ausgeschlossen und Vanadium vollständig durch Eisen ersetzt, um ein anderes, billigeres Material auf Titanbasis herzustellen.

Anschließend untersuchten wir, ob sich diese neuen Implantatmaterialien beim Eintauchen in die menschliche Körperflüssigkeit schnell zersetzen würden. Wir haben eine Lösung namens Hanks Balanced Salt Solution verwendet, die die Hauptbestandteile der menschlichen Körperflüssigkeit enthält. Wir verglichen die neuen Titanmaterialien mit dem üblicherweise verwendeten kommerziellen Ti-6Al-4V.

Fast alle neuen Legierungen schnitten in der Salzlösung besser ab als Ti-6Al-4V. Diejenigen, die in der Lösung schlechter abschnitten, lagen immer noch auf Augenhöhe mit Ti-6Al-4V. Und keine der neuen Legierungen degradierte mehr als 0,13 Millimeter pro Jahr, die maximal zulässige Degradationsrate für Implantatmaterial.

Die Legierungen ohne Vanadium und Aluminium zeigten eine gute Leistung, was bedeutet, dass sie möglicherweise sicherer als Ti-6Al-4V sind, da sie eine geringere Toxizität aufweisen.

Und vor allem sind die neuen Legierungen günstiger in der Herstellung als Ti-6Al-4V. Wir beschäftigen uns nicht mit der eigentlichen Herstellung künstlicher Gliedmaßen – diese Forschung konzentriert sich auf die chemische Zusammensetzung der Legierungen. Daher können wir nicht sagen, wie hoch die letztendliche Kostenersparnis wäre, wenn diese Legierungen verwendet würden. Aber allein durch eine Änderung der Ausgangsmaterialien wie wir es getan haben und Aluminium und Vanadium ganz oder teilweise durch Eisen ersetzt haben, können bis zu 10 % Kosteneinsparungen erzielt werden.

Ab 2030 und darüber hinaus werden mehr ältere Erwachsene in Entwicklungsländern leben, beispielsweise auf dem gesamten afrikanischen Kontinent. Da diese Bevölkerungsgruppe wächst, kann auch die Nachfrage nach künstlichen Gliedmaßen steigen. Deshalb ist es so wichtig, erschwingliche und sichere Materialien zu identifizieren. Unsere Forschung ist ein vielversprechender Schritt zur Erreichung dieses Ziels.

Mehr Informationen: Mogomotsi Leshetla et al., Korrosionsbeständigkeit eisenhaltiger experimenteller Titanlegierungen, die simulierten Körperflüssigkeiten ausgesetzt sind, Materialien und Korrosion (2022). DOI: 10.1002/maco.202213076

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