Transcript Was ist DLC? - Didaktik der Physik

Technische Physik
AG Prof. Dr. V. Buck
Topic I
Topic II
Topic III
Zusammenfassung
DLC-Schichten für
medizinische Implantate
Technische Physik
AG Prof. Dr. V. Buck
DLC-Schichten in medizinischen Implantaten
Topic I
Topic II
Übersicht
- Was ist DLC?
Topic III
- Synthetisierung von DLC
Zusammenfassung
- Dotierbarkeit und Eigenschaften von DLC
- DLC-Beschichtungen für künstliche Hüftgelenke
- Erzeugung und Untersuchung der Abriebpartikel
- Zusammenfassung und Ausblick
Technische Physik
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Topic I
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
DLC-Schichten für medizinische Implantate
Was ist DLC?
- DLC steht für „diamond-like carbon“ (diamantähnlicher Kohlenstoff)
- DLC ist eine amorphe Modifikation des Kohlenstoffes
- DLC läßt sich sehr einfach dotieren und ist daher eine ganze Klasse
von Materialien (Kennzeichnung wird in VDI-Norm 2840 beschrieben)
- herausragende Eigenschaft: außerordentlich hart - daher der
Namensbezug zu Diamant
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DLC-Schichten für medizinische Implantate
Topic I
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
kleiner Exkurs in die Atomphysik:
Hybridisierung von Orbitalen
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
Kohlenstoff ist Nr. 6 im PDE
- 2 Elektronen auf der K-Schale (1s2-Orbital - in der Chemie und auch
für unsere Betrachtungen unwichtig)
- die 4 anderen Elektronen verteilen sich im Grundzustand auf das 2s2und 2p2-Orbital der L-Schale
- die Elektronen der L-Schale können durch Anregung Hybridorbitale
bilden, z.B. 3 sp2- oder 4 sp3-Orbitale
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Topic I
DLC-Schichten für medizinische Implantate
sp2-Hybridisierung:
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- die beiden 2s-Orbitale und ein 2p-Orbital hybridisieren zu
3 sp2-Orbitalen
- Schreibweise: 2p1[sp2]3
Orbitale liegen in der Ebene
Kristallstruktur des Graphits
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DLC-Schichten für medizinische Implantate
sp3-Hybridisierung:
Topic I
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- die beiden 2s-Orbitale und die beiden 2p-Orbitale hybridisieren zu
4 sp3-Orbitalen
- Schreibweise: 2[sp3]4
tetraedische Anordnung der Orbitale
Diamantgitter
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DLC-Schichten für medizinische Implantate
Topic I
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC enthält beide Hybridisierungstypen:
- sp2-hybridisierten und sp3-hybridisierten Kohlenstoff in
unterschiedlichen Anteilen
- sp2 / sp3-Verhältnis ist wichtiges Charakterisierungsmerkmal von DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
- sp3-Anteil über 50%: ta-C (tetraedische amorphe Kohlenstoffschicht)
- sp3-Anteil unter 50%: a-C (amorphe Kohlenstoffschicht)
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
- DLC vereint die typischen Eigenschaften von Graphit und Diamant, z.B.
den geringen Gleitreibungskoeffizienten von Graphit mit der hohen
Härte des Diamanten (diamantähnlich ...)
Zusammenfassung und
Ausblick
- welche der Eigenschaften überwiegt hängt vom sp2 / sp3-Verhältnis ab
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DLC-Schichten in medizinischen Implantaten
Synthetisierung von DLC
Topic I
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Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- PECVD-Verfahren
- Laser- und Ionenstrahlgestützte Verfahren
- Kathodenzerstäubung
- Vakuumlichtbogen (anodischer- und kathodischer Modus)
- verschiedene Durchmesserverhältnisse Anode / Kathode realisierbar
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DLC-Schichten für medizinische Implantate
Dotierbarkeit und Eigenschaften von DLC
Was ist DLC?
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Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- grundsätzliche Unterscheidung: wasserstoffhaltig oder - “frei“
- Kennzeichnung: a-C:H bzw. ta-C:H
- DLC ist auch mit Metallen und Nichtmetallen dotierbar
- Kennzeichnung (2 Beispiele): a-C:Au und a-C:H:Si
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Topic I
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Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
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DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- Palette der Eigenschaften ist via Dotierung vielfältig einstellbar, z.B.:
- Härte
- Elastizität
- Transparenz
- elektrische Leitfähigkeit
- Benetzbarkeit
- gemeinsame Eigenschaften:
- chemische Inertheit
- Korrosionsbeständigkeit
- niedriger Gleitreibungskoeffizient
- Biokompatibilität
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Topic I
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Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
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DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- Biokompatibilität von DLC hat bereits zur einer Reihe von
Anwendungen geführt, z.B.:
- Beschichtung auf Stents
 gute Elastizität bei gleichzeitiger Barrierewirkung für
Metallionen
- Beschichtung auf Kontaktlinsen
 erhöhte Benetzbarkeit bei gleichzeitiger Transparenz
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Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
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DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
Unser Interessensgebiet:
- Erhöhung der Lebensdauer künstlicher Hüftgelenke
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Topic I
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Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
DLC-Beschichtungen für künstliche
Hüftgelenke
- Anzahl jährlich implantierter künstlicher Hüftgelenke:
- 1.000.000 weltweit, davon 150.000 allein in Deutschland
- Operation an sich ist ein Routineeingriff
- die Lebenserwartung (Standzeit) von 10 bis 15 Jahre ist jedoch
unbefriedigend
- Ursache (u.a.): Lockerung des Implantates durch nicht-bekämpfbare
Abriebpartikel
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Topic I
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Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- in der Gleitpaarung Gelenkkopf / Pfanne entstehen Abriebpartikel
- Abriebpartikel < 0,3 µm werden von den Freßzellen des Immunsystems
„entsorgt“ und stellen kein Problem dar
- Abriebpartikel > 10 µm können eingekapselt und im Gewebe
eingelagert werden - auch dies stellt kein Problem dar. Einzige
Beschränkung: 1010 Partikel pro Gramm Gewebe
- Abriebpartikel im Größenbereich dazwischen können vom Immunsystem
nicht bekämpft werden  das Immunsystem bekämpft den Knochen
als vermeintlichen Verursacher des Problems
- dies führt zu Knochenabbau (Osteolyse), Lockerung und letztlich zum
Verlust des Implantates
- Problematisch: Häufig kann wegen des Knochenabbaus keine
Folgeoperation durchgeführt werden
- für den Patient bedeutet dies ein Leben im Rollstuhl
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Topic I
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- erhöhte Lebenserwartung und aktiverer Lebensstil werden das Problem
weiter verschärfen
- Lebensdauer von künstlichen Hüftgelenken muß dem angepaßt, sprich
erhöht werden
- konkret heißt dies: Die Größe der Abriebpartikel soll 0,3 µm nicht
übersteigen
- hier kommt DLC zum Zuge:
- DLC ist über Dotierung und Abscheideparameter designbar
 unser Ziel ist es daher, eine DLC-Schicht zu entwickeln, deren
Abriebpartikel die Größe von 0,3 µm nicht überschreiten
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Topic I
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
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DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- Zunächst muß grundsätzlich gezeigt werden, daß sich die
Abriebpartikelgröße beeinflussen läßt
- grundsätzliche Idee, dies zu erreichen:
- Abscheidung unter verschiedenen Parametern korreliert mit
unterschiedlichen Abriebpartikelgrößen
- beeinflußbare Parameter bei der Abscheidung:
1. Biasspannung (beeinflußt die Ionenenergie und somit Haftung)
2. A/K-Verhältnis (beeinflußt den Ionisierungsgrad des Plasma
und Ionenenergie)
( 3. Dotiersubstanzen, insbesondere Wasserstoff )
( 4. Multilayerschichten )
- Abscheidung erfolgt auf sog. P2000-Stahl (sehr gut für Knochenimplantate geeignet) in Form von je einer Scheibe und eines Stiftes
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Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
Erzeugung und Untersuchung
der Abriebpartikel
- Erzeugung der Abriebpartikel erfolgt in einem kommerziell erhältlichem
Tribometer (Scheibe-auf-Stift Aufbau)
- Scheibe reibt mit definierter Kraft (5N) über den Stift
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
- die entstehenden Abriebpartikel werden in einem Gefäß mit
VE-Wasser aufgefangen
- anschließend Untersuchung der Größenverteilung der Abriebpartikel in
einem kommerziellen Nanopartikelanalysator
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Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
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DLC
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
Zusammenfassung und
Ausblick
Partikelgrößenverteilung zweier Proben im Vergleich
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Topic I
Zusammenfassung und Ausblick
Was ist DLC?
Topic II
Synthetisierung
von DLC
Topic III
Dotierbarkeit
und EigenZusammenschaften
von
fassung
DLC
- DLC ist eine Materialklasse basierend auf amorphem Kohlenstoff
- DLC ist biokompatibel und kann leicht dotiert werden, seine Eigenschaften sind somit und über die Parameter bei der Abscheidung in
einem weitem Bereich einstellbar
DLC-Beschichtungen für
künstliche Hüftgelenke
- in dieser Eigenschaftenkombination kommt DLC als Beschichtung für
künstliche Hüftgelenke in Frage
 Voraussetzung hierfür: Es muß eine Beschichtung entwickelt
werden, deren entstehende Abriebpartikel < 0,3 µm sind
Erzeugung und
Untersuchung
der Abriebpartikel
- Korrelation von Parametern bei der Abscheidung mit Abriebpartikelgrößenverteilung wurde bereits gezeigt
Zusammenfassung und
Ausblick
- Versuche mit Multilayerschichtung und dem Einbau von Wasserstoff in
die Schicht werden folgen