Nanostrukturierung von Titanlegierungen durch thermomechanische Prozessketten: Methodik und Anwendung für medizinische Implantate

Antibiotikaresistente Bakterien verursachen in Europa jährlich 670.000 invasive Infektionen, an deren Folgen 33.000 Menschen sterben. Allein in der Chirurgie sind diese Bakterien für jede zehnte implantatassoziierte Infektion verantwortlich. Fortschrittliche Implantate auf Basis nanostrukturierter Titanlegierungen weisen antibakterielle Eigenschaften und eine erhöhte Biokompatibilität auf, um eine komplikationsfreie Einheilung zu gewährleisten. Die Herstellung der Nanostruktur stellt jedoch aufgrund komplexer Wechselwirkungen zwischen Materialeigenschaften und Prozessparametern eine Herausforderung dar. In diesem Beitrag wird eine Methodik zur Gestaltung thermomechanischer Prozessketten entwickelt, um maßgeschneiderte mikrostrukturelle Eigenschaften in Titanlegierungen zu erzielen. Die Methodik besteht aus fünf systematischen Schritten zur Beherrschung der Komplexität der multiphysikalischen Kopplungsbeziehungen zwischen Legierungszusammensetzung, Temperatur, Spannung und Mikrostruktur. Die Methodik wird auf die Nanostrukturierung der Titanlegierungen Ti-13Nb-13Zr (NanoTNZ) und Ti-6Al-4V ELI für Rund- und Flachmaterial angewendet. Die Prozessketten bestehen aus einer Kombination von Wärmebehandlungen und kontinuierlicher hochplastischer Umformung (Equal-Channel-Angular-Swaging und Continuous-Multi-Directional-Swaging). Die erforderlichen Spannungs- und Dehnungsverteilungen sowie die Prozessrouten und die mechanisch-mikrostrukturellen Effekte zur Erzielung einer homogenen Nanostruktur werden untersucht. Im Anschluss erfolgt die Herstellung von Dentalimplantaten und Osteosyntheseplatten aus NanoTNZ, welche die angestrebten Ziele einer verbesserten biomedizinischen Implantat-Knochen-Interaktion zur Entfaltung des gesellschaftlichen Nutzens erfüllen. Die vorgestellte Methodik eröffnet somit einen Erkenntnisgewinn zur Beherrschung multiphysikalischer Kopplungsbeziehungen in kontinuierlichen thermo-mechanischen Nanostrukturierungsverfahren zur Erzielung maßgeschneiderter Eigenschaften in Titanlegierungen.

Antibiotic-resistant bacteria cause 670,000 invasive infections in Europe every year, resulting in 33,000 deaths. In surgery, these bacteria are responsible for one in ten implant-associated infections. Advanced implants based on nanostructured titanium alloys have antibacterial properties and increased biocompatibility to ensure complication-free healing. However, the manufacturing of the nanostructure poses a challenge due to complex interactions between material properties and process parameters. In this work, a methodology for the design of thermomechanical process chains is developed to achieve customized microstructural properties in titanium alloys. The methodology consists of five systematic steps to master the complexity of the multiphysical coupling relationships between alloy composition, temperature, stress and microstructure. The methodology is applied to the nanostructuring of titanium alloys Ti-13Nb-13Zr (NanoTNZ) and Ti-6Al-4V ELI for round and flat material. The process chains consist of a combination of heat treatments and continuous severe plastic deformation (Equal-Channel-Angular-Swaging and Continuous-Multi-Directional-Swaging). The required stress and strain distributions as well as the process routes and the mechanical-microstructural effects to achieve a homogeneous nanostructure are investigated. Subsequently, dental implants and osteosynthesis plates are manufactured using NanoTNZ, which meet the desired objectives of enhanced biomedical implant-bone interaction, thereby facilitating the realization of social benefits. The presented methodology offers a novel opportunity to gain knowledge for mastering multiphysical coupling relationships in continuous thermo-mechanical nanostructuring processes to achieve customized properties in titanium alloys.