Härter als Titan: Aussichtsreiches Implantatmaterial entdeckt

24.08.2016

Die neue Titan-Gold-Legierung könnte Endoprothesen sowohl härter als auch verschleißbeständiger machen und ist zudem biokompatibel.
© Jeff Fitlow/Rice University

Houston – Als besonders hartes, verschleißfestes und gut verträgliches Leichtmetall zählt Titan zu den am häufigsten eingesetzten Implantatmaterialien in der Knie- und Hüftendoprothetik. Im Rahmen seiner Forschungen entdeckte ein Team von Physikern aus den USA nun eine Titan-Gold-Legierung, die viermal härter ist als Rein-Titan und zudem weitere Eigenschaften aufweist, die die Verbindung zu einem vielversprechenden neuen Implantatmaterial machen könnten.

Die Legierung besteht aus einer 3:1 Mischung von Titan und Gold und weist eine spezielle atomare Struktur auf, welche die Verbindung außerordentlich robust macht. Dieser besondere atomare Aufbau der Legierung – die Atome sind eng in einer kubischen, kristallinen Struktur angeordnet – ist bereits seit Längerem bekannt.

Die beiden Wissenschaftlerinnen Prof. Emilia Morosan und Dr. Eteri Svanidze von der Rice University in Houston, Texas, sind nicht einmal sicher, ob sie die ersten waren, die eine reine Probe der besonders harten Beta-Form der Legierung hergestellt haben. Aufgrund einer zufälligen Entdeckung konnten sie und ihr Forscherteam allerdings erstmals die besonderen Eigenschaften des Materials analysieren und beschreiben.

Viermal härter als reines Titan

Der Ausgangspunkt dieser Entdeckung war die Erforschung einer 1:1 Verbindung von Titan und Gold, einem magnetischen Material, das aus zwei nicht magnetischen Stoffen besteht. Als die Physikerinnen das Material zur Untersuchung seiner strukturellen Eigenschaften im Labor zerkleinern wollten, stellten sie fest, dass es ihnen nicht möglich war. Die Verbindung war ungewöhnlich hart.

Daraufhin beschlossen Morosan und ihre Kollegin, weitere Tests durchzuführen. Sie untersuchten diese und weitere Verbindungen von Titan und Gold auf ihre Festigkeit – unter ihnen eine 3:1 Mischung, die bei sehr hoher Temperatur gefertigt worden war. Wie die Physikerinnen herausfanden, ist diese Art der Fertigung ausschlaggebend für die spezifische kristalline Struktur und die besondere Festigkeit der Verbindung.

Die bei niedrigeren Temperaturen hergestellte und bereits von anderen Forschern untersuchte Alpha-Form der Legierung (α-Ti3Au) weist eine andere kristalline Struktur auf und ist in etwa so hart wie Rein-Titan. Die von Morosan und Svanidze entdeckte Beta-Form (β-Ti3Au) ist viermal härter.

Vielversprechende Eigenschaften für medizinische Implantate

Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Legierung reinem Titan auch im Bereich der Biokompatibilität und der Verschleißbeständigkeit überlegen ist. Dies könnte β-Ti3Au zu einem vielversprechenden neuen Implantatmaterial machen, so Morosan und Svanidze. Die Wissenschaftlerinnen planen, die Beta-Legierung weiter zu erforschen und ihren Härtegrad wenn möglich noch zu steigern.

Die Studie „High hardness in the biocompatible intermetallic compound β-Ti3Au” wurde am 20. Juli online in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Quelle: Rice University

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