Development and Characterization of Toxic-element free and Biocompatible Ti-based Metallic Glasses

Metallische Gläser weisen einzigartige physikalische Eigenschaften wie große elastische Dehnung, hohe Festigkeit und Härte sowie hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auf, die auf ihre ungeordnete Atomstruktur zurückzuführen sind. Diese Struktur weist keine Kristallfehler, Versetzungen und Korngrenzen auf. Wenn eine metallische Legierung ausreichend schnell abgekühlt wird, um die Kristallisation zu vermeiden, erstarrt sie so, dass ihre Atome ihre thermodynamisch stabilen Gitterpositionen nicht einnehmen können. Die resultierende amorphe Struktur wird als metallisches Glas (MG) bezeichnet. Die Notwendigkeit einer hohen Abkühlrate beschränkt jedoch ihre physische Form auf schmale Formen wie dünne Filme, Bänder oder wenige Millimeter dicke Stäbe. Letzteres kann nur mit bestimmten Legierungen erreicht werden, die eine hohe Glasbildungsfähigkeit (GFA) besitzen und ihre amorphe Struktur in massiver Form erhalten.
Es sind 18 Jahre seit der Entdeckung des berühmten Ti-basierten Ti40Zr10Cu36Pd14 Bulk-Metallglases (BMG) vergangen, das in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden sollte, um das polykristalline handelsübliche reine (cp) Ti oder das bekannte Ti−6Al−4V zu ersetzen. Obwohl große wissenschaftliche Anstrengungen unternommen wurden, um zu beweisen, dass diese Legierung biologisch sicher ist und ein großes Potenzial für den Einsatz in medizinischen Implantaten hat, wird cp-Ti und die polykristalline Ti−6Al−4V-Legierung bis heute noch verwendet. Dies liegt teilweise am hohen Preis von Pd, aber der Hauptgrund ist der hohe Kupfergehalt dieses BMGs und die bekannte Zytotoxizität von Kupfer. Darüber hinaus weist dieses BMG aufgrund seines hohen Kupfer- und niedrigen Titangehalts eine mittelmäßige Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu traditionellen polykristallinen Ti-basierten medizinischen Legierungen auf, was seine überlegenen mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Das Risiko einer schädlichen Freisetzung von Kupferionen in das umliegende Körpergewebe, die nach der Operation entzündliche Reaktionen hervorrufen kann, ist der Hauptfaktor, der die Anwendung von Kupfer-haltigen Ti-basierten BMGs in der medizinischen Implantatindustrie verhindert.
Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, neue, wirklich biokompatible Ti-basierte metallische Gläser (Ti-basierte MGs) mit der höchstmöglichen Glasbildungsfähigkeit (GFA) zu entdecken, die aufgrund der Tatsache, dass sie nur aus individuell biokompatiblen Elementen bestehen, absolute Langzeitsicherheit im menschlichen Körper gewährleisten. Diese Einschränkung bei der Auswahl der Legierungskandidaten schließt die stärksten glasbildenden Elemente wie Be, Ni, Cu und Al aus, die in der Ti-basierten BMG-Produktion unverzichtbar sind. Daher wurde nach neuen Ti-basierten MGs ohne toxische Elemente in den Übergangsmetall-Metalloid-Typ (TM-M) Glasbildungssystemen gesucht. Auch wenn diese Art von Ti-basierten MGs eine von Natur aus niedrige GFA aufweisen, die ihre physische Form auf dünne, durch Schmelzspinnen hergestellte Bänder beschränkt, wird die GFA der neuen Legierungen vergleichend bewertet und ihre Verbesserung angestrebt, ohne die Korrosionsbeständigkeit zugunsten einer hohen GFA zu opfern.
Der entscheidende Parameter einer medizinischen Legierung in Bezug auf ihre Biokompatibilität ist die Korrosionsbeständigkeit. Daher wird die Aufrechterhaltung einer hohen Korrosionsbeständigkeit als Priorität angesehen, und der Ti-Gehalt in den Legierungszusammensetzungen wurde so hoch wie möglich gehalten. Um zudem einen synergistischen Effekt mehrerer wesentlicher Elemente auf die Korrosionsbeständigkeit zu erzielen und die GFA durch Erhöhung der Konfigurationsentropie und Verbreiterung der Atomgrößenverteilung zu fördern, wurde eine Metalloidmischung als M-Komponente der TM-M-Glasbildung verwendet. Es wurden eingehende Analysen an ausgewählten Legierungsgruppen durchgeführt.