Bestimmung der Mikrohärte zur Charakterisierung von medizinischen Implantaten des Stützapparates

Durch Verletzungen oder Verschleißerscheinungen können Knie- oder Hüftgelenke derart beschädigt werden, dass ein Ersatz durch künstliche Teile notwendig wird. Solche Operationen sind nicht nur äußerst schmerzhaft, sondern auch teuer und riskant, daher ist die Langlebigkeit der Implantate besonders wichtig. Diese wird durch den Einsatz von widerstandsfähigen Beschichtungen aus Hartchrom oder Keramik erreicht, die sich durch eine besondere Verschleißfestigkeit auszeichnen.

Der Austausch eines Knie- oder Hüftgelenks ist ein großer chirurgischer Eingriff, um die beschädigten Teile zu erneuern, Schmerzen zu lindern und die Funktionalität des Gelenks wiederherzustellen. Um den Erfolg dauerhaft sicherzustellen, müssen die Implantate sehr hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit erfüllen. Die Härte eines Materials und seine Verschleißfestigkeit korrelieren, weshalb die Messung der Vickers-Härte (HV) ein geeigneter Parameter zur Charakterisierung ist. Aber traditionelle Vickers-Messgeräte ermitteln (nur) eine kombinierte Härte aus Beschichtung und Substrat, da die von diesen Geräten verwendeten Prüfkräfte zu hoch sind. Zudem ist der Bedienereinfluss kritisch, die Diagonalen des Eindrucks werden optisch unter dem Mikroskop gemessen.

Die sogennante Nanoindentation, auch Mikrohärte genannt, verwendet sehr niedrige Kräfte und ist damit zur Bestimmung der Härte von dünnen Beschichtungen ohne Substrateinfluss viel besser geeignet.

Das FISCHERSCOPE® HM2000 ist das ideale Instrument für diese Aufgabe, da es HV automatisch aus der kontinuierlich erfassten Eindringtiefe berechnet und damit jeden Anwendereinfluss ausschließt. Aus der Steigung der Entlastungskurve kann zudem das Elastizitätsmodul berechnet werden.

Im folgenden Beispiel wird die Härte einer 7 µm dicken Hartchrombeschichtung eines Knie-Implantats mit dem FISCHERSCOPE® HM2000 gemessen. Dabei wird eine maximale Belastung von 50 mN aufgebracht. Die Eindringtiefe verbleibt noch innerhalb der empfohlenen 10 % der Schichtdicke (Bückle-Regel), wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abb. 1: Kraft-Eindringtiefen-Diagramm für sechs Messungen an der Beschichtung eines Knie-Implantats

Das HM2000 mit integriertem Mikroskop und motorisiertem XYZ-Tisch ermöglicht Messungen direkt auf komplexen Geometrien wie künstlichen Knie-Implantaten – bei minimaler Probenvorbereitung. Die durchschnittliche Härte der in diesem Beispiel gemessen Chrombeschichtung beträgt 1084,8 HV mit durchschnittlichem Elastizitätsmodul von 279,7 GPa.

Kein Patient möchte einen Gelenkersatz, der sich vorzeitig abnutzt und ausgetauscht werden muss. Damit chirurgische Implantate lange halten, müssen sie richtig beschichtet werden. Zur Überprüfung der Qualität dieser Beschichtungen wird die Nanoindentation eingesetzt. Das FISCHERSCOPE® HM2000 ermöglicht genaue Messungen direkt auf zur orthopädischen Rekonstruktion verwendeten Implantaten. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Vertreter von Fischer.

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