CeraNews 1/2013 DE

Fortbildung
Grundlagen – Korrosion und Reibkorrosion (Fretting)
von Prof. Dr. Robert Streicher
Einleitung
In der Orthopädie verwendete Metalle sind hochfeste, biokompatible
Legierungen. Sie werden vorwiegend für die Strukturkomponenten
der Implantate eingesetzt. Je nach ihrer Zusammensetzung
können sie wie Edelstahl und CoCr-Legierungen inert sein oder
wie Titan und Titanlegierungen osteogene Zellen anziehen.
Für Medizinprodukte werden drei Metalle und Legierungen in verschiedenen
Zusammensetzungen verwendet: auf Fe basierende Legierungen
(Edelstahl), CoCr-Legierungen (Stellite) und Ti und seine
Legierungen. Für die Gleitpaarungen künstlicher Gelenke werden
fast ausschließlich CoCr-Legierungen verwendet.
Abb. 1a: Korrosion in technischer Anwendung
Seit den frühen 1970er-Jahren setzen sich Implantate zunehmend aus modularen
Komponenten zusammen. Dies gilt insbesondere für Hüftimplantate mit
austauschbaren Kugelköpfen und Morse-Konus, was auch die Einführung der
keramischen Gleitpaarung für die Hüftendoprothetik möglich machte. Diese
Implantate haben sich bewährt. Bei jedem modularen Design gibt es jedoch
auch gewisse Risiken im Kontaktbereich zwischen zwei Komponenten, da dort
verstärkt Reibung und Korrosion auftreten und die Entstehung von Abriebpartikeln
wahrscheinlicher ist.
Kürzlich wurde in 3 Vorträgen über Reibung und Korrosion berichtet. Der
Schwerpunkt lag auf dem Verhalten von Keramik- und/oder CoCr-Kugelköpfen
bei modularen Hüftendoprothesen (HTEP). 1,2,3 Da das Thema modulare Verbindungen
in den vergangenen Jahren eine (negative) Renaissance erlebt hat, werden
in diesem Artikel wissenschaftliche Grundlagen zu Reibung und Korrosion
zusammengefasst.
Abb. 1b: Schnittstellenkorrosion in der Orthopädie –
Innenkonus eines Metall-Kugelkopfes
Quelle: Collier P et al. Corrosion between the components of modular
femoral hip prostheses, J Bone Joint Surg-Br 1992;74:511-7
Definitionen
Mechanisch verursachter Schnittstellenverschleiß
(Abrieb, Reibung und Reibabrieb)
Chemisch verursachter Schnittstellenverschleiß
(Reib- und Spaltkorrosion)
CeraNews 1 / 2013
Abrieb ist als Oberflächenbeschädigung definiert,
die durch einen schrittweisen Materialverlust aufgrund
der Relativbewegung zwischen angrenzenden
Oberflächen gekennzeichnet ist. 4
Reibung (Fretting) ist eine spezifische relative
Bewegung und ist definiert als ein Bewegungsmechanismus
mit niedriger Amplitude, Schwingung
und Verschiebung zwischen zwei belasteten,
mechanisch verbundenen Teilen. Mehrere Autoren
haben untersucht, welcher Bewegungsumfang
nötig ist, um dieses Phänomen auszulösen. Er wird
allgemein als sehr niedrig, zwischen 1 und 100 μm,
angegeben. 5,6 Angesichts der im Körper vorhandenen
Belastungen sind alle modularen Endoprothesenverbindungen
potenzieller Reibung ausgesetzt.
Reibabrieb ist der Materialabtrag der Kontaktflächen
durch Reibwirkung.
Korrosion ist gemäß ingenieurwissenschaftlicher
Definition die sichtbare Zerstörung einer Struktur bis
hin zum Funktionsverlust. In der Chemie dagegen
ist Korrosion als irreversible Oberflächenreaktion
eines Werkstoffs mit seiner Umgebung definiert,
durch die das Material verbraucht wird und seine
gelösten Teile mit der Umgebung reagieren. Sie
wird als Oberflächenschädigung aufgrund elektrochemischer
Wechselwirkungen beschrieben, durch
die Metallionen und Salze 7 entstehen, und gilt nur
für Metallwerkstoffe. Nur Edelmetalle wie Gold
haben eine Oberfläche, die sich selbst vor Korrosion
schützt. Alle anderen Metalle und Legierungen
unterliegen bei Luftkontakt einer spontanen Reaktion
mit Sauerstoff, die zu einer mehr oder weniger
schützenden Oxidschicht (Passivierung) führt, wie in
Abbildung 2 dargestellt.
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