CeraNews 1/2013 DE

Fortbildung (Fortsetzung)
7. Flächenkorrosion ist eine Form der Korrosion, die auf chemische
Unterschiede nicht über die Korngrenzen hinaus, sondern
innerhalb der Körner selbst zurückzuführen ist. 11 Dies ist als der
Abtrag spezifischer Komponenten einer Legierung von der Oberfläche
des Produkts definiert und wird durch schwach gebundene
oder leicht lösliche Elemente und/oder aggressive Medien verursacht.
Flächenkorrosion ist bei mehrphasigen Legierungen mit
Körnern unterschiedlicher Zusammensetzung und Struktur wahrscheinlicher
als bei einphasigen Materialien. Flächenkorrosion als
Prozess kann die Passivierung einer Oberfläche begleiten. Lösliche
Elemente wie Fe oder V werden aus der Oberfläche ausgewaschen,
was zu einer höheren Konzentration korrosionsbeständiger
Elemente wie Cr oder Ti führt. So entsteht ein Schutz vor
weiteren Korrosionsattacken.
8. Spannungsrisskorrosion umfasst Phänomene, bei denen
ein Metall in einer bestimmten Umgebung (insbesondere in chloridreichen
Umgebungen) Belastungen ausgesetzt ist und aufgrund
der Korrosion deutlich schneller versagt als zu erwarten. 14
Allgemeine Korrosion lässt sich nicht vermeiden. Bei modernen
Implantatwerkstoffen handelt es sich dabei jedoch um einen extrem
langsamen Prozess (einige ng/cm 2 /Tag). Wird nur die allgemeine
Korrosion in Betracht gezogen, übersteigt die Lebensdauer
eines Implantats die Lebenserwartung des Patienten bei weitem.
Alle anderen Formen der Korrosion können durch die Auswahl
geeigneter Werkstoffe und Designs sowie den korrekten Umgang
mit den Implantaten vermieden oder reduziert werden. Lässt sich
Korrosion nicht vermeiden, ist darauf zu achten, dass sie möglichst
weitgehend reduziert wird.
Korrosion ist – wie Abrieb – systembedingt und auf mehrere Faktoren
zurückzuführen. Sie ist abhängig vom Werkstoff (Zusammensetzung,
Struktur, Homogenität, Unreinheiten, Defekte,
Elektropotenzial, Repassivierungskapazität etc.), vom Fertigungsprozess,
vom Oberflächenzustand (insbesondere der Rauigkeit),
vom Design (Maße und Toleranzen, insbesondere bei modularen
Verbindungen wie einem Morse-Konus), von der Umgebung (vorwiegend
Belastung, Bewegung und pH-Wert) 5 und dem komplexen
Wechselspiel der metallurgischen, chemischen, elektrischen
und tribologischen Faktoren. 12,15,16
Korrosion und Reibung bei Biomaterialien
Ti und Ti-Legierungen sind für Reibabrieb anfällig, aber ihr elektro
dynamisches Potenzial, und somit ihre Korrosionsbeständigkeit,
ist mit rund 6 V hoch. CoCr-Legierungen sind härter und
weniger anfällig für Reibung und Abrieb, aber ihr Korrosionspotenzial
ist mit rund 400 mV weit niedriger. Edelstahllegierungen
haben allgemein eine ähnliche Härte, aber eine niedrigere Korrosionsbeständigkeit,
mit rund 350 mV für ISO 5832-1- und 800 mV
für ISO 5832-9-Stahl. Zudem ist ihre Reibbeständigkeit geringer
als die von CoCr-Legierungen.
Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit der in der Orthopädie
verwendeten Metalle und Legierungen kommen einige Korrosionstypen
kaum vor. Die beiden Hauptformen von Korrosion, die bei
orthopädischen Implantaten beobachtet werden, sind durch Reibung
verursachte Spaltkorrosion und Reibkorrosion. Lochfraßkorrosion
ist nur bei Edelstählen beobachtet worden und war
der Grund für das Polieren von Schäften, da die Oberflächenrauigkeit
auch Einfluss auf das Ausmaß der Korrosion hat.
Gilbert et al. 17 formulierten die Hypothese einer mechanisch verstärkten
Spaltkorrosion als Erklärung dafür, wie mechanische
Belastung zu Reibung an der modularen Konus-Schnittstelle,
sowie zur Unterbrechung des passiven Oxidfilms, zur Repassivierung
und zur Spaltkorrosion führen kann. Dies scheint bis heute
Konsens zu sein. Sie vermuteten, dass die mechanische Belastung
der Endoprothese die Reib- und Spaltkorrosionsprozesse
beschleunigt und zu der Freisetzung von Metallionen sowie zur
Entstehung von Abrieb führt. Obwohl es sich im Prinzip um ein
Spaltkorrosionsproblem handelt, tragen mechanische Reibung
und Abrieb zusätzlich zum Aufreißen der atomdünnen schützenden
Oxidschicht bei, die sich am Rand der Spaltumgebung befindet.
12,15,18 Wenn das zugrundeliegende metallische Substrat durch
mechanische Beschädigung der Flüssigkeit in der In-vivo-Umgebung
ausgesetzt wird, verändern die schnelle Oxidation oder die
Repassivierung der Metalloberflächen ihre Spannung und führen
zur Säurebildung in der im Konusspalt enthaltenen Lösung.
Einige Autoren von Fachartikeln über Reibung und Korrosion
modularer Implantate gehen jedoch davon aus, dass Korrosionsprobleme
von Design und Hersteller abhängen. 19 Natürlich ist das
intraoperative Zusammenfügen der modularen Komponenten –
sauber, trocken, Impaktieren 20,21,22 – für jede Werkstoffkombination
ebenso wichtig, obwohl sich die Folgen, etwa für Metall oder
Keramik, naturgemäß unterscheiden.
Ein potenzielles zusätzliches Risiko besteht darin, dass über die
Jahre Operateure damit begonnen haben, Komponenten unterschiedlicher
Hersteller zu kombinieren 23 und dass nicht alle
Konusse gleich sind.
Zusammenfassung
CeraNews 1 / 2013
Korrosion und Abrieb sind systembedingt, komplex und multifaktoriell.
Metallische Biomaterialien korrodieren im menschlichen
Körper allgemein, wenn auch sehr langsam. Verschiedene andere
Formen der Korrosion sind in der Technik identifiziert worden,
einige von ihnen lassen sich auch in der Orthopädie beobachten.
Ihre Ursachen und Folgen wurden im Detail analysiert. Für Langzeitimplantate
wie HTEP wurden die modularen Verbindungen
als vorrangige Problemquelle identifiziert. Der Mechanismus der
durch Reibung hervorgerufenen Spaltkorrosion hat hier besondere
Aufmerksamkeit erhalten. Abgesehen von mehreren anderen
Faktoren sind die Verwendung geeigneter Werkstoffe und
angemessener Designs sowie das sorgfältige Zusammenfügen der
gewählten Komponenten die beste Methode, um umfangreiche
Korrosion mit ihren möglichen Konsequenzen zu vermeiden.
16