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Fragestellung: Kniegelenkersatz durch eine Knietotalendoprothese ist einer der häufigsten operativen Eingriffe in Deutschland. Durch tribologische Verschleißvorgänge können beim Einsatz einer metallischen Knieendoprothese PE- und Metall-Abriebpartikel sowie Metallionen entstehen. Diese können Komplikationen hervorrufen, welche durch komplizierte Revisionsoperationen behoben werden müssen. Der Einsatz einer metallischen Hart-Hart-Paarung mit einer harten, reibungsarmen und verschleißfesten Beschichtung kann den PE-Abrieb vollständig beseitigen und könnte den Metallabrieb und die Ionenemission deutlich reduzieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden strukturierte ta-C (tetrahedral amorphous carbon) Beschichtungen mit Hilfe eines Pulsed Laser Deposition Verfahren (PLD) abgeschieden und sowohl mechanisch als auch biologisch untersucht, um ihre Eignung zum Einsatz in der Endoprothetik zu evaluieren. Die Hypothese ist, dass eine hohe Verschleißfestigkeit der Beschichtung und eine lasererzeugte Mikrostruktur für gute tribologische Eigenschaften sorgen, wobei die Ionendichtigkeit der ta-C Schicht eine Barrierewirkung gegen Ionenemission gewährleistet.

Methodik: Polierte CoCrMo-Probekörper wurden mit Hilfe eines Lasers strukturiert und durch ein patentiertes PLD Verfahren mit ta-C beschichtet. Die Prozesserweiterung mit einem Entspannungslaser ermöglicht es die ta-C Schichten mit niedrigen Eigenspannungen herzustellen. Die Oberflächeneigenschaften wurden mit 3D-Konfokalmikroskopie, REM, Nanoindentations und Scratchtests untersucht. Die Benetzbarkeit der Oberflächen wurde mit Hilfe der Kontaktwinkelmessung ermittelt. In der Biokompatibilitätsuntersuchung wurden die pro-inflammatorische Reaktion der MM6-Zellen mithilfe einer qRT-PCR bestimmt, wobei die inflammatorischen Markergene IL1β, FN, TGFβ, TNFα untersucht wurden. Potenziostatische Versuche wurden zur Ermittlung des Korrosionspotentials durchgeführt. Ionenemission wurde in langfristigen Versuchen unter dem Einsatz von Kälberserum mit H₂O₂ und HCl ermittelt, die inflammatorische Konditionen nachahmen sollen.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Oberflächen entsprechen mit einem Mittenrauwert Ra von 5 bis 20 nm den Anforderungen der ISO 7207-2. Die Beschichtungen weisen eine hohe Härte von bis zu 60 GPa und eine mit TiN- und TiNbN-Beschichtungen vergleichbare Haftung auf. Die beschichteten Oberflächen haben eine gesteigerte Benetzbarkeit und die Biokompatibilität auf dem Niveau von CoCrMo-Legierung. Ein höheres Ruhepotential bei den beschichteten Proben (OCP = 0,53 V) weist auf eine niedrigere Korrosionsanfälligkeit im Vergleich zu CoCrMo-Proben (OCP = 0.12 V) hin. Die Barrierewirkung gegen Ionenausritt der Beschichtung wurde durch einen deutlichen Unterschied der Ionenkonzentration im Kälberserum nachgewiesen.

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche deuten auf ein hohes Potential der ta-C Beschichtungen zur Nutzung auf Knieimplantaten hin, welches durch weitere Forschungsarbeiten weiterentwickelt werden soll.