Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Dr. T. Barfels

Workshop zur Fertigung von kleinen Präzisionsteilen für die Medizintechnik und Analytik Berlin, 24. Januar 2008

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik

Inhalt: ☺ ☺ ☺ ☺

Vorstellung IfOD Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) Einsatz im Maschinenbau Innovationsfelder in der Medizintechnik

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt: => Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

Hochschule Wismar - University of Technology, Business and Design Fakultät für Fakultät für IngenieurWirtschaftswissenschaften wissenschaften

Fakultät Design

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt: => Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

Randbedingungen ☺ gegründet 1999 als interdisziplinäre ☺ ☺ ☺ ☺ ☺

Forschungseinrichtung der Fachbereiche Elektrotechnik und Maschinenbau hauptsächlich Drittmittel-finanziert Haushalt von ca. 300 – 500 T€ / Jahr ca. 10 Mitarbeiter (Projekt-abhängig) Physiker, Chemiker, Ingenieure, Techniker Institutsleiterin: Prof. Dr. Wienecke Aufgaben: Forschung und Lehre

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Forschungs- und Geschäftsfelder ☺ Oberflächen- / Dünnschichttechnik ☺ Nanotechnologie ☺ Gassensorik ☺ Brennstoffzellentechnologie ☺ Kunststofftechnik ☺ Materialprüfung

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Strukturen des Kohlenstoff

=> Vorstellung IfOD

a) Diamant b) Graphit c) Lonsdaleit Buckminsterfullerene d) C60 e) C540 f) C70 g) amorpher Kohlenstoff h) Nanoröhrchen

=> Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik Created by Michael Ströck

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt: => Vorstellung IfOD

Bindungen des Kohlenstoff

p-Orbital

s-Orbital

=> Diamantartiger Kohlenstoff (DLC)

sp

1

lineare Bindung

C≡C

=> Einsatz im Maschinenbau

sp2 flächige Bindung

=> Innovationsfelder in der Medizintechnik

sp3 räumliche Bindung C-C www.physics.utoledo.edu

C=C

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Struktur: Diamant und Graphit

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC)

sp

3

sp

2

=> Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik www.msm.cam.ac.uk

Anton (rp) 2004

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Eigenschaften: Diamant und Graphit

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

Härte (Mohs):

10

0,5

elektr. Leitfähigkeit:

10-4 S/m

106 S/m

opt. (vis) Transmission:

transparent

opak

Wärmeleitfähigkeit:

1000 W/(m∙K)

130 W/(m∙K)

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Eigenschaften: DLC amorphe Struktur mit Nahordnung mit Diamant-(sp3)- und Graphit-(sp2)-bindungen Bindungsverteilung ist Prozessparameter-abhängig => insbesondere vom Wasserstoffanteil => viel H => weich, polymerartig => wenig H => hart, spröde Wasserstoff => Absättigung von freien Bindungen

=> Innovationsfelder in der Medizintechnik www.plasma.de

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Herstellung: DLC PVD

PA-CVD

Zerstäubung eines Kohlenstofftargets durch Ionenbeschuss im Argon-MethanPlasma

Pyrolyse von organischen Gasen (Methan, Ethin) durch in einem angeregten (HF/RF, ECR) Argon-Plasma

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Herstellung: DLC

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Verschleißfestigkeit, Härte, ...

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

Fraunhofer IST

- hohe Härte - geringer Reibkoeffizient - geringerer Verschleiß

Fraunhofer IST

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Bohren, Schneiden, Fräsen

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

www.nachi-fujikoshi.co.jp

Fraunhofer IST

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Gleiten, Verschleißschutz

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

Oakley Spachtholz RWTH Aachen

Jenoptik

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Biokompatibilität

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

Lichtmikroskopische Aufnahme von PMN Granulozyten auf einer DLC-Oberfläche.

Lichtmikroskopische Aufnahme von PMN Granulozyten auf einer Edelstahloberfläche. Beck, Dissertation 2001

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Biokompatibilität

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

Anzahl von abgelagerten Plättchen pro Zeit für verschiedene Beschichtungen von Gefäßprothesen

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Gelenkprothesen

=> Vorstellung IfOD

Problem: PE-Abriebpartikel

Lösungsansatz: DLC-beschichteter Gelenkkopf

=> Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

● ● ● ●

Metal/UHMWPE: 20-60 mm3/a Metal/Metal: 1-5 mm3/a Ceramic/Ceramic: 10-2 mm3/a DLC/DLC: 10-4 mm3/a R. Lappalainen et al., J. Biomed. Mater. Res.(2003) B. Shiet al., Wear (2003) V.-M. Tiainen, Diamond Relat. Mater. (2001)

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik Inhalt:

Implantate in direktem Blutkontakt

=> Vorstellung IfOD => Diamantartiger Kohlenstoff (DLC) => Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

DLC reduziert die Thrombenbildung durch gute Blutkompatibilität

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Probleme: Grenzflächenkorrosion Pinholes in den dünne DLC-Schichten sind unvermeidbar! In Verbindung mit einer Krafteinwirkung können Schichtpartikel abplatzen.

=> Einsatz im Maschinenbau => Innovationsfelder in der Medizintechnik

C . Lui e t a l., Th in S o lid F ilm s (2 006)

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Lösungsvorschlag: Grenzflächenkorrosion Multilayer-DLC-Schichten mit gradierten bzw. alternierenden Härten und E-Modulen! Pinholes des Einzelschichten sind nicht durchgehend bis zur Grenzfläche DLC/Substrat. Interne Spannungen werden kompensiert. „Dickere“ verschleißfeste und korrosionsarme Schichten sind möglich.

Diamantartiger Kohlenstoff auch in der Medizintechnik

=> Vorstellung IfOD

Lösungsvorschlag: gradierte Multilayer DLC-Schicht

Si Substrate 3600

70

3200

C / at% Si / at% O / at% Ti / at%

60 50

2800

at %

=> Innovationsfelder in der Medizintechnik

C

Vickers Härte / VH

=> Einsatz im Maschinenbau

DLC SiC Si

H

=> Diamantartiger Kohlenstoff (DLC)

2400 2000 1600 1200 0 200

U

400

bias

/V

600

6 800

3

9

12

p work

/

15

18

r µba

21

Atomic fracture / %

Inhalt:

40 30 20 10 0 2

4

6

8

10

12

14

16

18

Electron Beam kinetic Energy E0 / keV

20

22