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Gegenstand der vorliegenden
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur anti-mikrobielle
Ausstattung von Titan und Titanlegierungen mit Silber, insbesondere
ein Verfahren, dass eine anti-mikrobielle Ausstattung von Titan und
Titanlegierungen mit Silber erlaubt, die eine kontrollierte Freisetzung
von Silberionen über einen bestimmten Zeitraum ermöglicht.
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Hintergrund der Erfindung
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Zur
Oberflächenbehandlung von Titan sind zahlreiche Verfahren
bekannt, etwa Anodisieren Typ I–V, Elektropolieren, Plasmanitrieren,
etc. Zur antimikrobiellen Ausstattung von Oberflächen mit
Silber sind ebenfalls zahlreiche Verfahren bekannt, etwa Abscheiden
aus der Dampfphase (PVD), aus übersättigter Lösung,
oder durch Ionenimplantation.
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Weiterhin
ist eine Beschichtung aus Silber auf Titan bekannt aus „Antimicrobial
titanium/silver PVD coatings on titanium" von Andrea Ewald et. Al., veröffentlicht
am 24. März 2006 in BioMedical Engineering OnLine2006,
5:22 doi:10.1186/1475-925X-5-22.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist es, die Verfahren zur Verfügung zu stellen,
dass eine verbesserte anti-mikrobielle Ausstattung von Titan und
Titanlegierungen mit Silber erlaubt, die eine kontrollierte Freisetzung von
Silber-Ionen über einen bestimmten Zeitraum ermöglicht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand
der unabhängigen Ansprüche, wobei vorteilhafte
Ausgestaltungen dessen in den abhängigen Ansprüchen
verkörpert werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren
zur antimikrobiellen Ausstattung von Implantatoberflächen
mit Silber bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst, ein Anodisieren
der Implantatoberfläche in Gegenwart von einem Elektrolyt,
wobei das Elektrolyt eine silberabgebende Substanz umfasst.
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Dadurch
wird eine zeitgleiche Etablierung eines Silberdepots und eine Oberflächenbehandlung etwa
zur Härtung und Erhöhung der Abriebfestigkeit bereitgestellt.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die
silberabgebende Substanz ein Silbersalz.
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Dadurch
kann leicht eine hohe Anzahl von Silber-Ionen in einem Elektrolyt
bereitgestellt werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Silbersalz Silbernitrat.
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Silbernitrat
ist verhältnismäßig leicht in Wasser
lösbar, sodass als Elektrolyt eine wässrige Lösung
verwendet werden kann.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Silber
wenigstens teilweise aus Silber-Ionen durch ein Reduktionsmittel reduziert.
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Ein
Reduktionsmittel vermag den Silber-Ionen die für eine benötigte
Reduktion fehlenden Elektronen zur Verfügung zu stellen.
Das Reduktionsmittel kann auch eine von außen wirkende
Elektronenquelle sein.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Elektrolyt das Reduktionsmittel.
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Auf
diese Weise kann das Reduktionsmittel direkt im Elektrolyt bereitgestellt
werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Reduktionsmittel Natrium-Borhydrid.
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Natrium-Borhydrid
ist ein besonders geeignetes Reduktionsmittel, insbesondere für
Silber-Ionen in einer wässrigen Lösung.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Anodisieren ein Anodisieren vom Typ II.
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Auf
diese Weise kann eine Härtung und ein Einbringen von Silber
bis in verhältnismäßig große Tiefen
von beispielsweise 5 bis 10 Mikrometer erreicht werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Anodisieren ein Anodisieren vom Typ III.
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Auf
diese Weise kann eine Deponierung einer definierten Schicht auf
der Implantatoberfläche erfolgen, ohne die Grundsubstanz
des Implantats wesentlich zu tangieren.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird dem Elektrolyten
beim Anodisieren eine Lösung zugesetzt, die eine Konzentration
von 1 × 10exp–4 M bis 1 × 10exp–2
M, vorzugsweise etwa 1 × 10exp–3 M Silbernitrat
aufweist und eine Konzentration von 2 × 10exp–4
M bis 2 × 10exp–2 M, vorzugsweise etwa 2 × 10exp–3
M Natrium-Borhydrid aufweist.
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Diese
Konzentrationen haben sich als besonders vorteilhaft für
den Aufbringungsprozess erwiesen.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die
Silber-Ionen reduziert und vor einem Ausfällen als Nanopartikel
in die Anodisierschicht der Implantatoberfläche bzw. eine
darauf befindliche Oxidschicht eingebaut.
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Auf
diese Weise werden können die Silberanteile zu integralen
Bestandteilen des Grundmaterials bzw. der Beschichtung werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein
Verfahren zur antimikrobiellen Ausstattung von Implantatoberflächen
mit Silber eine Silber-Implantation.
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Durch
eine Silberimplantation kann Silber beispielsweise durch einen Sputterprozess
in oberste Schichten einer Implantatsoberfläche eingebracht werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Verfahren ferner ein Anodisieren der Implantatoberfläche.
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Auf
diese Weise kann die Implantatoberfläche nach einer Silberimplantation
Oberflächenbehandelt werden, etwa gehärtet oder
abriebfester gemacht werden gegen Abrieb von weichem oder hartem
Gewebe.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden Parameter
einer Silber-Implantation so gewählt werden, dass eine
Eindringtiefe des Silbers zwischen 0,5 und 2 Mikrometern, insbesondere
1 Mikrometer liegt.
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Auf
diese Weise kann eine definierte Abgabe von Silber über
einen bestimmten Zeitraum erreicht werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein
Verfahren zur antimikrobiellen Ausstattung von Implantatoberflächen
mit Silber eine physikalische Gasphasenabscheidung.
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Auf
diese Weise kann eine definierte Beschichtung auf die Oberfläche
eines Implantate aufgebracht werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Verfahren ferner ein Anodisieren der Implantatoberfläche.
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Auf
diese Weise kann die Implantatoberfläche nach einer Silberimplantation
Oberflächenbehandelt werden, etwa gehärtet oder
abriebfester gemacht werden gegen Abrieb von weichem oder hartem
Gewebe.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die physikalische
Gasphasenabscheidung abwechselnd mit Silber und mit Titan durchgeführt.
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Auf
diese Weise kann nicht nur eine Silber-Implantation, sondern eine
Silbe-Titan-Deckschicht auf das Grundmaterial aufgebracht werden, und
zwar durch das Abwechseln in definierte Schichtdicken bzw. einer
Matrix zur zeitlich gesteuerten Abgabe von Silber.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird die physikalische
Gasphasenabscheidung gleichzeitig mit Silber und mit Titan durchgeführt.
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Auf
diese Weise kann nicht nur eine Silber-Implantation, sondern auch
eine Silber-Titan-Deckschicht auf das Grundmaterial aufgebracht werden,
wobei durch die gleichzeitige Applikation eine schnellere Beschichtung
durch gleichzeitige Beschichtung erreicht werden kann.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die
eine durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebrachte Deckschicht einer
Dicke zwischen 1 und 3 Mikrometern, insbesondere 1 Mikrometer auf.
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Auf
diese Weise kann eine besonders beständige Beschichtung
aufgebracht werden.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das
Anodisieren ein Anodisieren vom TypII oder vom Typ III.
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Auf
diese Weise kann eine Härtung und ein Einbringen von Silber
bis in verhältnismäßig große Tiefen
von beispielsweise 5 bis 10 Mikrometer erreicht werden (Typ II),
bzw. eine Deponierung einer definierten Schicht auf der Implantatoberfläche
erfolgen, ohne die Grundsubstanz des Implantats wesentlich zu tangieren
(Typ III).
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Computerprogramm
bereitgestellt, das, wenn es durch eine Prozessor ausgeführt
wird, ausgelegt ist, das erfinderische Verfahren.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Computerlesbares
Medium bereitgestellt, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm
gespeichert ist.
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Durch
eine Anodisierung, insbesondere vom Typ II und III, und die kombinierte
Silberabscheidung wird ermöglicht, dass Silber bzw. Silber-Atome
in die Anodisierschicht eingebaut werden und so Bestandteil des
Grundmaterials werden. Ziel ist dabei, die Ag-Schichtadhäsion
prinzipiell zu erhöhen und eine kontrollierte Freisetzung
der Silberionen über einen Zeitraum von mindestens 10 Tagen
zu ermöglichen. Ferner können die Vorteile der
Anodisierung mit denen der Silberdotierung/-legierung derart zu
kombiniert werden, dass die Freisetzung von Silber-Ionen im lebenden
Gewebe kontrolliert erfolgt und eine Konzentration erreicht wird,
die ausreichend hoch ist, eine antimikrobielle Wirkung für
beispielsweise mindestens 10 Tage zu erreichen; die außerdem
niedrig genug ist, um auf das umliegende Gewebe nicht cytotoxisch
zu wirken. Typische Werte für die Silber-Ionen Freisetzung
nach 24 h in gepufferter Ringerlösung liegen zwischen 0.5
ppb und 50 ppb, je nach Vorbehandlung der Oberfläche.
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Die
einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch
untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte
Wirkungen einstellen können, die über die Summe
der Einzelwirkungen hinausgehen.
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Diese
und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die Bezugnahme
auf die hiernach beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen
erläutert und verdeutlicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Beispielhafte
Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezugnahme auf
die folgenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Schichtstruktur nach einem Typ II Anodisieren.
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2 zeigt
eine Schichtstruktur nach einem Typ III Anodisieren.
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3 zeigt
eine Schichtstruktur mit eingebettetem Silber nach einem Typ II
Anodisieren.
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4 zeigt
eine Schichtstruktur mit eingebettetem Silber nach einem Typ III
Anodisieren.
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5 bis 10 zeigen
Oberflächenstrukturen die durch Verfahren gemäß beispielhaften
Ausführungsformen der Erfindung herstellbar sind.
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11 bis 13 schematische
Abläufe von Verfahren gemäß beispielhaften
Ausführungsformen der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
beispielhafter Ausführungsformen
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Die
anti-mikrobielle Wirkung von Silberionen oder -salzen kann beispielsweise
durch stabile Silbernanopartikel erreicht werden. Dadurch kann eine anti-mikrobielle
Aktivität von Silbernanopartikeln erreicht werden, die
das Wachstum bei verschiedenen Bakterien hemmt. Dazu können
Silbernanopartikel verschiedener Konzentrationen eingesetzt werden. Als
ein Ergebnis können verschiedene Bakterien schon bei niedrigen
Konzentrationen von Silbernanopartikeln unterdrückt werden.
Verantwortlich dafür ist der Effekt einer Erzeugung freier
Radikale bei Silbernanopartikeln für eine mikrobielle Wachstumshemmung.
Silbernanopartikel können als effektive Wachstumshemmer
für verschiedenen Mikroorganismen verwendet werden können,
wodurch sie für verschiedene medizinische Geräte
und antimikrobielle Steuerungssysteme Eingesetzt werden können.
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Für
die Medizintechnik relevante Verfahren der Anodisierung von Titan
sind eine Anodisierung vom Typ II und III. Ziel dabei ist, die an
sich ungeeigneten natürlichen Oxidschichten (z. B. Rutil)
so zu stabilisieren, dass ein minimaler Ti-Abrieb im Kontakt mit
Weich- oder Hartgewebe entsteht. Durch Typ II wird ferner die Ermüdungsfestigkeit
um ca. 15–30% erhöht.
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Beim
Anodisieren Typ II wird ein basisches Elektrolyt verwendet. Der
erste Schritt eines Anodisierung vom Typ II ist eine elektrolytische
Behandlung in einem basischen Bad. Eine Spannung wird zwischen dem
Material und dem Bad angelegt. Dieses bewirkt, dass das Oberflächenmaterial
Punkt für Punkt über die gesamte Oberfläche 11 geschmolzen wird.
Diese Prozedur entfernt die ursprüngliche Oxidschicht und
bewirkt eine Sauerstoff- und Siliziumdiffusion 12 bis zu
einer Tiefe d1 in das Material 10. Diese Tiefe kann beispielsweise
5 bis 10 Mikrometer betragen. Das Material 10 kann Titan
oder eine Titanlegierung sein. Es kann ebenfalls eine Oxidierung
des Titans als TiOx 13 erfolgen.
Zusätzlich wird eine neue poröse Oxidschicht auf
der Oberfläche 11 aufgewachsen. In einem zweiten
Schritt wird diese poröse Oxidschicht durch ein Bestrahlen
mit Glaskügelchen entfernt. Die resultierende Oberflächenstruktur
ist in 2 gezeigt.
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Der
diffundierte Sauerstoff bildet teilweise Oxide 13, die
eine sehr große Härte aufweisen. Sauerstoff 12 und
Oxide 13 werden interstitiell bzw. zwischenraumbildend
in das Material eingebettet, wobei sie einen integralen Teil des
Materials 10 bilden. Der Bereich einer Diffusion wird Konversionsschicht
d1 genannt.
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Beim
Typ III wird ein saurer Elektrolyt verwendet. In einem ersten Schritt
wird die ursprüngliche Oxidschicht in einem Säurebad
entfernt. In einem zweiten Schritt folgt der elektrolytische Prozess. Wiederum
in einem Säurebad wird eine Spannung zwischen dem Material
und dem Bad angelegt. Die Spannung wird zum Steuern der Dicke d2
einer neuen Titandioxid 13 TiO2-Oxidschicht
auf der Oberfläche 11 verwendet. Diese Dicke d2
kann beispielsweise 0,02 bis 0,2 Mikrometer betragen. Die Teile
werden hiernach nicht mit Glaskügelchen bestrahlt, da dies
die Oxidschicht einer definierten Dicke d2 zerstören würde.
Die resultierende Oberflächenstruktur ist in 2 gezeigt.
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Die
Oberfläche 14 vom anodisierten Typ III zeigt eine ähnliche
Struktur wie eine nichtanodisierte Oberfläche. Der Hauptunterschied
ist die Dicke der Oxidschicht d2, die um mehr als eine Größenordnung kleiner
als die Dicke d1 ist. Die Transparenz und definierte Dicke d2 einer
Schicht ermöglicht eine Colorisierung der Oberfläche.
Die Farbe wird durch eine Lichtinterferenz zerzeugt, die von einfallendem äußeren Licht 21, 23 herrührt,
dass die teilweise von der Oberflächenschicht 14 reflektiert
wird 22, und teilweise von der Materialoberfläche 11 reflektiert
wird 24. Dabei Die Farbe hängt von der Schichtdicke
ab, die durch den Anodisierungsprozess gesteuert werden kann.
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Beim
Abscheiden von Silber aus der übersättigten Lösung
wird eine wässrige Lösung von beispielsweise 1 × 10exp–3
M Silbernitrat im Mengenverhältnis ca. 1:3. mit einer wässrigen
Lösung von 2 × 10exp–3 M Natrium-Borhydrid
als Reduzierungsmittel vermischt. Beim Mischen beider Lösungen werden
die Ag-Ionen reduziert und als Nanopartikel in der Lösung
ausgefällt und durch Rühren stabilisiert. Die
3.3 nM-Lösung kann anschließend auf die gewünschte
Konzentration verdünnt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird dem Elektrolyten beim
Anodisieren eine Lösung eines Silbersalzes und eines Reduzierungsmittels
zugesetzt. Beim Mischen der Lösung mit dem Elektrolyten
können nun die Ag-Ionen reduziert werden und noch vor dem
Ausfällen als Nanopartikel in die Probenoberfläche
bzw. die Oxidschicht eingebaut werden. Die Reduzierung kann durch
jedes beliebige geeignete Mittel erfolgen.
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Das
Ergebnis ist in 3 und 4 zu sehen.
Diese beiden Abbildungen entsprechen im Wesentlichen den 1 und 2,
jedoch mit dem Unterschied, dass in der in 3 und 4 gezeigten Struktur
eine Einbettung von Silber 19 erfolgt ist. Durch die Präsenz
von reduziertem Silber in dem Elektrolyt dringt Silber 19 bis
zu einer Tiefe von ungefähr d1 bei der Anodisierung vom
Typ II ein (4). Ferner scheidet sich Silber 19 zusammen
mit dem Titandioxid 13 ab und führt zu einer Schichtdicke
von d2 (3) auf dem ansonsten im Wesentlichen
unveränderten Grundmaterial 10.
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Insbesondere
können gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dem Elektrolyten beim Anodisieren vom Typ II/III eine
Lösung von 1 × 10exp–3 M Silbernitrat
und von 2 × 10exp–3 M Natrium-Borhydrid zugesetzt
werden. Beim Mischen beider Lösungen mit dem Elektrolyten
können hier wiederum nun die Ag-Ionen reduziert werden
und noch vor dem Ausfällen als Nanopartikel 19 in
die Probenoberfläche 11 (2, 4)
bzw. die Oxidschicht (1, 3) eingebaut
werden. Die Reduzierung erfolgt hier durch das ebenfalls im Elektrolyten
gelöste Reduzierungsmittel Natrium-Borhydrid.
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Es
sei angemerkt, dass anstelle von Silbernitrat auch andere geeignete
Silbersalze eingesetzt werden können. Die benötigten
Silberionen können auch intrinsisch hergestellt werden.
Ferner ist der Einsatz nicht auf die Verwendung von Natrium-Borhydrid
beschränkt. Es können anstelle dessen auch andere
geeignete Reduzierungsmittel verwendet werden. Alternativ können
auch geeignete, als Katalysator wirkende Mittel eingesetzt werden,
um ein Ausfällen bzw. Abscheiden von Silber zu erreichen.
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Alternativ
kann eine Ausrüstung einer Titan- oder Titanlegierungsoberfläche
mit Silber auch über eine Ag-Ionenimplantation oder eine
PVD-Beschichtung erfolgen.
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Eine
Ag-Ionenimplantation wird in einer Vakuumkammer bei niedrigen Drücken
von 10exp–4 mbar durchgeführt. Die Metall-Ionen
werden nach Erzeugung auf die Titanoberfläche beschleunigt
und dringen in diese bis in ein bis zwei Mikrometer Tiefe ein.
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Dieser
Prozess wird nun abwechselnd mit Ag- und mit Ti-Atomen durchgeführt,
um nicht nur eine Ag-Implantation, sondern eine Ag-Ti-Deckschicht
auf das Grundmaterial aufzubringen.
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Der
Begriff physikalische Gasphasenabscheidung (englisch Physical Vapour
Deposition, kurz PVD) bezeichnet eine Gruppe von vakuumbasierten
Beschichtungsverfahren bzw. Dünnschichttechnologien, bei
denen die Schicht direkt durch Kondensation eines Materialdampfes
des Ausgangsmaterials gebildet wird. Das abzuscheidende Material liegt
in der Regel in fester Form in der meist evakuierten Beschichtungskammer
vor. Durch den Beschuss mit Laserstrahlen, magnetisch abgelenkten
Ionen oder Elektronen sowie durch Lichtbogenentladung wird das Material,
das als Target bezeichnet wird, verdampft. Wie hoch der Anteil an
Atomen, Ionen oder größeren Cluster im Dampf ist,
ist von Verfahren zu Verfahren unterschiedlich. Das verdampfte Material
bewegt sich entweder ballistisch oder durch elektrische Felder geführt
durch die Kammer und trifft dabei auf die zu beschichtenden Teile,
wo es zur Schichtbildung kommt. Damit die Dampfteilchen die Bauteile
auch erreichen und nicht durch Streuung an den Gasteilchen verloren
gehen, muss im Unterdruck gearbeitet werden. Typische Arbeitsdrucke
liegen im Bereich von 10–4 Pa bis ca. 10 Pa. Da sich die Dampfteilchen
geradlinig ausbreiten, werden Flächen, die vom Ort der
Dampfquelle aus gesehen nicht sichtbar sind, mit einer geringeren
Beschichtungsrate beschichtet. Sollen alle Flächen möglichst homogen
beschichtet werden, müssen die Teile während der
Beschichtung in geeigneter Weise bewegt werden. Dies geschieht meist
durch Rotation des Substrats. Treffen die Dampfteilchen nun auf
das Substrat, beginnen sie sich durch Kondensation an der Oberfläche
abzulagern. Die Teilchen bleiben dabei nicht an Ort und Stelle,
an der sie auf das Substrat treffen, sondern bewegen sich, je nachdem
wie hoch ihre Energie ist, an der Oberfläche entlang (Oberflächendiffusion),
um einen energetisch günstigeren Platz zu finden. Dies
sind Stellen an der Kristalloberfläche mit möglichst
vielen Nachbarn (höhere Bindungsenergie).
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Ein
Prozess einer PVD-Beschichtung kann in handelsüblichen
PVD-Systemen durchgeführt werden. Dabei wird eine PVD-Deckschicht
von beispielsweise ca. 2 Mikrometern bestehend aus Ti- und Ag-Atomen
gleichzeitig auf das Ti- Grundmaterial aufgebracht. Für
diese PVD-Beschichtung auf Titan kann beispielsweise die Beschichtung
mit beispielsweise einer Dicke von ungefähr zwei Mikrometern
auf der Titanoberfläche durch gleichzeitige Verdampfung von
zwei Materialien, beispielsweise Titan und Silber, in einer Inert-Argon-Atmosphäre
vorgenommen werden. Dabei können dann zeitgleich zwei Precursor eingesetzt
werden. Dabei können Silbergehalte von 0–100%
in der Deckschicht realisiert werden.
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Eine
Ionen-Implantation ist eine Möglichkeit zum Modifizieren
von Oberflächeneigenschaften von Materialien. Es ist ähnlich
einem Beschichtungsprozess, jedoch bewirkt es keinen Aufbau einer
Schicht auf die Oberfläche. Ursprünglich entwickelt
für die Verwendung in Halbleiteranwendungen, verwendet eine
Ionenimplantation einen hochenergetischen Ionenstrahl z. B. positiv
geladener Atome zum Modifizieren einer Oberflächenstruktur
und einer Oberflächenchemie von Materialien bei niedrigen
Temperaturen. Dabei bewirkt der Prozess jedoch keine nachteiligen
Effekte bei der Komponentendimensionierung oder bei Materialeigenschaften.
Viele Oberflächeneigenschaften können durch eine
Ionenimplantation verbessert werden, einschließlich der
Härte oder Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb bzw.
chemische Belastung bzw. des Reibkoeffizienten. Der Prozess kann
auf beinahe jedes Material einschließlich die meisten Metalle
angewendet werden, ebenso wie auf Keramiken und Polymere. Jedoch
sind die Effekte des Prozesses typischerweise materialspezifisch. Insbesondere
können mit Ionenimplantation behandelten Komponenten Prothesen
oder Implantate aus Titan sein, die mit dem Prozess der Ionenimplantation
härter und tragfähiger gemacht werden können. Der
Prozess einer Ionenimplantation wird in einer Vakuumkammer bei sehr
niedrigen Drücken ausgeführt, wobei eine große
Anzahl von Ionen die Oberfläche bombardieren und in die
Oberfläche eindringen, wobei diese dann mit den Atomen
des Substrates unmittelbar unter der Oberfläche interagieren.
Typische Tiefen einer Ioneneindringung ist der Bruchteil eines Mikrometers.
Die Interaktionen der energetischen Ionen mit dem Material modifizieren
die Oberfläche und statten sie mit signifikant anderen
Eigenschaften aus als das Ursprungsmaterial. Spezifische Eigenschaftsveränderungen
hängen von der Auswahl der Behandlungsparameter der Ionenbestrahlung
ab, beispielsweise von der Ionenspezies, der Energie, sowie der
gesamten Anzahl der auf die Oberfläche aufgebrachten Ionen.
Eine Ionenimplantation bietet zahlreiche Vorteile zum Behandeln
von Oberflächen, wobei ein großer Vorteil in der
Möglichkeit einer selektiven Modifizierung der Oberfläche
ohne nachteilige Auswirkung auf die Materialeigenschaften zu haben,
da der Prozess bei niedrigen Substrattemperaturen durchgeführt
wird. Der Prozess ist ferner leicht kontrollierbar und reproduzierbar
und kann auf die Modifizierung verschiedener Oberflächen
auf gewünschte Weise maßgeschneidert werden.
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren können
die Vorteile der Anodisierung mit denen der Silberdotierung/-legierung
derart kombiniert werden, dass die Freisetzung von Ag-Ionen im lebenden
Gewebe kontrolliert erfolgt und eine Konzentration erreicht werden
kann, die ausreichend hoch ist, eine antimikrobielle Wirkung für
beispielsweise mindestens 10 Tage zu erreichen, jedoch andererseits
niedrig genug sein kann, um auf das umliegende Gewebe nicht cytotoxisch
zu wirken. Typische Werte für die Ag-Ionen Freisetzung
nach 24 h in gepufferter Ringerlösung liegen zwischen 0.5
ppb und 50 ppb, je nach Vorbehandlung der Oberfläche.
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Durch
eine Ag-Ionenimplantation oder durch eine PVD-Beschichtung erzeugte
Ti-Ag-Systeme können durch ein Anodisieren vom TypII oder
Typ III in geeigneter Weise nachbehandelt werden. Dies kann optional
geschehen.
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5 zeigt
ein mit einem PVD Prozess mit einer Schichtdicke d4 beschichtetes
Material 10, wobei hier eine Beschichtung aus Ti 18 und
Ag 19 aufgebracht wurde. Die Schichtdicke kann in der Größenordnung
von etwa einigen Mikrometern, etwa zwei Mikrometer erfolgen. Jedoch
kann auch eine Beschichtung nur aus Ag 19 aufgebracht werden. 6 zeigt
das in 5 gezeigte Material 10, nach einer anschließenden
Anodisierung vom Typ II, analog der 2. 7 zeigt
das in 5 gezeigt Material 10 nach einer Anodisierung
vom Typ III, analog der 1. Die Dicken der Schichten
oder Tiefen d1 und d2 sind analog der 2 und 1.
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8 zeigt
ein mit einer Ag Implantierung bis zu einer Eindringtiefe von d3
behandeltes Material 10. Die Eindringtiefe kann in der
Größenordnung von etwa einigen Mikrometern, etwa
einem Mikrometer erfolgen. Jedoch kann auch eine Beschichtung nur aus
Ag 19 aufgebracht werden. 9 zeigt
das in 8 gezeigte Material 10, nach einer anschließenden
Anodisierung vom Typ II, analog der 2. 10 zeigt
das in 8 gezeigt Material 10 nach einer Anodisierung
vom Typ III, analog der 1. Die Dicken der Schichten
oder Tiefen d1 und d2 sind analog der 2 und 1.
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11 zeigt
den schematischen Ablauf eines Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. In Schritt S1a wird eine
Anodisierung vom Typ II wie oben beschrieben vorgenommen. Dabei wird
im Schritt S4 eine Mischung des Elektrolyts mit einem Silbersalz
bzw. Äquivalent vorgenommen, um einen Prozess auszuführen,
der in Schritt S5 wie oben beschrieben zu einem Aufbau der Oberflächenstruktur
gemäß 4 führt.
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12 zeigt
den schematischen Ablauf eines Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. In Schritt S1b wird eine
Anodisierung vom Typ III wie oben beschrieben vorgenommen. Dabei wird
im Schritt S4 eine Mischung des Elektrolyts mit einem Silbersalz
bzw. Äquivalent vorgenommen, um einen Prozess auszuführen,
der in Schritt S5 wie oben beschrieben zu einem Aufbau der Oberflächenstruktur
gemäß 3 führt.
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13 zeigt
ein Konvolut von möglichen schematischen Abläufen
eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. In Schritt S2 wird eine Ag-Implantierung wie oben
beschrieben vorgenommen. Im Schritt S3 wird ein PVD Prozess wie oben
beschrieben vorgenommen. Anschließend an den Schritt S2
bzw. den Schritt S3 wird in Schritt S1a wird eine Anodisierung vom
Typ II wie oben beschrieben vorgenommen, bzw. in Schritt S1b wird
eine Anodisierung vom Typ III wie oben beschrieben vorgenommen,
was jeweils in Schritt S5 zu einer Beschichtung führt.
In der Abfolge der Schritte S2, S1a, S5 führt das wie oben
beschrieben zu einem Aufbau der Oberflächenstruktur gemäß 9.
In der Abfolge der Schritte S2, S1b, S5 führt das wie oben
beschrieben zu einem Aufbau der Oberflächenstruktur gemäß 10.
In der Abfolge der Schritte S3, S1a, S5 führt das wie oben
beschrieben zu einem Aufbau der Oberflächenstruktur gemäß 6.
In der Abfolge der Schritte S3, S1b, S5 führt das wie oben
beschrieben zu einem Aufbau der Oberflächenstruktur gemäß 7.
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Es
sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen" weitere Elemente
oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der
Begriff „ein" und „eine" mehrere Elemente und
Schritte nicht ausschließt.
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Die
verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung
der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend
betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die
Ansprüche wiedergegeben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Antimicrobial
titanium/silver PVD coatings on titanium" von Andrea Ewald et. Al.,
veröffentlicht am 24. März 2006 in BioMedical
Engineering OnLine2006, 5:22 doi:10.1186/1475-925X-5-22 [0003]