DE102018129604B3

DE102018129604B3 - Biodegradierbares Implantat, das ein beschichtetes Magnesiumlegierungsprodukt umfasst

Info

Publication number: DE102018129604B3
Application number: DE102018129604.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Kopp
Original assignee: Meotec GmbH
Current assignee: Meotec De GmbH
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-11-24
Also published as: US20220016315A1; EP3883616A1; WO2020104653A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein biodegradierbares Implantat, das ein oberflächenbeschichtetes Magnesiumlegierungsprodukt umfasst, wobei die Beschichtungsschicht Oxide und/oder Phosphate von Seltenerdelementen, Mg, Ca, Zn, Zr, Mn oder Ag enthält, wobei die Beschichtung vorzugsweise durch Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) erzeugt wird. Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Magnesiumlegierungsprodukts des Implantats.

Description

Bereich der Erfindung:
Die Erfindung betrifft ein biologisch abbaubares Implantat, das ein Oberflächenbeschichtetes Magnesiumlegierungsprodukt umfasst. Die Erfindung enthält ferner ein Verfahren zur Herstellung des Magnesiumlegierungsprodukts.
Hintergrund der Erfindung:
Magnesium (Mg) ist das vierthäufigste Kation im menschlichen Körper, mit einem geschätzten Wert von 1 mol Magnesium im Körper eines durchschnittlichen Erwachsenen von 70 kg, wobei ungefähr die Hälfte des gesamten physiologischen Magnesiums im Knochengewebe gespeichert ist. Das Vorhandensein von Magnesium im Knochensystem wirkt sich positiv auf die Knochenstärke und das Knochenwachstum aus. Magnesiumlegierungen weisen eine spezifische Dichte (1,74 - 2 g/cm³) und ein Young'sches Modul (41-45 GPa) auf, die denen des menschlichen Knochens (1,8 - 2,1 g/cm³, 3 - 20 GPa) am nächsten kommt.
Daher sind Magnesiumlegierungen bei orthopädischen und Knochenreparatur- oder - ersatzanwendungen anderen Metall- oder Polymerimplantaten in Bezug auf physikalische und mechanische Eigenschaften besonders überlegen, da die Ungleichheit des Young'schen Moduls zwischen Implantat und natürlichem Knochen zu spannungsabschirmenden Effekten führen kann. Dies wiederum führt zu einer Spannungskonzentration an der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat, wodurch die Stimulation von neuem Knochenwachstum reduziert und die Implantatstabilität gesenkt wird.
Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung von Magnesium und seinen Legierungen als Implantatmaterial, beispielweise zur Herstellung von chirurgischen Implantaten, ist ihre Fähigkeit, sich in situ biologisch abzubauen. Das bedeutet wiederum, dass das Implantat nicht im Körper verbleibt. Eine weitere Operation zur Entfernung des Implantats ist nicht erforderlich und die mit einer längeren Implantatsinkorporation verbundenen Risiken, wie mangelnde Compliance des Patienten, Allergien, Entzündungen, Mikrogleiten, Partikelabrieb, Infektionen, Arthrose oder Osteopenie aufgrund von Stressabschirmung werden stark reduziert oder beseitigt.
Der in vivo-Abbau (auch bezeichnet als Biodegradation) von Magnesium und seinen Legierungen ist mit der Erzeugung von Wasserstoff verbunden, der infolgedessen auch Gasblasen im Gewebe bilden kann. Ohne auf eine Theorie beschränkt zu sein, wird angenommen, dass dieses Problem in vivo durch einen schnellen anfänglichen Abbauprozess des Magnesiumimplantats verursacht wird. Die Degradationsrate der Magnesiumlegierung scheint zu schnell zu sein, was sich insbesondere unmittelbar bei Degradationsbeginn direkt nach der Implantation zeigt. Dies führt zur Bildung von Gasblasen oder Gastaschen, die das umgebende Gewebe schädigen könnten. Dies ist ein großer Nachteil von Magnesium und behindert die breite Anwendung von Magnesiumbasierten Implantaten.
Obwohl Mg und seine Legierungen seit fast zwei Jahrhunderten als Implantate untersucht werden, sind kommerzielle Implantate, die Mg und seine Legierungen enthalten und ein günstiges Abbauverhalten aufweisen, immer noch nicht verfügbar. Hierbei treiben die Vorteile und offensichtlichen Benefits von biologisch abbaubaren Metallimplantaten die Forschung nach verbesserten Mg-Legierungsmaterialien und der Entwicklung von daraus abgeleiteten Implantationsvorrichtungen voran.
Die Konstruktion optimierter Implantate für Gewebe wird jedoch durch die Tatsache behindert, dass Mg ein spezielles Leichtmetall ist, das spezifisches Wissen, sorgfältige professionelle Handhabung und erfahrungsbasiertes Design erfordert, um ein erfolgreiches Biomaterial zu sein.
Zusammenfassend sollte ein gebrauchsfertiges Implantat verschiedene komplexe Anforderungen erfüllen. Es sollte zum Zeitpunkt der Implantation zunächst eine ausreichende Stützstruktur darstellen, ist aber idealerweise biologisch abbaubar, sodass die abnehmenden Implantatstrukturen durch die endogenen regenerierenden Gewebe-/ Knochenstrukturen ersetzt werden. Zweitens sollten die Materialien und die daraus aufgebauten Strukturen ein gutes Substrat für die Besiedlung, Proliferation und/oder Differenzierung der biologischen Zellen ermöglichen. Drittens sollten die Materialien nicht toxisch und nicht immunogen sein. Viertens sollte das Implantat in verschiedenen pathologischen Situationen einsetzbar sein, um die Regeneration verschiedener Gewebe zu ermöglichen. Die Implantate des Standes der Technik erfüllen diese Bedürfnisse nur teilweise und zeigen in einer oder mehreren der Anforderungen ihre Nachteile.
Gnedenkov et al. (Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2013, 49,7, S. 874-879) beschreiben ein Verfahren zum Beschichten einer Magnesiumlegierung und lehrt eine Beschichtung, die zwei Substanzen enthält, nämlich Magnesiumoxid und die komplexe Calciumphosphatverbindung Hydroxylapatit.
Die DE 10 2016 007 176 A1 betrifft ein resorbierbares Implantat mit hoher Reinheit und lehrt eine Randzone, die eine Kalziumphosphatschicht und eine Oxidschicht aufweist und damit lediglich zwei Beschichtungssubstanzen lehrt. Es gibt in der DE 10 2016 007 176 A1 keine Offenbarung zur Art des Oxides.
Die EP 2 545 945 A2 betrifft ein betrifft ein Implantat, ein Bauteilset und ein Verfahren zur Herstellung derselben und lehrt für das beschichtete Implantat eine Randzone, die eine Kalziumphosphatschicht und eine Oxidschicht aufweist und damit lediglich zwei Beschichtungssubstanzen lehrt. Auch wird die Art des Oxides nicht offenbart.
Daher besteht auch weiterhin Bedarf an einem verbesserten Implantat auf Magnesiumbasis. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein biodegradierbares Magnesium-basiertes Implantat bereitzustellen, das mindestens einen der oben genannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird durch die Bereitstellung eines biologisch abbaubaren Implantats gemäß Anspruch 1 gelöst. Spezifischen Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer unabhängiger Ansprüche.
Zusammenfassung der Erfindung:
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein biodegradierbares Implantat, das ein Magnesiumlegierungsprodukt umfasst, welches auf seiner Oberfläche mit einer Beschichtung beschichtet ist, die mindestens drei der folgenden Substanzen umfasst

• ein Metalloxid eines Metalls ausgewählt aus seltenen Elementen, Ca, Zn, Zr, Mn oder Ag und/oder
• ein Metallphosphat eines Metalls ausgewählt aus seltenen Elementen, Ca, Zn, Zr, Mn oder Ag.

Das Implantat der vorgestellten Erfindung weist mehrere Vorteile gegenüber anderen Implantatprodukten aus dem Stand der Technik auf.
Die Beschichtung der Erfindung stellt neben der wohlbekannten Variation der Magnesiumlegierungszusammensetzung eine weitere Dimension der Magnesiumproduktmodifikation dar.
Es fügt somit eine weitere Variable bei der Herstellung von Magnesiumlegierungsimplantaten und kann mit den etablierten Mg-Legierungen kombiniert werden.
Die beschichteten Magnesiumlegierungen sind beide nicht-toxisch und nicht-immunogen und weisen daher ein ausreichendes Sicherheitsprofil auf.
Insbesondere erfordert die Magnesiumlegierung nicht die Verwendung von Aluminium, welches eines der häufigsten Legierungskomponenten von Magnesiumlegierungen (siehe z.B. AZ31/AZ91) ist. Aluminium ist ein neurotoxisches Metall und möglicherweise der am meisten erschwerende und vermeidbare Faktor im Zusammenhang mit Alzheimer.
Aufgrund ihrer gemischten Metallphosphat/-oxid-Beschichtung zeigen sie in ihrer in vivo-Degradationsrate, die im klinisch relevanten Bereich liegt, z. B. einerseits schnell genug, um durch nachwachsendes Gewebe/nachwachsenden Knochen ersetzt zu werden und auf der anderen Seite nicht zu schnell, um Wasserstoffgasen oder -taschen zu verursachen.
Darüber hinaus zeigte die beschichtete Magnesiumlegierung der Erfindung eine Degradationsrate mit einer geringeren Standardabweichung, die daher eine bessere Vorhersagbarkeit aufweist. Dies ermöglicht kürzere Entwicklungszyklen und reduziert die Testung im Tiermodell.
Darüber hinaus erhöht die Oberflächenbeschichtung die Oberflächenhärte des Materials und ermöglicht die Anwendung für Implantatstrukturen, die erheblichen mechanischen Belastungen, wie Schrauben, Platten, Keile, Stifte, Anker oder Nägel, standhalten müssen.
Während der Degradation reagiert Mg mit Wasser unter der Bildung der starken Base Magnesiumhydroxid. Die Erfinder konnten zudem zeigen, dass die beschichteten Magnesiumlegierungsprodukte dieser Erfindung während der in vivo Degradation lediglich einen moderaten Anstieg des pH-Wertes, der deutlich im physiologischen Bereich von 7 bis 8 lag, aufweist.
Ein weiterer Vorteil von Magnesium als Implantatmaterial ist die Tatsache, dass Magnesium ein natürlicher Bestandteil des Körpers ist und darüber hinaus viele wichtige Funktionen im Körper erfüllt. Hierdurch führt die Biodegradation zur Bildung von Mg²⁺-Kationen, die für verschiedene Zelltypen, insbesondere aber Nervenzellen, von Vorteil sind.
Wie die Erfinder herausfanden, kann die beschichtete Mg-Legierung durch Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) hergestellt werden, welches ein Verfahren ist, das auch im industriellen Maßstab durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht das PEO-Beschichtungsverfahren die Beschichtung von empfindlichen Strukturen mit komplexer Innengeometrie.
Da das Implantatprodukt dieser Erfindung auf bekannten Magnesiumlegierungen basieren kann, kann dieses einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
Gemäß der Erfindung umfasst die Beschichtung mindestens drei der beiden aufgeführten Substanzklassen, ausgewählt aus einer ersten Substanzklasse der Phosphate und einer zweiten Substanzklasse der Oxide. Dementsprechend umfasst die Beschichtung drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder sogar mehr der aufgelisteten Substanzen.
In einer Ausführungsform der Erfindung bildet das Metalloxid oder das Metallphosphat eine kristalline Domäne innerhalb der Beschichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung eine Schicht mit einem Kristallgehalt von mehr als 10 %, vorzugsweise mit einem Kristallgehalt von mehr als 20 %, besonders bevorzugt mit einem Kristallgehalt von mehr als 30 % und insbesondere mit einem Kristallgehalt von mehr als 50 %.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung bildet das Metalloxid oder das Metallphosphat eine amorphe Domäne innerhalb der Beschichtungsschicht. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Beschichtungsschicht einer amorphen Schicht. Hierbei wird der Begriff „amorphe Schicht“ als Schicht mit einem Kristallgehalt von weniger als 5 %, bevorzugt mit einem Kristallgehalt weniger als 2 %, besonders bevorzugt mit einem Kristallgehalt von weniger als 1 % und insbesondere mit einem Kristallgehalt von weniger als 0,5 % definiert.
In einer Ausführungsform hat die Beschichtungsschicht eine Dicke zwischen 2 bis 50 µm, bevorzugt 5 bis 35 µm, besonders bevorzugt zwischen 8 und 24 µm und insbesondere zwischen 12 bis 18 µm.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Beschichtungsschicht Metallfluoride, deren Konzentration von der oberen Oberfläche der Beschichtung bis zur unteren legierungsproduktorientierten Oberfläche der Beschichtung zunimmt, wobei vorzugsweise eine deutliche mit Metallfluorid angereicherte Zone an der Unterseite der Beschichtungsschicht gebildet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtungsschicht zwei mit Fluorid angereicherte Zonen auf, die sich an der unteren Oberfläche der Oxidunterschicht und der oberen Oberfläche der Oxidunterschicht befinden. Die Oxidunterschicht bildet die untere Schicht der Beschichtung, die auf der Legierungsoberfläche ist.
Die Oberseite der Beschichtung weist eine mittlere Vickers-Härte von 150 bis 800, bevorzugt von 200 bis 600 und besonders bevorzugt von 250 bis 400, gemessen nach DIN EN ISO 6507-1/4:2018, auf.
Die Beschichtung umfasst mindestens zwei Unterschichten, die eine untere Sperrschicht, die sich in Richtung des Legierungsprodukts befindet, und eine poröse obere Schicht sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Seltenerdelemente als Metallanteil der Oxide/Phosphate der beschichteten Schicht ausgewählt aus der Liste bestehend aus Yttrium (Y), Scandium (Sc), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu) einschließlich jeglicher Kombination hiervon, Bestandteil der Oxide/Phosphate der Beschichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung durch plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) erzeugt.
In einer anderen Ausführungsform ist die Beschichtung des Magnesiumlegierungsprodukts eine poröse Schicht, die vorzugsweise eine Porosität von 2 bis 50 %, bevorzugter von 3 bis 25 % und insbesondere bevorzugt von 4 bis 12 % aufweist. Die Poren ermöglichen es der Körperflüssigkeit die Magnesiumlegierung als inneres Produktmaterial zu erreichen, welches dann unter der Bildung von Magnesiumhydroxid und Wasserstoff zu degradieren beginnt. Darüber hinaus ermöglichen die Poren das Einwachsen von benachbartem Gewebe, wodurch das Implantat besser eingeschlossen werden kann.
In einer Ausführungsform ist die Beschichtung mit einem Kanalnetzwerk versehen, das der Schicht eine Porosität verleiht. Vorzugsweise ist das Kanalnetz mit Öffnungen ausgebildet, die der Oberfläche der Beschichtungsschicht zugewandt sind und deren jeweilige Oberflächenquerschnittsdurchmesser kleiner als die jeweilige Kanaltiefe sind. Die Kanäle des Kanalnetzwerks können sich in Richtung der Tiefe der Beschichtung oder in radialer Richtung erstrecken. Die Kanaläste oder Kanalteile können gerade und/oder gekrümmt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kanalnetzwerk zusammenhängende Kanalzweige, die sich im Querschnitt gesehen zumindest über den größten Teil der Schicht erstrecken.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kanäle des Netzwerks hauptsächlich miteinander verbunden.
In einer komplementären Ausführungsform sind die Kanäle des Netzwerks hauptsächlich nicht miteinander verbunden.
Das Kanalnetz bietet im Allgemeinen ein gutes Substrat für das Einwachsen von Zellen und Geweben. Dieses Einwachsen könnte weiter verstärkt werden, indem das Kanalnetzwerk mit bioaktiven Verbindungen wie Substanzen, die das Knochenwachstum initiieren oder stimulieren, vorgefüllt wird.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Beschichtung kein Kanalnetz auf.
Vorzugsweise haben die Poren an der oberen Oberfläche der Beschichtung eine mittlere Porengröße zwischen 0,1 µm² bis 10 µm², vorzugsweise von 2 µm² bis 8 µm² und besonders bevorzugt von 4 µm² bis 6 µm².
In einer Ausführungsform ist die Magnesiumlegierung des Produkts eine Mg-Y-RE-Zr-Legierung und vorzugsweise eine Mg-Y-Nd-Zr-Legierung, die auch als WE43-Legierung bekannt ist. Insbesondere die Seltenerdelemente (RE) Dy, Y, Nd und Gd weisen eine geringe Toxizität auf und sind vorteilhaft, um die mechanischen und Korrosionseigenschaften zu verbessern. Aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften, z.B. der relativ langsame Abbau in wässrigen Lösungen und die guten elektrochemischen Eigenschaften bei gleichzeitig hervorragenden mechanischen Eigenschaften machen die WE43-Legierung zur bevorzugten Mg-Legierung.
In einer Ausführungsform ist die Magnesiumlegierung eine Mg-Y-Nd-Legierung mit oder ohne Zusatz von Zr. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Magnesiumlegierung hierbei einen Yttriumgehalt zwischen 3 und 5 Gew.-% und einen Nd-Gehalt zwischen 2 und 4 Gew.-% auf.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Mg-Legierung Calcium und Zink, bevorzugt Mg-Ca-Zn oder Mg-Zn-Ca mit oder ohne Zusatz von Zr, besonders bevorzugt mit Ca- und Zn-Gehalten jeweils unter 1 Gew.-%.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Beschichtungsschicht des oberflächenbeschichteten Magnesiumlegierungsprodukts eine Beschichtung, die im Wesentlichen aus den Elementen Magnesium, Sauerstoff und Phosphor besteht, die sich auf eine gemischte Mg-Oxid/Mg-Phosphatschicht beziehen.
In einer Ausführungsform hat das beschichtete Magnesiumlegierungsprodukt der Erfindung eine Wasserstoffgasentwicklungsrate von weniger als 1,0 ml/cm², bevorzugt von weniger als 0,6 ml/cm², bevorzugter von weniger als 0,2 ml/cm² und noch bevorzugter von weniger als 0,1 ml/cm², gemessen durch kontinuierliche volumetrische Messung des erzeugten Wasserstoffgases nach 100-stündiger Inkubation in Minimum Essential Medium (MEM) bei 37 °C unter nicht turbulentem Rühren. Aufgrund dieser Verringerung der Wasserstofferzeugung im Vergleich zu Mg-Implantaten des Standes der Technik besitzt das erfindungsgemäße Implantat eine verbesserte Gewebeverträglichkeit und Sicherheit, da die Erzeugung von Gasblasen oder -taschen stark vermindert ist.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtungsschicht auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungsprodukts durch Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO).
Die Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO), auch bekannt als Micro Are Oxidation (MAO), ist ein vielversprechendes neues Verfahren, das die Fähigkeit besitzt, eine stabile und anhaftende Oxidschicht auf Metallen wie Mg herzustellen. Dieser Prozess basiert auf der anodischen Oxidation des Metalls bei Anschluss an die Hochspannungsquelle, die in einen geeigneten Elektrolyten eingetaucht wurde.
Die Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist eine Technik, die zur Herstellung einer harten, verschleiß- und korrosionsbeständigen Beschichtung von Ventilmetallen wie Aluminium, Titan, Magnesium und deren Legierungen verwendet wird. Das PEO-Verfahren wurde aus herkömmlichem Anodisieren entwickelt, obwohl eine höhere Spannung und ein geeigneter Elektrolyt verwendet werden. Das charakteristische Merkmal von PEO-Prozessen ist die Erzeugung kleiner, kurzlebiger Mikroentladungen (Plasmakanäle) auf einer behandelten Metalloberfläche, die die Metalloberfläche in eine harte, oxidhaltige Schicht umwandeln. Der PEO-Prozess wird in umweltfreundlichen Elektrolyten durchgeführt, die keine Chromate enthalten. Zusätzlich ist eine hohe Wurfkraft (die Fähigkeit, eine Beschichtung gleichmäßig auf einem unregelmäßig geformten Metall abzuscheiden) ein weiterer Vorteil des Verfahrens.
Während der PEO finden verschiedene Prozesse wie die Bildung einer Oxidschicht, der dielektrische Durchschlag, die Gasentwicklung und die Auflösung des Metalls statt. Die Beschichtungsbildung ist abhängig von der Art der Stromversorgung, der verwendeten Lösung und des Substrats.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Magnesiumlegierungsprodukts die folgenden Schritte:

(i) Bereitstellen einer wässrigen Elektrolytlösung, die ein anorganisches Phosphat enthält,
(ii) Aussetzen eines Magnesiumlegierungsprodukts der wässrigen Elektrolytlösung, so dass die Oberfläche des zu behandelnden Magnesiumlegierungsprodukts in die Elektrolytlösung eingetaucht wird,
(iii) Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen dem Magnesiumlegierungsprodukt und einer zweiten Elektrode, die in dem wässrigen Elektrolytsystem angeordnet ist, um eine plasmaelektrolytische Oxidation auf der eingetauchten Oberfläche des Magnesiumlegierungsprodukts zu erzeugen,

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die im PEO-Verfahren zu verwendende Elektrolytlösung (auch „PEO-Elektrolytlösung“ genannt) ein anorganisches Phosphat, das vorzugsweise ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Phosphorsäure, Na₃PO₄, Na₄P₂O₇, Na₅P₃O₁₀, Na₆P₆O₁₈, Na₂HPO₄, NaH₂PO₄, und K₂P₂O₇.
Das anorganische Phosphat ist vorzugsweise in der wässrigen Elektrolytlösung in einer Konzentration zwischen 1 und 250 g/L, vorzugsweise zwischen 10 und 100 g/L und noch bevorzugter zwischen 45 und 65 g/L enthalten.
Die wässrige PEO-Elektrolytlösung enthält neben einem anorganischen Phosphat eine oder mehrere alkalische Verbindungen, die vorzugsweise ausgewählt sind aus der Liste bestehend aus Kaliumhydroxid, Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid und Ammoniumhydroxid.
Die alkalische Verbindung ist vorzugsweise in der wässrigen Elektrolytlösung in einer Konzentration zwischen 1 und 250 g/L, vorzugsweise zwischen 10 und 100 g/L und noch bevorzugter zwischen 35 und 75 g/L enthalten.
Die wässrige PEO-Elektrolytlösung umfasst ferner ein oder mehrere Additive, ausgewählt aus Fluorwasserstoff, Urotropin und Borsäure.
Das Additiv ist vorzugsweise in der wässrigen Elektrolytlösung in einer Konzentration zwischen 1 und 400 g/L, vorzugsweise zwischen 25 und 350 g/L und noch bevorzugter zwischen 30 und 80 g/L enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform führt die im PEO-Verfahren angelegte Spannung zu einem Wechselstrom, vorzugsweise mit einer sinusförmigen Wellenform.
In einer bevorzugten Ausführungsform führt die im PEO-Verfahren angelegte Spannung zu einem gepulsten Wechselstrom, die auch als bipolar gepulst bezeichnet wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform führt die im PEO-Verfahren angelegte Spannung zu einem konstanten Strom.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform führt die im PEO-Verfahren angelegte Spannung zu einem anodisch gepulsten Strom, der auch als unipolar gepulst bezeichnet wird.
In einer noch bevorzugteren Ausführungsform sind die gepulsten Ströme rechteckförmig.
In einer alternativen Ausführungsform sind die gepulsten Ströme sinusförmig oder sägezahnförmig.
Insbesondere wird für den PEO-Beschichtungsprozess eine Rechteckimpulsform verwendet, wobei der PEO-Beschichtungsprozess mit konstantem Strom durchgeführt wird.
Die Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO), auch bekannt als Micro Are Oxidation (MAO), ist ein vielversprechendes neues Verfahren, das die Fähigkeit besitzt, eine stabile und anhaftende Oxidschicht auf Metallen wie Mg herzustellen. Dieser Prozess basiert auf der anodischen Oxidation des Metalls bei Anschluss an die Hochspannungsquelle, die in einen geeigneten Elektrolyten eingetaucht wurde. Die Kombination der Elektrolytlösung wirkt sich auf die Stabilität der Passivschicht, die Größe und Verteilung von Funken und gebildeten Phasen aus.
Die Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist eine Technik, die zur Herstellung einer harten, verschleiß- und korrosionsbeständigen Beschichtung von Ventilmetallen wie Aluminium, Titan, Magnesium und deren Legierungen verwendet wird. Das PEO-Verfahren wurde aus dem konventionellen Anodisieren entwickelt, obwohl eine höhere Spannung verwendet wird. Das charakteristische Merkmal von PEO-Prozessen ist die Erzeugung kleiner, kurzlebiger Mikroentladungen (Plasmakanäle) auf einer behandelten Metalloberfläche, die die Metalloberfläche in eine harte Oxidschicht umwandeln. Der PEO-Prozess wird in umweltfreundlichen Elektrolyten durchgeführt, die keine Chromate enthalten. Zusätzlich ist eine hohe Wurfkraft (die Fähigkeit, eine Beschichtung gleichmäßig auf einem unregelmäßig geformten Metall abzuscheiden) ein weiterer Vorteil des Verfahrens.
Während der PEO finden verschiedene Prozesse, wie die Bildung einer Oxidschicht, der dielektrische Durchschlag, die Gasentwicklung und die Auflösung des Metalls, statt. Die Beschichtungsbildung ist abhängig von der Art der Stromversorgung, der verwendeten Lösung und dem Substrat. Behandlungsparameter, wie Strom oder Spannung und Zeit des Prozesses, beeinflussen die Beschichtungsbildung und damit die Eigenschaften der Beschichtung. Die Komplexität des Prozesses und die Anzahl der Einflussfaktoren auf die Beschichtungsbildung führen zu Schwierigkeiten bei der Prozessoptimierung.
BEISPIELE
Für die Vorbereitung von Prüfmustern wurde eine stranggepresste WE43-Magnesiumlegierungsstange mit einem Durchmesser von 20,6 mm in Scheiben mit einer Dicke von 1,5 mm geschnitten. Nach der Behandlung mit einer sauren Aktivierungslösung (siehe unten) wurden die Scheiben in ein elektrolytisches PEO-System eingebaut, das in verschiedene Elektrolytlösungen eingetaucht ist, und dem PEO-Protokoll unterzogen.
Die Zusammensetzung des WE43 ist wie folgt:

• 3,7 % - 4,3 % Yttrium
• 2,3 % - 3,5 % Seltenerdelemente
• 0,1 % - 0,6 % Zirkon
• Rest Magnesium

Die folgenden Elektrolytlösungen wurden vergleichsweise im PEO-Verfahren genutzt:

Elektrolyt	Zusammensetzung
E1	Magnesiumreferenz (WE 43)
E2	Silikat und KOH
E3	Silikat und KOH und Borat
E4	Silikat und KOH und Titanat
E5	Silikat und KOH und Borat und Titanat
E6	Phosphat und KOH
E7	Phosphat und Ammoniumhydroxid
E8	Phosphat und KOH und Aluminat
E9	Phosphat und Ammoniumhydroxid und Urea
E10	Phosphat und Ammoniumhydroxid and EDTA
E11	Phosphat und Ammoniumhydroxid und Fluorid und Urotropin
E12	Phosphat und Ammoniumhydroxid und Borat und Fluorid und Urotropin

Die Bedingungen für die PEO-Behandlung wurden individuell für jedes Prüfmuster angepasst, um eine Schichtdicke von 10 ± 3.5 µm herzustellen.

Die folgenden PEO-Parameter wurden angewendet:

Aktivierung der Prüfmuster	Inkubieren für 20 Sekunden in einer Aktivierungslösung mit 2 g Oxalsäuredihydrat in 100 ml destilliertem Wasser, gefolgt von einer Inkubation für 10 Minuten in destilliertem Wasser
Energiequelle	Munk PSP Produktfamilie (Munk GmbH, Hamm, Deutschland)
Regulation	Konstantstrommodus
Pulsform	Unipolar, rechteckig
Frequenz	1,000 Hz
Stromdichte	1.6 - 4.9 A/dm²
(finale) Spannung	400 - 500 V
Beschichtungsdauer	15 - 45 min
Elektrolyttemperatur	12 - 21 °C
Rührgeschwindigkeit	250 U/min

Die PEO wurde in einer Apparatur, wie schematisch in gezeigt, durchgeführt. Die mit den Elektrolytlösungen E1 bis E12 (E1 ist die unbeschichtete Negativkontrolle) beschichteten Prüfmuster wurden als S1 bis S12 bezeichnet und einer weiteren Analyse unterzogen.
Analyse oder PEO-beschichteten WE43 Prüfmuster S1 bis S12
Morphologische Analyse
Um die Morphologie der unterschiedlichen Beschichtungen zu untersuchen, wurden die Prüfmuster unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Hierbei wurde die Oberseite der beschichteten Probekörper in Draufsicht oder in einer Querschnittsansicht nach dem Schneiden des Prüfmusters analysiert. Beispielhafte Bilder der REM-Analyse sind in gezeigt.
EDS-Spektren
Die chemische Zusammensetzung der Beschichtungsschicht wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) analysiert. Das EDS-Spektrum für die Sonde S6 ist in (rechts unten) dargestellt. In einer ausführlicheren EDS-Analyse wurde ein Querschnitt der PEO-beschichteten Magnesiumlegierung ZX00 mit EDS auf die Elementzusammensetzung analysiert. Die Ergebnisse sind in in Form von sogenannten Live-Maps und in den und als Elementüberlagerungen dargestellt. Für fünf verschiedene Phasen wurde das Phasenspektrum mit der Software TEAM™ Version V4.4.1 (AMETEK GmbH, Weiterstadt, Deutschland) gesammelt und analysiert.
Hierbei wurde die eZAF Smart Quant-Methode verwendet, bei der es sich um einen Algorithmus zur Quantifizierung eines erweiterten Neigungsbereichs von bis zu 70 Grad für flache und polierte Sonden handelt. Es enthält Korrekturen bezüglich der Ordnungszahl (= Z), Absorption (= A) und Fluoreszenz (= F).
Die Elementverteilung für diese fünf Phasen ist in den und dargestellt. Die EDS-Peaks sind Röntgenstrahlen, die abgegeben werden, wenn Elektronen zur K-Elektronenhülle zurückkehren, und wurden daher in den Abbildungen mit einem „K“ angegeben.
Schließlich wurde eine Punktanalyse durchgeführt, wobei der Querschnitt der beiden PEO-beschichteten Legierungen ZX00 und WE43 verwendet wurde, um zwei Punkte auszuwählen, EDS-Punkt 1 innerhalb der Beschichtung und EDS-Punkt 2 innerhalb des Mg-Legierungsprodukts. Die Elementverteilungen für dieser beiden Punkte wurden mit eZAF Smart Quant ermittelt. Die Elementverteilung für die PEO-beschichteten Legierungen ZX00 und WE 43 ist in bzw. dargestellt.
Insbesondere ist das Vorhandensein von Kohlenstoff ein Artefakt aufgrund der Sondenvorbereitung, da die Sonde in ein Epoxidharz eingebettet ist und die frisch vorbereitete Oberfläche mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen kontaminiert wird.
Röntgenkristallographie
Die chemische Zusammensetzung der PEO-beschichteten Mg-Legierung wurde mittels Röntgenkristallographie unter Verwendung des Diffraktometersystems XRD ID 3003 TT (GE Sensing & Inspection Technologies GmbH, Hürth, Deutschland) analysiert. Hierbei wurde die Bragg-Brentano-Geometrie (symmetrisch) mit Cu-K_alpha-Strahlung und 1D-Detektor und einer 0,03 °2theta-Schrittweite genutzt. In einer separaten Analyse wurden folgende Parameter verwendet: streifender Einfall (Omega-Winkel von 1, 3, 5 und 7 °) mit Cu-K_alpha-Strahlung sekundärer langer Soller-Kollimator und Szintillationsdetektor mit 0,05 °2theta-Schrittweite sowie 5 Messzeiten.
Wie in den und gezeigt, dominieren die von einer Mg-Legierung abgeleiteten Peaks mit ihrer hexagonalen P36mmc-Struktur das Spektrum. Im Bereich zwischen 39 und 45 2Theta zeigten jedoch mehrere Peaks das Vorhandensein von Mg₄Zn₇ (Monoklin-MgZn-Kristall der Raumgruppe C2/m) und ein Peak bei 42,9 2Theta, der MgO-Periklas (hexoktaedrischer Kristall der Raumgruppe Fm-3m) repräsentiert, ist ersichtlich.
Wie in einer separaten Analyse in den und gezeigt, zeigt der breite Peak im Bereich zwischen 20 und 35 2Theta, dass die Beschichtung aus amorphem Material besteht.
Analyse der Porengröße und Porosität
Die REM-Bilder der Oberfläche der Testproben S2 bis S12 wurden morphometrisch analysiert, indem das Bild mit der Software ImageJ (Wayne Rasband, USA) in das 8-Bit-Format konvertiert und anschließend binärisiert wurde. Nach dem manuellen Zuweisen eines Schwellenwerts zur Identifizierung von Poren wurden die Porengröße (d. h. die in µm² angegebene Porenfläche) und die Porosität in % bestimmt. Die Ergebnisse sind in gezeigt.
Analyse der Härte
Die Analyse der Härte der Prüfmuster S1 bis S12 wurde durch Mikrohärteprüfung nach Vickers mit n = 5 mit Hilfe des Fischerscope H100C (Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen, Deutschland) im Querschnitt des Prüfmusters bestimmt. Die Vickershärte für S1 bis S12 ist in dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Beschichtung zu einer erhöhten Härte der Mg-Legierungsprodukte führt. Unter den Elektrolyten auf Phosphatbasis ist die Reihenfolge der Härte wie folgt: S7 > S6 > S9 ~ S10 ~ S11 > S12.
Analyse der Degradierbarkeit
Die Degradierbarkeit des Prüfmuster S11 im Vergleich zu einem nicht-beschichteten WE43-Mg-Legierungsprodukt. wurde durch Volumenanalyse des Wasserstoffgases bestimmt, das während der Degradation erzeugt wird. Hierbei wurde ein Testgerät nach Hofstetter et al. („Assessing the degradation performance of ultrahigh-purity magnesium in vitro and in vivo “, Corrosion Science, 2015 (91): 29-36) genutzt. Die Prüfmuster werden 100 Stunden in Minimum Essential Medium (MEM) bei 37 °C unter nicht turbulentem Rühren inkubiert und die Wasserstoffgasentwicklungsrate wurde durch intermittierende 12-Stunden-Intervallmessung des erzeugten Wasserstoffgases gemessen. Die Abbauraten sind in dargestellt. Während die unbeschichtete Probe nach 100 Stunden einen stetigen Anstieg auf bis zu 1,2 ml/cm² Wasserstoff zeigt, führt die PEO-beschichtete Probe S11 zu einer Wasserstoffmenge von ca. 0,1 ml cm².
Analyse der Biokompatibilität
Zur In-vitro-Toxizitätsanalyse der beschichteten Prüfmuster wurde ein In-vitro-Testschema angewendet, das der Norm DIN EN ISO 10993 entspricht. Dieses Testschema umfasst indirekte Prüfungen durch Analyse von Extrakten sowie eine direkte Prüfung. Die Prüfungen wurden mit der Maus-Fibroblasten-Zelllinie L929 durchgeführt.
Prüfung der Extrakte
Die indirekte Prüfung wurde wie folgt durchgeführt:

• Sterilisation der Prüfmuster durch 5-minütiges Eintauchen in Isopropanol und Trocknen in einem sterilen Abzug.
• Erzeugung wässriger Extrakte durch Inkubation der Testproben S1 bis S12 (n = 2) für 72 Stunden mit 3 ml MEM-Zellkulturmedium unter Zellkulturbedingungen (37 °C, 5 % CO₂, 95 % Luftfeuchtigkeit)
• Zentrifugation der Extrakte bei 14.000 U/min für 10 Minuten, um Partikel zu entfernen
• Ausplattieren von 100 µl CCLI-Zellen (1 × 10⁵ Zellen/ml) in einer 96-Well-Platte und anschließender 24-stündiger Inkubation unter Zellkulturbedingungen
• Zugabe von 100 µl Extrakt (n = 4 für jede Testprobe) pro Vertiefung
• Inkubation für weitere 24 Stunden
• Analyse der Zellen mit den Tests BrdU, LDH und XTT

Die Ergebnisse sind in gezeigt. Es ist ersichtlich, dass im LDH-Test die Proben S6 bis S12 in ihrer Wirkung der Negativkontrolle (NK) ähnlich sind und somit kein offensichtliches Anzeichen von Toxizität zeigen. Dies korreliert mit den Ergebnissen der TTX- und BrdU-Tests, die zeigen, dass die Proben S6 bis S12 die Lebensfähigkeit der Zellen im Vergleich zur Negativkontrolle NK nicht beeinträchtigen.
Prüfung mit Direktkontakt
Der Direktprüfung wurde wie folgt durchgeführt:

1 ml der CCL1-Zellsuspension (2,4 × 10⁵ Zellen / ml) wurde auf die Untersuchungsprobe in einer 24-Well-Platte ausplattiert und für 24 Stunden unter Zellkulturbedingungen inkubiert. Danach wurden die Zellen unter Verwendung einer Vitalfärbung durch Zugabe von 2,5 mg Fluoresceindiacetat (FDA) und 3 µg Propidiumiodid (PI) und Inkubation für 3 Minuten bei Raumtemperatur analysiert. Von jeder Testprobe wurden 5 verschiedene Positionen des Prüfkörpers unter Verwendung von Fluoreszenzmikroskopie analysiert.

Als Positivkontrolle wurde eine RM-Polyurethanplatte mit 1 % Zinkdiethyldithiocarbamat (ZDEC) (Hatano Research Institute, Food and Drug Safety Center, Kanagawa, Japan) verwendet. Negativkontrollen wurden mit einer HDPE-Kunststofffolie oder einem Reintitankörper Grade 4 (Eutitan, Eukamed e.K., Essen, Deutschland) durchgeführt. Die Bilder wurden durch eine multifaktorielle subjektive Bewertung analysiert, die von drei unabhängigen Beobachtern durchgeführt wurde. Hierbei wurden die drei Effekte „PI-Positivzellen“, „gerundete Zellen“ und „Reduzierung der Zellzahl“ in vier Schritten quantifiziert, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:

Effekt	Auftreten (im Vergleich zur Negativkontrolle)				Signifikanz
	0	1	2	3
Reduzierung der Zellzahl	kein Effekt	leichte Reduzierung	Mittlere Reduzierung	starke Reduzierung	Zell wachstum
Gerundete Zellen	kein Effekt	geringe Anzahl	erhöhte Anzahl	hohe Anzahl	Zell morphologie
PI-Positivzellen	kein Effekt	geringe Anzahl	erhöhte Anzahl	hohe Anzahl	Zell schaden

Die kumulative Bewertung reicht von 0 für eine hervorragende Biokompatibilität bis 9 für ein hohes zytotoxisches Potenzial. Die mittleren Bewertungswerte sind in gezeigt. Hierbei zeigen die beschichteten Proben S10 und S11 die besten Ergebnisse.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese erläutert.
Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnungen:

zeigt eine schematische Zeichnung einer Zelle zur PEO-Anodisierung.
zeigt die Ergebnisse der digitalen Analyse der beschichteten Prüfkörper S1 bis S12 hinsichtlich Porosität (in %) und Porengröße (Porenfläche in µm²). In B sind die REM-Bilder gezeigt, die die Oberflächenmorphologie des Prüfmusters S6 zusammen mit dem EDS-Spektrum zeigen.
zeigt die Ergebnisse für den LDH-, XTT- und BrdU-Test von Extrakten aus den Prüfkörpern S1 bis S12.
zeigt die kumulativen Ergebnisse des In-vitro-Toxizitätstests der Proben S1 bis S12, einschließlich einer Negativkontrolle (NK) und einer Positivkontrolle (PK) nach direktem Ausplattieren von CCL1-Zellen auf die beschichteten Testproben S1 bis S12.
zeigt den Querschnitt der PEO-beschichteten ZX00 Mg-Legierung im REM-Bild (rechts) und mit einem farbcodierten Bild die Verteilung der verschiedenen Beschichtungsphasen als sogenannte Live-Map (links). Die Abbildungslegende für die farbcodierten Phasen mit ihrer Elementzusammensetzung ist unten dargestellt.
6 zeigt den Querschnitt der PEO-beschichteten ZX00 Mg-Legierung mit farbcodierten Elementüberlagerungen für alle Elemente oben links mit der Elementfarbzuordnung wie oben rechts dargestellt. Im Folgenden wird die Darstellung der getrennten Elemente für Fluor, Magnesium, Aluminium und Phosphor gezeigt.
7 zeigt den Querschnitt der PEO-beschichteten ZX00 Mg-Legierung mit farbcodierter getrennter Darstellung der Elemente für Calcium, Eisen, Nickel, Zink und Zirkonium.
zeigt die Ergebnisse der EDS-Analyse mit eZAF Smart Quant für vier verschiedene Phasen der PEO-beschichteten Mg-Legierung ZX00.
zeigt die Ergebnisse der EDS-Analyse mit eZAF Smart Quant für zwei verschiedene Phasen der PEO-beschichteten Mg-Legierung ZX00. Unten ist ein beispielhaftes EDS-Spektrum (hier für die Phase P K/MgK/C K) dargestellt.
10 zeigt den Querschnitt der PEO-beschichteten ZX00 Mg-Legierung mit Auswahl von zwei verschiedenen EDS-Punkten, für die die von eZAF Smart Quant bestimmte Elementzusammensetzung unten gezeigt ist.
zeigt den Querschnitt der PEO-beschichteten WE43 Mg-Legierung mit Auswahl von zwei verschiedenen EDS-Punkten, für die die von eZAF Smart Quant bestimmte Elementzusammensetzung unten angegeben ist.
und zeigen die Ergebnisse der röntgenkristallographischen Analyse für eine PEO-beschichtete Mg-Legierung mit zwei unterschiedlichen Impulsdarstellungen.
und zeigen die Ergebnisse der Röntgenkristallgrafische Analyse für eine PEO-beschichtete Mg-Legierung WE43 und ZX00 unter verschiedenen Winkeln.
zeigte die Abbaubarkeit der Testprobe S11 im Vergleich zu einem unbeschichteten WE43 Mg-Legierungsprodukt, nachgewiesen durch volumetrische Analyse des bei dem Abbau entstehenden Wasserstoffgases. Die Abbaurate ist dargestellt als Menge des entstehenden Wasserstoffgases über die Inkubationszeit.

In den Abbildungen beziehen sich gleiche Zahlen durchgehend auf gleiche Objekte. Objekte in den Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Abbildungen beschrieben.
zeigt eine Prinzipskizze der PEO-Zelle zum Beschichten der Mg-Legierungsprodukte. Die Elektrolytzirkulation hilft dabei, Gasblasen von der Oberfläche des Mg-Legierungsprodukts zu entfernen, die das Wachstum einer homogenen Schicht beeinträchtigen könnten. Durch das Einblasen feiner Luftblasen (i) wird die laminare Grenzschicht kontinuierlich entfernt, so dass ein verstärkter Austausch mit dem Elektrolyten erreicht wird.
Definitionen
Der Begriff „biodegradierbar“, wie er im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bezieht sich auf eine Vorrichtung, die unter physiologischen Bedingungen abbaubar ist.
Der Begriff „Biodegradation“, wie er hier für den Abbau des Implantats im Organismus des Empfängers verwendet wird, ist synonym mit den Begriffen „Degradation“, „Absorption“, „Resorption“, „Korrosion“ und „Biokorrosion“.
Der Begriff „Plasmaanodisierung“, wie er hier verwendet wird, ist synonym mit den folgenden Begriffen: „Anodische Oxidation unter Funkenentladung (ANOF)“, „Micro Are Oxidation (MAO)“, „Anodische Spark Deposition (ASD)“, „Microplasma Oxidation (MPO)“. „Plasmachemische Oxidation (PCO)“ und „Micro Are Discharge Oxidation (MDO)“.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff „Beschichtung“ auch die Umwandlung von Oberflächenmaterial und Oberflächenmodifikation.
Die hier verwendeten Begriffe „Funkenentladung“ und „Plasmaentladung“ sind synonyme Begriffe.
Der Begriff „Oxid“, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfasst auch Oxidhydrate.
Der hier verwendete Begriff „Phosphat“ bezeichnet Phosphate, Diphosphate und Polyphosphate.
Wie hier verwendet, ist ein „Metallphosphat“ eine chemische Verbindung eines Metalls und mindestens einem Phosphat, das ein chemisches Derivat einer Phosphorsäure ist. Eine Phosphorsäure wird hiermit als Protonenspendende Phosphor-Sauerstoff-Verbindung definiert und umfasst dabei alle Arten von H_xP_yO_z-Verbindungen, wie Orthophosphorsäure, Metaphosphorsäure, Polyphosphorsäure, Phosphonsäure und phosphorige Säure.
Ein „Metalloxid“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine chemische Verbindung, die mindestens ein Sauerstoffatom und ein Metallkation als weiteres Element enthält. Beispiele sind MgO, ZnO, CaO, ZrO₂ oder ZnO.
Wie im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet, bezieht sich der Begriff „biokompatibel“ auf eine Vorrichtung, die in einer in vivo-Umgebung im Wesentlichen nicht toxisch ist und vom physiologischen System eines Empfängers nicht im Wesentlichen abgestoßen wird.
Bezugszeichenliste

a): Stromquelle
b): Elektrolytlösung
c): Gegenelektrode
d): Mg-Legierungsprüfstück
e): Gasaufnahme
f): Einkapselung
g): Wärmetauscher
h): Elektrolytzirkulation
i): Luftversorgung
j): Filter

Claims

Biodegradierbares Implantat, das ein Magnesiumlegierungsprodukt umfasst, das auf seiner Oberfläche mit einer Beschichtungsschicht aus mindestens drei Substanzen beschichtet ist, die sind a. ein Metalloxid eines Metalls ausgewählt aus Seltenerdelementen, Mg, Ca, Zn, Zr, Mn or Ag; und/oder b. ein Metallphosphat eines Metalls ausgewählt aus Seltenerdelementen, Mg, Ca, Zn, Zr, Mn oder Ag.
Biodegradierbares Implantat nach Anspruch 1, wobei das beschichtete Magnesiumlegierungsprodukt eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: a. das Metalloxid oder Metallphosphat bildet eine kristalline Domäne innerhalb der Beschichtungsschicht; b. das Metalloxid oder Metallphosphat bildet eine amorphe Domäne innerhalb der Beschichtungsschicht; c. die Beschichtungsschicht hat eine Dicke zwischen 2 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 35 µm, besonders bevorzugt zwischen 8 und 24 µm und insbesondere zwischen 12 und 18 µm; d. die Beschichtungsschicht umfasst Metallfluoride, die in ihrer Konzentration beginnend an der oberen Oberfläche der Beschichtungsschicht bis hinunter zur unteren, legierungsproduktorientierten Oberfläche der Beschichtungsschicht zunehmen, wobei vorzugsweise eine ausgeprägte mit Metallfluorid angereicherte Zone an der unteren Oberfläche der Beschichtungsschicht gebildet wird; e. die obere Oberfläche der Beschichtungsschicht hat eine mittlere Vickers-Härte von 150 bis 800, vorzugsweise von 200 bis 600 und bevorzugter von 250 bis 400, gemessen nach DIN EN ISO 6507-1/4: 2018; f. die Überzugsschicht umfasst mindestens zwei Unterschichten, die eine untere legierungsproduktorientierte Sperrschicht und eine poröse Deckschicht sind; g. die Seltenerdelemente sind aus der Liste ausgewählt, die aus Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu besteht; h. die Beschichtungsschicht wird durch Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) erzeugt.
Biodegradierbares Implantat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtungsschicht eine poröse Schicht ist, die vorzugsweise eine Porosität von 2 bis 50 %, bevorzugter zwischen 3 bis 25 %, und insbesondere bevorzugt von 4 bis 12 % hat.
Biodegradierbares Implantat nach Anspruch 3, wobei die Poren an der oberen Oberfläche der Beschichtungsschicht eine mittlere Porengröße von zwischen 0,1 bis 10, vorzugsweise von 2 bis 8, insbesondere bevorzugt von 4 bis 6 µm² hat.
Biodegradierbares Implantat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Magnesiumlegierung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Magnesiumsilberlegierung (Mg-Ag), einer Mg-Legierung, die seltene Elemente (RE) enthält, vorzugsweise einer Mg-Y-RE-Legierung und bevorzugter einer Mg-Y-Nd mit oder ohne Zusatz von Zr, sogar noch bevorzugter mit einem Y-Gehalt zwischen 3 und 5 Gew.-% und einem Nd-Gehalt zwischen 2 und 4 Gew.-%; oder eine Magnesiumlegierung, die Calcium oder Zink enthält, bevorzugt Mg-Ca-Zn oder Mg-Zn-Ca mit oder ohne Zusatz von Zr, sogar noch bevorzugter mit Ca- und Zn-Gehalten jeweils unter 1 Gew.-%.
Biodegradierbares Implantat nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das beschichtete Magnesiumlegierungsprodukt nach der Inkubation von 100 Stunden in Minimum Essential Medium (MEM) bei 37 °C unter nicht-turbulentem Rühren eine Wasserstoffgasentwicklungsrate weniger als 1,0 ml/cm², vorzugsweise von weniger als 0,6 ml/cm², bevorzugter von weniger als 0,2 ml/cm², und sogar noch bevorzugter von weniger als 0,1 ml/cm², gemessen durch kontinuierliche Volumenmessung des erzeugten Wasserstoffgases aufweist.
Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtungsschicht auf der Oberfläche eines Magnesiumlegierungsprodukts nach den Ansprüchen 1 bis 6, die die folgenden Schritte enthalten: (i) Bereitstellen einer wässrigen Elektrolytlösung, die ein anorganisches Phosphat enthält, (ii) Aussetzen eines Magnesiumlegierungsprodukts der wässrigen Elektrolytlösung, so dass die Oberfläche des zu behandelnden Magnesiumlegierungsprodukts in die Elektrolytlösung eingetaucht ist, (iii) Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen dem Magnesiumlegierungsprodukts und einer zweiten Elektrode, die in dem wässrigen Elektrolytsystem positioniert ist, um eine Plasmaelektrolytische Oxidation an der eintauchten Oberfläche des Magnesiumlegierungsprodukts zu erzeugen, (iv)so dass die eingetauchte Oberfläche in einen Misch-Oxid/Phosphat-Film umgewandelt wird.
Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Magnesiumlegierungsprodukts nach Anspruch 7, wobei die wässrigen Elektrolytlösung eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften hat: a. Die wässrige Elektrolytlösung umfasst ein anorganisches Phosphat, das vorzugsweise ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Phosphorsäure, Na₃PO₄, Na₄P₂O₇, Na₅P₃O₁₀, Na₆P₆O₁₈, Na₂HPO₄, NaH₂PO₄, and K₂P₂O₇; b. Die wässrige Elektrolytlösung umfasst ein anorganisches Phosphat in einer Konzentration zwischen 1 und 250 g/L; c. Die wässrige Elektrolytlösung umfasst zusätzlich zu dem anorganischen Phosphat eine oder mehrere alkalische Verbindungen, vorzugsweise ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ammoniumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und Lithiumhydroxid; d. Die wässrige Elektrolytlösung umfasst weiter eine oder mehrere Additive ausgewählt von Fluorwasserstoff, Urotropin und Borsäure.
Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Magnesiumlegierungsprodukts nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Spannung angelegt in Schritt (iii) unipolar mit einer Pulsfrequenz gepulst ist, welche vorzugsweise zwischen 1 bis 2.000 Hz, weiter bevorzugt zwischen 5 bis 500 Hz und darüber hinaus bevorzugt zwischen 8 und 150 Hz ist.