WO2018220002A1 - Beschichtetes substrat mit titanhaltiger beschichtung und modifizierter titanoxidbeschichtung - Google Patents

Beschichtetes substrat mit titanhaltiger beschichtung und modifizierter titanoxidbeschichtung Download PDF

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WO2018220002A1
WO2018220002A1 PCT/EP2018/064170 EP2018064170W WO2018220002A1 WO 2018220002 A1 WO2018220002 A1 WO 2018220002A1 EP 2018064170 W EP2018064170 W EP 2018064170W WO 2018220002 A1 WO2018220002 A1 WO 2018220002A1
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layer
mao
titanium
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base body
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PCT/EP2018/064170
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Malte BURCHARDT
Thorsten FLADUNG
Ariane FRIEDEMANN
Ingo Grunwald
Shahram NOURI SHIRAZI
Dirk Salz
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
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Definitions

  • the invention further relates to a corresponding use of the MAO method.
  • Implant materials are increasingly in demand in many industrialized nations due to increasing life expectancy worldwide and the higher average age of the population.
  • biocompatible materials are those which have no negative influence on the recipient (human, animal) and are well accepted by the recipient.
  • titanium-based materials have excellent biocompatibility and sterilizability, and are therefore particularly suitable for implants. Titanium has been used as an implant material for more than 50 years (see DM Brünette et al., Titanium in Medicine, Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2001). The biocompatibility of Titanium and titanium alloys are essentially based on two points. This is on the one hand the very positive tissue response on titanium surfaces and on the other hand the absence of allergic / immunological reactions. The good corrosion and biocompatible properties of these materials are due to the formation of a titanium-based oxide layer (T1O2) on the surface.
  • T1O2 titanium-based oxide layer
  • titanium-based application objects in particular for implant materials
  • the high costs of material and production which are mainly caused by the high procurement and processing costs of the raw material
  • the high costs of material and production which are mainly caused by the high procurement and processing costs of the raw material
  • titanium-based materials are often difficult to machine mechanically and do not always have optimal mechanical properties for all application scenarios, in particular with regard to ductility and plastic deformability.
  • polymer materials ie plastics such as polyetheretherketone (PEEK) or polyethylene (PE)
  • PEEK polyetheretherketone
  • PE polyethylene
  • these materials are used for a wide range of products, from disposable items to long-term implants, due to their low cost, ease of manufacture, and low cost of processing.
  • polymeric materials sometimes have significant disadvantages compared to metallic, in particular titanium-based materials, so that these deficient properties currently restrict their use as implant material severely.
  • PEEK materials An example of a polymeric material used as a niche product in certain fields of medical technology is PEEK materials.
  • the advantage of these materials is based in particular on the good material properties and processing capabilities of the PEEK.
  • PEEK implants are much cheaper and easier to produce than titanium implants.
  • the disadvantage of the material titanium is the lower biocompatibility of the PEEK.
  • the lower cell adhesion to PEEK materials may result in a loosening of the entire implant, in which case implants implicated in the patient would have to be replaced (see C.M. Han et al., Biomaterials 31 (2010) 3465-3470; Althaus et al., Eur. J. Nanomed., 2012; 4 (1): 7-15).
  • coating of plastics with titanium is accomplished by different methods, e.g. Sputtering, plasma spraying or plasma deposition, extensively described (see EP 0631497 A1, US 6322588 B1, US 20060079900 A1, US 20090054986 A1, US 20090306782 A1, WO 071 18856 A1, US 20070259427 A1, WO 2009068914 A1, US 20100262244 A1, WO 201 1 1 19617 A1, US 20130030544 A1, US 20130330688 A1, WO 8606617 A1).
  • This coating can also have a structured surface (cf., WO 2009097968 A2).
  • the titanium layers do not undergo further surface treatment to improve biocompatibility or sterilizability.
  • coating the substrate with titanium alone is in some cases not sufficient to ensure biocompatibility.
  • a surface modification is then necessary in order to produce high biocompatibility on the surface of the coated substrates, for example by means of a titanium oxide layer.
  • the generation of a biocompatible TiO 2 -based layer is known for titanium-based substrates of the prior art.
  • the production is carried out by micro-arc oxidation (MAO, cf RU 2385740 C1, CN 103088348 A), by anodization (CN 102912357 A) or by sol-gel method (CN 102912357 A).
  • DE 1020060131 15 A1 discloses a method for producing oxide layers on implants, in particular on metallic base bodies, of applied metal layers, in particular niobium and tantalum, by means of anodization, in particular pore-free oxide layers being produced.
  • EP 02481 17 A2 and WO 8905161 A1 disclose the production of sliding layers of oxides of the elements Ti, Al and Cr on titanium implants by deposition in the plasma stream.
  • calcium phosphate preferably in the form of hydroxyapatite, which can be deposited, for example, from organic solvents with organometallic precursors on plastics or metals can also be used as biocompatible material (compare US 201 10282095 A1).
  • organic solvents with organometallic precursors on plastics or metals can also be used as biocompatible material (compare US 201 10282095 A1).
  • calcium phosphate-based layers can also be produced by MAO processes (US 20050019365 A1).
  • a coated substrate according to the invention comprises as the substrate to be coated a base body and arranged thereon at least two mutually distinguishable, i. especially with regard to their chemical composition different, layers.
  • Coated substrates according to the invention for use as implant are preferred.
  • the main body is basically not limited in terms of its dimensions.
  • a first layer comprising or consisting of titanium. This means that the main body is completely or at least partially covered with a first layer, which differs in terms of their chemical composition from the composition of the body.
  • the first layer preferably consists predominantly (based on the amount of substance), more preferably entirely of metallic titanium, it being understood by the person skilled in the art that very small impurities may be present.
  • the content of such impurities in the first layer is preferably ⁇ 0.5% by weight, more preferably ⁇ 0.1% by weight, based on the total weight of the first layer.
  • the first layer may also comprise only titanium.
  • the titanium must be present in metallic form, ie as elemental titanium or in the form of a Ti alloy.
  • a Layer, which consists for example of titanium sulfide and thus comprises Ti atoms, is for the purposes of the present invention, not a first layer comprising titanium.
  • the first layer preferably comprises ⁇ 10% by weight of niobium and / or tantalum, more preferably ⁇ 5% by weight of niobium and / or tantalum, particularly preferably no niobium and / or tantalum, based on the total mass of the first layer.
  • a second layer comprising or consisting of titanium oxide. This means that the surface of the base body or the first layer covering the surface of the base body is completely or at least partially coated with a second layer comprising or consisting of titanium oxide.
  • the second layer may also comprise other compounds, in particular calcium phosphates.
  • titanium oxide denotes all binary chemical compounds of the elements titanium and oxygen, but in particular titanium (II) oxide, titanium (III) oxide and titanium (IV) oxide.
  • titanium (II) oxide titanium oxide
  • titanium (III) oxide titanium oxide
  • titanium (IV) oxide titanium oxide
  • the oxide predominantly formed in the electrochemical oxidation of titanium is the titanium (IV) oxide.
  • titanium oxides are also formed in which the titanium has an oxidation state of less than 4.
  • the second layer comprises at least one of the naturally occurring modifications of the titanium (IV) oxide, i.
  • the second layer comprises rutile and / or anatase and / or brookite.
  • the second layer comprises> 50% by weight, particularly preferably> 75% by weight, of anatase, based on the total mass of the second layer.
  • the second layer has been produced from an initial layer using a MAO method such that the first layer and the second layer result. That is, the first layer and the second layer were both formed from an initial layer in which a part of the starting layer was oxidized to the second layer by a MAO method.
  • the remaining, unoxidized part of the starting layer forms the first layer comprising or consisting of titanium in the coated substrate according to the invention.
  • the starting layer, from which the first layer and the second layer result substantially corresponds in their chemical composition to the first layer.
  • the starting layer also comprises titanium or consists of titanium.
  • MAO method refers to the "micro-arc oxidation" (MAO).
  • plasma electrolytic oxidation is an electrochemical surface treatment process for producing oxide layers on metals.
  • the MAO process can basically be compared with anodizing, but uses significantly higher voltages There are discharges that modify the structure of the resulting oxide layer or the surface by the resulting plasma.
  • FIG. 1 An exemplary schematic structure of the MAO method can be seen in FIG.
  • the substrate to be coated (1) is connected as an anode to a power supply (8) and entered into an electrolyte (3).
  • the cathode (2) is formed of elemental titanium.
  • the stirring conditions (4), the thermometer (5), the water-cooled pump (6) and the magnetic stirring plate (7) allow further adjustment of the coating conditions.
  • the MAO process thus combines the electrochemical oxidation of the surface with a high voltage spark treatment and therefore results in a characteristic surface morphology and structure of the oxide layer.
  • the MAO process produces thick, compact oxide layers with a porous character, the titanium oxide layer also being sulfur-free in particular.
  • the characteristic morphology of the surface obtained results from the spark discharge in the MAO process. This discharge penetrates into the layer to be oxidized and leaves a crater-shaped recess. Around the recesses arise from the repressed material thick and compact oxide layers that sometimes protrude from the original surface.
  • the person skilled in the art is able to ascertain whether a layer has been produced by the MAO method by means of the optical, in particular light microscopic, inspection of the surface or of the cross section of the layer in the form of a grinding electron microscope.
  • coated substrates according to the invention comprising as substrate a base body and arranged thereon a first layer comprising or consisting titanium and a second layer comprising or consisting of titanium oxide, wherein the second layer has been formed from an initial layer using a MAO process such that the first layer and the second layer result.
  • the surprisingly advantageous properties are presumably encompassed or comprised by the particular structure of the second layer produced by means of the MAO process made of titanium oxide.
  • the process-related crater-shaped recess and the resulting high surface as well as the presence of good anchoring possibilities are presumably responsible for this surprising effect.
  • Preferred is a coated substrate according to the invention (preferably as referred to above as preferred), wherein the coated substrate is an implant.
  • a coated substrate according to the invention preferably as described above as being preferred
  • the basic body being> 80% by weight, preferably> 90% by weight, more preferably> 99% by weight, based on the total mass of the main body.
  • the basic body being> 80% by weight, preferably> 90% by weight, more preferably> 99% by weight, based on the total mass of the main body.
  • Corresponding preferred coated substrates according to the invention are particularly advantageous because their mechanical properties as well as their durability and durability, due to the high proportion of the stated materials in the total mass of the main body, significantly by the corresponding properties of the materials, i. of metals, ceramics, polymers and their composites. Metals, ceramics and polymers as well as their composites have particularly favorable mechanical properties for use as implants and are also superior to other classes of materials, such as glasses, in terms of their processability.
  • PEEK Polyetheretherketone
  • PEEK has a high resistance to solvents, strong acids and hydrolysis and is therefore advantageous. It is also characterized by a very low water absorption.
  • PEEK itself is biocompatible to some extent, so that the biocompatibility of the coated substrate is advantageously high, even if the main body is not completely covered by the second layer.
  • a substrate according to the invention preferably as described above as being preferred, wherein the base body comprises PEEK and a filler.
  • a coated substrate according to the invention Preference is given to a coated substrate according to the invention (preferably as described above as being preferred), wherein the first layer to> 70 wt .-%, preferably to> 80 wt .-%, more preferably to> 90 wt .-%, particularly preferably to> 95 wt .-% of titanium, based on the total mass of the first Layer. and / or wherein the first layer has a thickness in the range of 0.25 to 20 ⁇ , preferably 0.25 to 10 ⁇ , more preferably in the range of 1 to 6 ⁇ having.
  • Correspondingly preferred coated substrates according to the invention show in practice a particularly advantageous bond strength.
  • the underlying base body is oxidized in addition to the starting layer.
  • a first layer of the specified thickness remains under the second layer, as the remainder of the starting layer. Since the substantially ceramic or crystalline second layer often exhibits too little adhesion to the materials used in the base body, it is also advantageous if the first layer retains a minimum thickness, i. if the oxidation does not occur during the production of almost the entire starting layer.
  • the thickness of the layer is determined as the average thickness of the layer with the scanning electron microscope on a cut (cross-section) and ground coated substrate.
  • the thickness of the layer is determined at 20 different points of the coated substrate viewed in cross-section, and the arithmetic mean is formed.
  • the features described above as being preferred are combined with one another, that is to say preferably a coated substrate according to the invention (preferably as referred to above as preferred), the first layer being> 80% by weight, more preferably> 90% by weight, is particularly preferably to> 95 wt .-% of titanium, based on the total mass of the first layer and wherein the first layer has a thickness in the range of 1 to 6 ⁇ .
  • a coated substrate according to the invention preferably as described above as being preferred, wherein the second layer to> 60 wt .-%, preferably to> 70 wt .-%, more preferably to> 80 wt .-%, particularly preferably to> 90 wt .-% of titanium oxide, based on the total mass of the second Layer, and / or wherein the second layer has a thickness in the range of 0.1 to 100 ⁇ , preferably in the range of 0.5 to 50 ⁇ , more preferably in the range of 0.5 to 20 ⁇ .
  • the second layer has a particularly high proportion of titanium oxide.
  • the presence of other compounds in the second layer may adversely affect the biocompatibility and / or sterilizability of the coated substrate.
  • the specified thickness ranges for the second layer are preferred because smaller thicknesses of the layer result in incomplete embossing of the properties of the second layer.
  • the formation of pores in the surface of the second layer due to the MAO process is sometimes incomplete at lower layer thicknesses.
  • Particularly large layer thicknesses prove to be considerably more expensive not only in the production, but can also reduce the bond strength of the coated substrate in some cases, since the cohesion in thick ceramic or crystalline layers may be deteriorated.
  • there is a less favorable surface-to-volume ratio i.e., to the mass of the second layer and to the material footprint needed in manufacture), so that corresponding preferred substrates are particularly efficient in terms of material requirements.
  • the thickness of the layer is determined as the average thickness of the layer with the scanning electron microscope on a cut and ground coated (cross-section) substrate.
  • the thickness of the layer is determined at 20 different points of the coated substrate viewed in cross-section, and the arithmetic mean is formed.
  • a coated substrate according to the invention is preferably (preferably as described above as preferred), the second layer being> 70% by weight, more preferably> 80% by weight, particularly preferably to> 90 wt .-% of titanium oxide, based on the total mass of the second layer, and wherein the second layer has a thickness in the range of 0.5 to 50 ⁇ , more preferably in the range of 0.5 to 20 ⁇ .
  • a coated substrate according to the invention wherein the second layer has MAO pores, the ratio of depth t, determined as the difference between the highest point on the ridge of the pore and its lowest point, to the largest Diameter d, determined on the ridge of the pore in the vertical plan view, is> 0.5, preferably> 1, more preferably> 2, wherein the number of MAO pores preferably in the range of 200 to 2500 MAO pores per cm 2 , more preferably in Range of 500 to 1500 MAO pores per cm 2 , more preferably in the range of 600 to 800 MAO pores per cm 2 , wherein preferably the base of the MAO pores of titanium oxide is formed, wherein preferably the surface portion of the surface of the substrate with MAO pores is 1-30 (area)%, preferably 2-15 (area)%, more preferably 3-10 (area)%, and / or wherein the second layer is> 40%, preferably> 50%, more preferred > is 60% crystalline and / or wherein the second layer comprises calcium
  • the ridge of the pore is, in the case of doubt, the one closed theoretical line which is arranged around the MAO pore on the sample surface such that a) all of the areas of the MAO pore enclosed in the vertical plan view by the line b) any change in the arrangement of the line (eg by moving the existing line or by enlarging or reducing the line) leads to a decrease in the average height of the burr, c) and the in the vertical plan view enclosed area is minimal.
  • the height is determined in each case along an axis that connects the lowest point of the MAO pore with the center of the area enclosed by the ridge in the vertical plan view.
  • the surface of the second layer is significantly determined by the MAO method used in the production of the second layer, the second layer advantageously having MAO pores.
  • MAO pores are characterized by a ratio of depth t, determined as the difference between the highest point on the ridge of the pore and its lowest point, to the largest diameter d, determined at the ridge of the pore in the vertical plan view,> 0.5.
  • a high biocompatibility and sterilizability is particularly evident when the number of MAO pores in the range of 200 to 2500 MAO pores per cm 2 . This is probably due to the fact that the coated substrate has a particularly high surface area, which offers many anchoring possibilities. However, the porosity of the second layer must not be too high, since otherwise the bond strength of the coated substrate, in particular the cohesion in the second layer, is reduced.
  • the number of MAO pores is determined on a scanning electron micrograph of the surface (FEI Helios 600 field emission scanning electron microscope (DualBeam), acceleration voltage 0.35-30 KV, working distance 1-10 mm, resolution 0.9 nm at 15 KV , direct supervision).
  • the number of pores is automatically counted on the generated SEM images in Image J (freeware for download on the internet, developed by the National Institutes of Health NIH, USA).
  • the size ratios of the image are determined by calculating the pixels of the size bar.
  • the pores are determined in a binary image.
  • the function "Image, Threshold” is used, whereby the darkly deposited areas, ie the holes or pores, are selected from the existing image.
  • the "Analyze Particles" function automatically counts the pores.
  • the reason for MAO pores is also covered by a titanium oxide layer, so that also at the bottom of the MAO pores, i. on the whole surface of the coated substrate, the benefits of the titanium dioxide coating result.
  • the coverage of the surface of the coated substrate with MAO pores is a measure of the number and size of pores produced by the MAO method and indicates the ratio of the opening area of all MAO pores to the total surface of the substrate in the vertical plan view.
  • To determine the occupation of the surface is on a scanning electron micrograph of the surface (field emission scanning electron microscope brand FEI Helios 600 (DualBeam), acceleration voltage 0.35 - 30 kV, working distance 1 - 10 mm, resolution: 0.9 nm at 15 kV, direct Supervision) of the MAO pores occupied proportion of the considered total surface determined.
  • the occupied area is automatically evaluated on the generated SEM images, as explained above, automatically in Image J (freeware for download on the Internet, developed by the National Institutes of Health NIH, USA).
  • the occupation of the surface of the substrate with MAO pores thus characterizes, within the meaning of the present application, the porosity, ie the filling, of the uppermost layer of the second layer in the 2D projection.
  • the second layer be largely crystalline.
  • a particularly pronounced surface hardness is also evident, as a result of which a particularly positive resistance is achieved.
  • crystalline titanium dioxide in contrast to amorphous titanium dioxide, becomes particularly thermodynamically stable, so that particularly stable coated substrates are obtained.
  • Coated substrates according to the invention are preferred if the second layer comprises, in addition to the titanium oxide, also calcium phosphate, in particular hydroxylapatite.
  • the presence of calcium phosphate is particularly advantageous because calcium phosphate is an additional bioactive substance present on the surface of the coated substrate.
  • the calcium phosphate in many cases leads to improved cell adhesion to the coated substrate.
  • correspondingly preferred coated substrates can be produced particularly simply if the MAO process takes place in an electrolyte which comprises calcium and phosphate ions.
  • Coated substrates according to the invention which have a nanostructured and partially crystalline TiO 2 surface which is nanostructured by means of the MAO process and which have a photocatalytic activity in conjunction with the photocatalytic activity of titanium dioxide are also preferred.
  • This photocatalytic activity of the second layer is advantageous because in this way the sterilization of the coated substrate can take place, for example, by UV light or can be assisted by UV light.
  • a coated substrate according to the invention Preference is given to a coated substrate according to the invention (preferably as described above as preferred), the starting layer being produced using a PVD or CVD process, preferably a PVD process, particularly preferably a sputtering process.
  • the starting layer being produced using a PVD or CVD process, preferably a PVD process, particularly preferably a sputtering process.
  • the coating substrates according to the invention are advantageous because they exhibit a high bond strength.
  • both the first layer and the second layer result from the initial layer applied to the base body whose surface is oxidized by the MAO method.
  • the adhesion between the first layer and the base body is thus also substantially determined by the method by which the starting layer was produced.
  • the starting layer from which the first layer and the second layer result is produced using a PVD method or a CVD method. These terms refer to physical or chemical vapor deposition processes. Corresponding methods are known to the person skilled in the art.
  • the production of the starting layer with the aid of these methods is preferred because PVD and CVD methods enable a simple and reliable coating of the main body and in particular lead to a particularly uniform, dense and low-defect starting layer with a very precisely adjustable chemical composition.
  • the adhesion of corresponding layers on the base body is particularly high.
  • a particularly advantageous second layer can be produced by the MAO method, which has a high adhesion to the main body together with the remaining first layer.
  • sputtering process which is also referred to as cathode sputtering.
  • metal atoms are dissolved out of a solid by bombardment with high-energy ions and converted into the gas phase.
  • the leached atoms By deposition of the leached atoms on the surface of the body, the corresponding layer is produced.
  • the method used for producing the starting layer influences the structure and the properties of the first layer resulting from the starting layer and can be recognized in the coated substrates according to the invention from the properties of the first layer.
  • a coated substrate according to the invention preferably as described above as preferred
  • the starting layer being produced using a PVD or CVD method, preferably an electric field between the substrate and a counterelectrode by a bias voltage was generated.
  • a coated substrate according to the invention wherein the surface of the base body has been modified completely or at least in areas by mechanical treatment and / or chemical treatment prior to coating, wherein preferably the surface in the modified regions an average roughness Rz in the range of 1 to 200 ⁇ , preferably in the range of 2 to 100 ⁇ , and / or wherein the surface of the base body has been modified prior to coating wholly or at least in areas by plasma etching and / or wherein between the base body and the first layer, a third layer is arranged, which using a PVD method or CVD Method, wherein the third layer was preferably produced by the PECVD method, wherein the third layer was particularly preferably produced using a bias voltage and / or wherein the third layer preferably consists of inorganic materials and / or preferably a layer thickness ⁇ 1 ⁇ has.
  • Correspondingly preferred coated substrates according to the invention are advantageous because they have a particularly high adhesion between the main body and the first layer, so that a particularly high bond strength results.
  • the reason for this advantageous property is the preceding surface activation of the main body, which results in an improved adhesion of the applied starting layer or the first layer on the main body. At this interface, the least cohesiveness of the system is often seen, so that improving the adhesion at this interface directly improves the overall bond strength of the coated substrate.
  • the mechanical and / or chemical treatment of the surface of the main body in addition to a cleaning of the main body, there is a roughening of the surface and thus an increase in surface area.
  • the adhesion between two layers is regularly proportional to the surface of the contact surface, so that the advantageous bond strengths of coated substrates according to the invention can be explained thereby.
  • Methods for mechanical treatment are known in the art and include, for example, grinding or turning.
  • the chemical treatment is carried out by contacting the surface of the base body with a reactive with respect to the base body chemical and is also referred to as pickling.
  • the chemical used is, for example, a strong acid or a strong alkali.
  • the average roughness depth Rz is the sum of the height of the largest profile peak and the depth of the largest profile valley within a single measurement distance l r , where I give Rz from averaging the results of 5 individual measurement sections.
  • the height of the largest profile peak and the depth of the largest profile valley are determined for each of the 5 individual measuring sections on a truncated (cross-section) and ground base body.
  • the surface of the base body can preferably also be activated by plasma etching, so that preferred coated substrates according to the invention with a particularly high durability and bond strength are obtained.
  • plasma etching for plastic substrates, since in addition to the cleaning and roughening effect, these also result in a chemical modification of the surface by the reactive species contained in the plasma, which permit a further chemical or physical connection of the later applied starting layer ,
  • a high bond strength can also be realized by the application of an adhesion-promoting third layer by means of a PVD or CVD process. This process is often also included in the area of surface activation.
  • an adhesion-promoting third layer is applied to the surface of the base body, which exhibits a higher adhesion to the base body and to the starting layer, or the first layer, than the starting layer or the first layer to the base body shows.
  • Corresponding adhesion-promoting layers are preferably made of inorganic materials and are known to the person skilled in the art.
  • Corresponding preferred substrates coated according to the invention thus have a corresponding third layer between the base body and the first layer.
  • the thickness of the third layer is ⁇ 1 ⁇ m. It is particularly advantageous if the third layer has been produced by the PECVD method, ie by plasma-assisted chemical vapor deposition.
  • the dissociation of the molecules of the reaction gas takes place in the PECVD method by the accelerated electrons in the plasma. In the plasma, radicals and ions are generated, which cause the layer deposition on the substrate.
  • the gas temperature in the plasma increases advantageously only slightly, so that in contrast to the CVD method and more temperature-sensitive materials can be coated.
  • the construction of a corresponding preferred coated substrate according to the invention is shown schematically in FIG. 2, part e).
  • the third layer (2), the first layer (3) and the second layer (4) are arranged on the base body (1).
  • a coated substrate according to the invention preferably as described above as preferred
  • the main body based on the total mass of the main body to> 99.9% by weight of polyetheretherketone and wherein disposed between the base body and the first layer, a third layer is, which was produced using the PECVD method, wherein the third layer was preferably produced using a bias voltage and / or wherein the third layer is preferably made of inorganic materials and / or preferably has a layer thickness ⁇ 1 ⁇ .
  • Correspondingly preferred coated substrates according to the invention are advantageous because they have a particularly high adhesion between the base body and the layers arranged thereon and a particularly high corrosion stability.
  • the coating using the PECVD method results in a particularly large contact area between the base body and the third layer, as well as a particularly intimate toothing between the base body and the third layer, which leads to a particularly high bond strength.
  • This beneficial effect is achieved by coating and surface activation in the PECVD process in one step, i. at the same time.
  • a bias voltage ie an acceleration voltage between the substrate and the electrode
  • the concentration of the components of the third layer in the near-surface regions of the body ie Area of the main body at the contact surface to the third layer, compared to the rest of the base body is increased.
  • a coated substrate according to the invention preferably as referred to above as preferred, wherein the concentration of constituents of which the third layer consists, is increased in the surface of the body to a depth of 20 ⁇ compared to the rest of the base body.
  • a coated substrate according to the invention preferably as described above as preferred
  • the composite of base body, and all layers having an adhesive strength of> 3 MPa, preferably> 4 MPa, and / or a cohesive failure in the base body when subjected to tensile stress perpendicular to the substrate surface he follows.
  • Correspondingly preferred coated substrates according to the invention are particularly advantageous because the adhesion of the biocompatibility and sterilizability-related layers is particularly high and corresponding coated substrates are thus particularly resilient, without resulting in a failure of the coating, for example by chipping.
  • Corresponding substrates coated according to the invention are therefore also suitable for particularly demanding applications in which the coated substrates are exposed to strong mechanical loads for extended periods of time.
  • Coated substrates according to the invention are also particularly advantageous since the load-bearing capacity of the corresponding substrate is essentially determined by the mechanical properties of the base body and the adhesion of the coating to the base body is greater than the cohesion forces in the base body itself. This leads to a cohesive fracture in the base body. before there is a failure of the coating. This is particularly favorable for the processing and the adaptation of the coated substrates to the requirements imposed in practice.
  • the coated substrates according to the invention and preferred coated substrates are characterized by a layer structure, wherein the first layer lies between the base body and the second layer, wherein an optionally present third layer lies between the base body and the first layer.
  • a coated substrate according to the invention (preferably as referred to above as preferred), wherein the base body based on the total mass of the main body to> 99% by weight, consists of polyetheretherketone and / or wherein the first layer to> 95 wt .-% of titanium, based on the total mass of the first layer and / or wherein the second layer to> 90 wt .-% of titanium oxide, based on the total mass of the second layer and / or wherein the first layer is disposed completely between the substrate and the second layer and / or wherein the output layer has been produced using a sputtering method.
  • the present invention relates to a method for producing a coated substrate according to one of the preceding claims, comprising the steps of: a) providing a base body b) coating the base body with an initial layer comprising or consisting of titanium c) oxidizing the side of the starting layer facing away from the base body using a MAO process to produce a second layer comprising or consisting of titanium oxide and a first layer comprising or consisting of titanium.
  • the process according to the invention is particularly advantageous because it is particularly simple and not susceptible to disturbances and can be carried out using established coating processes.
  • the process is particularly process-safe and leads to products with a particularly constant quality.
  • the method has a high flexibility with respect to the body to be used.
  • a process according to the invention (preferably as described above as preferred) is preferred, the basic body being> 80% by weight, preferably> 90% by weight, more preferably> 99% by weight, based on the total mass of the main body, particularly preferably to> 99.9 wt .-%, consists of one or more materials selected from the group consisting of metals, ceramics, polymers and their composites, preferably consists of polymers or steels, more preferably consists of polyetheretherketone and / or wherein the coated substrate is an implant and / or wherein the starting layer to> 70 wt .-%, preferably to> 80 wt .-%, more preferably to> 90 wt %, more preferably> 95 wt .-% of titanium, based on the total mass of the first layer and / or wherein the second layer to> 50 wt .-%, preferably to> 70 wt .-%, more preferably to> 80 wt .-%, particularly preferably to> 90
  • a correspondingly preferred process according to the invention is advantageous because this process can be used to produce preferred coated substrates according to the invention, as disclosed above.
  • the advantages disclosed above apply correspondingly to the preferred method according to the invention.
  • a process according to the invention (preferably as described above as preferred) is preferred, the coating in step b) being carried out using a PVD process or CVD process, preferably a PVD process, particularly preferably a sputtering process, and / or or wherein before step b) the surface of the main body is completely or at least modified in areas by mechanical treatment and / or chemical treatment and / or plasma etching and / or wherein before step b) the main body is coated with a third layer, wherein the third Layer is produced using a PVD method or CVD method, preferably using the PECVD method, wherein the third layer is particularly preferably produced using a bias voltage and / or consists of inorganic materials and / or a layer thickness ⁇ 1 ⁇ has.
  • a PVD process or CVD process preferably a PVD process, particularly preferably a sputtering process, and / or or wherein before step b) the surface of the main body is completely or at least modified in areas by mechanical treatment and /
  • a correspondingly preferred process according to the invention is advantageous for the reason that preferred coated substrates according to the invention, as disclosed above, can be prepared by this process.
  • the advantages disclosed above apply correspondingly to the preferred method according to the invention.
  • correspondingly preferred processes according to the invention are also particularly advantageous because the use of surface activation processes, ie by mechanical treatment, chemical treatment, plasma etching and / or the application of an adhesion promoter layer, significantly increases the process reliability, since it is improved by the improved adhesion of the coating at the base body comes to a lesser extent at reject and misproduction.
  • FIG. 2 schematically shows the substrates obtained as intermediates or final products in an exemplary preferred process according to the invention.
  • Part a) shows schematically the untreated and uncoated body (1).
  • the surface of the base body is roughened in part b) and coated in part c) with a third layer (2) acting as an adhesion promoter.
  • part d) the application of the starting layer takes place on the third layer.
  • step e) the first layer (3) and the second layer (4) are produced from the starting layer by the MAO method, so that a coated substrate according to the invention is obtained.
  • the base body comprising PEEK and a filler.
  • the present invention relates to the use of the MAO method for producing a coated substrate according to the invention and / or in a method according to the invention.
  • the use according to the invention of the MAO process is particularly advantageous because it can be carried out for producing a substrate according to the invention and / or in a method according to the invention.
  • Part of the invention is also the use of a coated substrate according to the invention as an implant.
  • the coating to be provided according to the invention is particularly well sterilizable and biocompatible, so that it is of course particularly suitable for the stated purpose.
  • FIG. 1 schematically discloses an exemplary structure of the MAO method.
  • the substrate to be coated (1) is connected as an anode to a power supply (8) and entered into an electrolyte (3).
  • the cathode (2) is formed of elemental titanium.
  • the stirring conditions (4), the thermometer (5), the water-cooled pump (6) and the magnetic stirring plate (7) allow further adjustment of the coating conditions.
  • FIG. 2 schematically discloses the substrates obtained as intermediates or final products in an exemplary preferred process according to the invention.
  • Part a) discloses schematically the untreated and uncoated body (1).
  • the surface of the base body is roughened in part b) and coated in part c) with a third layer (2) acting as an adhesion promoter.
  • the application of the starting layer takes place on the third layer.
  • the first layer (3) and the second layer (4) are produced from the starting layer by the MAO method, so that a coated substrate according to the invention is obtained.
  • composition of the substrate as well as of all layers takes place by the combination of REM / EDX with XPS as explained below by way of example.
  • the surface is examined for its elemental composition with XPS. Thereby, the information of the chemical bonding of the elements is obtained.
  • Each element determined has a specific binding energy which is characteristic of it and thus also serves for analysis.
  • XPS measurements were carried out using the KRATOS AXIS Ultra spectrometer from Kratos Analytical. The calibration of the meter was made so that the aliphatic portion of the C 1s peak is 285.00 eV.
  • the analysis chamber was equipped with an X-ray source for monochromatized Al ⁇ radiation, an electron source as a neutralizer and a quadrupole mass spectrometer.
  • the system had a magnetic lens, which focused the photoelectrons via an entrance slit in a hemispherical analyzer. During the measurement, the surface normal pointed to the entrance slot of the hemisphere analyzer.
  • the pass energy was 160 eV when determining the molar ratios. In determining the peak parameters, the pass energy was 20 eV each.
  • the reference material used was the polydimethylsiloxane silicone oil DMS-T23E from Gelest Inc. (Morrisville, USA).
  • This trimethylsiloxy-terminated silicone oil has a kinematic viscosity of 350 mm 2 / s ( ⁇ 10%) and a density of 0.970 g / mL at 25 ° C and an average molecular weight of about 13650 g / mol.
  • the selected material is characterized by an extremely low level of volatiles: after 24 hours at 125 ° C and 10 ⁇ 5 Torr vacuum, less than 0.01% volatiles were detected (per ASTM-E595-85 and NASA SP-R0022A ).
  • the silicone oil was applied by means of a spin-coating process as a 40 or 50 nm thick layer on a silicon wafer; In this case, hexamethyldisiloxane was used as the solvent.
  • the procedure described above gives the silicone oil DMS-T23E the atomic composition given in Table 1. The binding energies of the electrons are also listed.
  • Example 1 The invention will be further explained by means of exemplary embodiments.
  • Example 1 The invention will be further explained by means of exemplary embodiments.
  • Example 1 Example 1 :
  • a base body consisting of> 99% by weight of PEEK (PEEK substrate) is provided in a first step with an adhesion-promoting layer.
  • the substrate is coated by means of an ion-assisted radio frequency (RF) plasma polymerization process.
  • RF radio frequency
  • Hexamethyldisiloxane (HMDSO) and oxygen are used as precursors for the primer layer.
  • the plasma reactor has a volume of 50 cm x 50 cm x 50 cm and is evacuated by means of a turbo pump (520 l / s).
  • the substrates are mounted on the 30 cm x 20 cm electrode plate.
  • the magnetron has a diameter of 250 mm.
  • metallic titanium purity: 99.9%
  • working gas after reaching the base pressure of 1 * 10 6 mbar, argon is added to the chamber at a flow of 120 sscm.
  • the sputtering power is constant at 2000 W.
  • a distance of 45 cm from the target and the substrate is selected so that no thermal loading of the PEEK substrate takes place. After a process time of 2 hours, a 4 ⁇ thick titanium layer is obtained on the PEEK substrate.
  • a base body consisting of> 99% by weight of PEEK (PEEK substrate) is provided in a first step with an adhesion-promoting layer.
  • the substrate is coated by means of an ion-assisted radio frequency (RF) plasma polymerization process.
  • RF radio frequency
  • Hexamethyldisiloxane (HMDSO) and oxygen are used as precursors for the primer layer.
  • the plasma reactor has a volume of 50 cm x 50 cm x 50 cm and is evacuated by means of a turbo pump (520 l / s).
  • the substrates are mounted on the 30 cm x 20 cm electrode plate.
  • the metallization of the precoated PEEK substrate is carried out in the same reactor by DC-Magentronsputter.
  • the magnetron has a diameter of 250 mm.
  • metallic titanium purity: 99.9%
  • As working gas after reaching the base pressure of 1 * 10 6 mbar, argon is added to the chamber at a flow of 120 sscm.
  • the sputtering power is constant at 3000 W.
  • a distance of 45 cm from the target and the substrate is selected so that no thermal loading of the PEEK substrate takes place. After a process time of 15 hours, a 4 ⁇ thick titanium layer is obtained on the PEEK substrate.
  • Example 1 and Example 2 were treated by the MAO method to obtain the samples E1 and E2.
  • a calcium phosphate electrolyte was used for MAO treatment.
  • a two-electrode circuit (working electrode, counter electrode) was used and the device was additionally earthed with a protective contact on a socket.
  • the substrates prepared in Example 1 and Example 2 served as the working electrode / anode, whereas another titanium sheet was used as the counter electrode / cathode.
  • the entire system was cooled during the measurement with circulating ice water to compensate for the temperature increase during the treatment and to ensure a temperature of 17-30 ° C.
  • Example 1 With increasing anode potential, the growth of an anodic oxide layer takes place on the surface, which initially impedes the charge exchange between anode and cathode. As soon as the current rises, the phase of the plasma electrolytic oxidation begins with optical and acoustic spark discharge.
  • the substrates prepared in Example 1 and Example 2 were coated with a 5 ⁇ m thick second layer comprising or consisting of titanium oxide.
  • the substrate E1 coated according to the invention obtained according to Example 3 was tested for its biocompatibility and toxicity by means of different cell biological investigations. The comparison is made with sample V1 (uncoated PEEK substrate).
  • the medium was supplemented with 10% fetal bovine serum supplemented with 100 U penicillin and 100 ⁇ g / ml streptomycin.
  • the incubation was carried out in a 5% CO2 cell-type hyperbola in Cu Safe MCO-18 AIC (Sanyo Electric Co., Moriguchi, Japan) with IR sensor at a temperature of 37 ° C.
  • the humidity regulated a water bath GFL 1003 (Gesellschaft für Labortechnik GmbH, Burgwedel, Germany).
  • the behavior of the osteoblasts MG-63 was investigated according to the standard collection of DIN EN ISO 10993-5.
  • the preparation of the cell cultures was carried out under a sterile deduction Micro HERBASE Safety Cabinet HERAsafe® KS18 (Thermo Scientific, Waltham, USA).
  • the incubation was carried out in the 5% CO2 cell leucubator in Cu Safe.
  • 10 ml of medium and 4.5 ml of cell suspension - 3.3 x 10 5 cells per 1 ml were applied to each sample.
  • the incubation time of the substrates was 24 hours.
  • the cells were fixed after 24 hours on the surface of the substrates with 4% formaldehyde for 10 minutes.
  • the Zeiss microscope Axiolmager M1 with AxioCam MRC digital camera and the software Axio Vision equipped with a mercury vapor lamp of the company X-Cite 120 series, UV-filter 600 and 400 nm, 2/3 "CCD sensor with 6, 45 ⁇ x 6.45 ⁇ large pixels and RGB color filters.
  • sample E1 To quantify the increased biocompatibility of sample E1, a cell count was made. Three samples each were taken here for each of the samples E1, V1 and V3, three of which were taken in each case.
  • the cell count was carried out with the freely available program ImageJ. The images of the cell nuclei are first converted to a binary mode to count out the nuclei with the "Analyze Particle" command.
  • the cytotoxicity was tested indirectly according to the standard collection DIN EN ISO 10993-5 (2009).
  • the fibroblasts L929 were incubated in the incubator under physiological conditions at 37 ° C. and 5% CO 2 according to DIN EN ISO 10993-12 (2007) in 2 ml medium.
  • the cell medium was adjusted to a cell density of approximately 10 4 cells per sample area (1.5 cm 2 ).
  • the complete substrate was incubated in the cell suspension and thus possible toxic components from the entire substrate dissolve into the cell suspension and not only from the surface to be examined.
  • the cytotoxicity of the samples can be examined with the reagent WST-1.
  • the colorless reagent is used in the experiment as an indicator for the quantitative determination of viable cells.
  • the tetrazolium salt (colorless to slightly red) is degraded by the mitochondrial dehydrogenase in living cells to a formazan derivative and then appears intensely red.
  • the obtained cell medium was left with 100 ⁇ WST-1 reagent for 3 hours in the incubator under given conditions.
  • the obtained red formazan could be measured in the spectrometer with a wavelength of 450 nm and 620 nm as the background and by the optical density be determined.
  • the viability value of the cells should not be less than 70% compared to the negative control.
  • a negative control serves as a viability value with 100% living cells.
  • the evaluation of the data was carried out according to DIN EN ISO 10993-5 using the multimode reader software MikroWin 2000 (BioTek Instruments, Bad Friedrichshall, Germany).
  • the formula for calculating the viability of the cells in the cytotoxicity test with respect to 100% of the negative control is (OD45o nm : mean absorbance of the negative control, OD45o s : mean absorbance of the samples
  • the negative control assumes a value of 100% and the positive control a value of about 0-5%.
  • the negative control serves as a reference in which all cells can be considered live.
  • the positive control generates dead cells and serves to demonstrate the functionality of the detection method.
  • the investigated samples E1 and V1 have a comparable value of about 90% of the viability.
  • a decrease in cell viability to not less than 70% indicates a non-toxic effect.
  • values greater than or equal to 70% are biocompatible compared to the negative control.
  • the examined substrates have a very high viability of the applied cells, indicating that the cells are not adversely affected by the surfaces.
  • the cells are live on the samples and can thus grow well on the implant. If the cells already have a high level of vitality in direct contact with the implant surface, it can be assumed that the tissue in the area of the implantation is also compatible with the implant.
  • Photocatalytic activity was measured by monitoring the degradation of aqueous methylene blue (MB, AppliChem GmbH, Darmstadt, Germany).
  • a UV / Vis Cary® 50 Conc spectrometer (Varian Inc., Agilent Technologies, Santa Clara, USA) was used to obtain the change in absorption of methylene blue after UV illumination.
  • Sample E1 and an uncoated titanium substrate as reference material were placed in 3 ml of the prepared 37 mM methylene blue solution (MB) and irradiated with a 25 W UV lamp (black light) (Phillips, Germany). After each one day, the solution from each sample was measured with the UV / Vis spectrometer. Since MB has an absorption peak at about 664 nm, the region was recorded from 450 nm to 800 nm with the spectrometer.
  • the reference material used was the photocatalytically active P25 AEROXIDE® (Evonik Industries AG, Essen, Germany, 80% anatase, 20% rutile).
  • the surface of the prepared substrate E1 was evaluated using the program ImageJ Version 1.48v (National Institute of Health, USA). The results are summarized in Table 5.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Substrat, umfassend als Substrat einen Grundkörper sowie darauf angeordnet eine erste Schicht umfassend oder bestehend aus Titan und eine zweite Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid, wobei die zweite Schicht unter Verwendung eines MAO-Verfahrens so aus einer Ausgangsschicht erzeugt wurde, dass die erste Schicht und die zweite Schicht resultieren.

Description

Beschichtetes Substrat mit titanhaltiger Beschichtung und modifizierter
Titanoxid beschichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Substrat sowie ein Verfahren zur Herstellung entsprechender beschichteter Substrate mit Hilfe eines MAO-Verfahrens (micro arc oxidation = MAO). Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Verwendung des MAO-Verfahrens.
Für Implantatmaterialien besteht aufgrund der weltweit steigenden Lebenserwartung und des höheren Durchschnittsalters der Bevölkerung in vielen Industrienationen zunehmender Bedarf.
Eine wesentliche Anforderung an Implantatmaterialien ist das Vorliegen einer hohen Biokompatibilität sowie eine ausreichende Sterilisierbarkeit und mechanische Stabilität. Als biokompatibel werden im Bereich der Implantate Materialien bezeichnet, die keinen negativen Einfluss auf den Empfänger (Mensch, Tier) haben und von diesem gut angenommen werden.
Insbesondere titanbasierte Materialien weisen eine exzellente Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit auf, und sind aus diesem Grund für Implantate besonders geeignet. Seit mehr als 50 Jahren wird Titan als Implantatmaterial verwendet (vgl. D. M. Brünette et al., Tita- nium in Medicine. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2001 ). Die Biokompatibilität von Titan und Titanlegierungen beruht im Wesentlichen auf zwei Punkten. Dies ist zum einen die sehr positive Gewebeantwort auf Titanoberflächen und zum anderen das Ausbleiben von allergischen/immunologischen Reaktionen. Die guten Korrosions- und biokompatiblen Eigenschaften dieser Werkstoffe sind dabei auf die Bildung einer Titan-basierten Oxidschicht (T1O2) auf der Oberfläche zurückzuführen.
Als nachteilig werden bei titanbasierten Anwendungsgegenständen, insbesondere bei Implantatmaterialien jedoch insbesondere die hohen Material- und Produktionskosten angesehen, die hauptsächlich durch die hohen Beschaffungs-und Verarbeitungskosten des Rohmaterials hervorgerufen werden. Zudem sind titanbasierte Materialien häufig mechanisch schwer zu bearbeiten und weisen nicht immer für alle Anwendungsszenarien optimale mechanische Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Dehnbarkeit und plastischer Verformbarkeit, auf.
Aus diesem Grund besteht ein Bedarf nach alternativen Implantatmaterialien. In der Medizintechnik (z.B. Prothetik und Frakturbehandlung) werden bereits Implantate aus metallischen und keramischen Werkstoffen eingesetzt. Diese zeigen unter physiologischen Bedingungen gute Korrosionseigenschaften und weisen eine gute Sterilisierbarkeit auf. Als Nachteil dieser Materialien werden häufig das relativ hohe Gewicht, die geringe Verformbarkeit und die nicht hinreichende Biokompatibilität angeführt.
Eine weitere mögliche Alternative stellen polymere Werkstoffe (d.h. Kunststoffe wie z.B. Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyethylen (PE)) dar, die seit einiger Zeit für Implantate genutzt werden (vgl. E. Wintermantel and S.-W. Ha, Medizintechnik: Life Science Engineering, 5th ed.: Springer, 2009). Diese Materialien werden aufgrund ihrer preisgünstigen und einfachen Herstellung sowie aufgrund ihrer günstigen Verarbeitungseigenschaften für eine breite Palette an Produkten, von Einwegartikeln bis hin zu Langzeit-Implantaten, eingesetzt. Hinsichtlich der Biokompatibilität und der Sterilisierbarkeit weisen polymere Werkstoffe jedoch zum Teil deutliche Nachteile gegenüber metallischen, insbesondere titanbasierten Werkstoffen auf, so dass diese mangelhaften Eigenschaften ihren Einsatz als Implantatmaterial derzeit stark einschränken.
Ein Beispiel für einen polymeren Werkstoff, der in bestimmten Bereichen der Medizintechnik als Nischenprodukt eingesetzt wird, sind PEEK-Materialien. Der Vorteil dieser Materialien beruht insbesondere auf den guten Materialeigenschaften und Verarbeitungsmöglichkeiten des PEEK. Implantate aus PEEK lassen sich im Vergleich zu Implantaten aus Titan deutlich kostengünstiger und einfacher herstellen. Nachteilig gegenüber dem Werkstoff Titan wirkt sich beim PEEK die geringere Biokompatibilität aus. Insbesondere kann die geringere Zelladhäsion auf PEEK Materialien zu einer Lockerung des gesamten Implantats führen, in welchem Fall beim Patienten betroffene Implantate ausgewechselt werden müssten (vgl. C.-M. Han et al., Biomaterials 31 (2010) 3465-3470; J. Althaus et al., Eur. J. Nanomed. 2012;4(1 ):7-15). Die jeweiligen Nachteile von polymeren und titanbasierten Werkstoffen können durch eine geeignete Kombination dieser beiden Werkstoffe aufgehoben werden, so dass die Vorteile beider Materialien zum Tragen kommen. So kann eine Steigerung der Biokompatibilität und der Sterilisierbarkeit von PEEK durch das Aufbringen einer dünnen Titanschicht erreicht werden, die sich grundsätzlich durch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung weiter optimieren lässt. Hierbei wird ausgenutzt, dass beide Eigenschaften im Wesentlichen von den Oberflächeneigenschaften des Implantats beeinflusst werden.
In der Patentliteratur wird die Beschichtung von Kunststoffen mit Titan durch unterschiedliche Verfahren, z.B. Sputtern, Plasma-Spritzen oder Plasma- Abscheidung, umfangreich beschrieben (vgl. EP 0631497 A1 , US 6322588 B1 , US 20060079900 A1 , US 20090054986 A1 , US 20090306782 A1 , WO 071 18856 A1 , US 20070259427 A1 , WO 2009068914 A1 , US 20100262244 A1 , WO 201 1 1 19617 A1 , US 20130030544 A1 , US 20130330688 A1 , WO 8606617 A1 ). Diese Beschichtung kann auch eine strukturierte Oberfläche aufweisen (vgl. WO 2009097968 A2). Die Titanschichten erfahren jedoch im Stand der Technik keine weitere Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Biokompatibilität oder Sterilisierbarkeit.
Die Beschichtung des Substrates mit Titan allein ist jedoch in einigen Fällen nicht ausreichend, um die Biokompatibilität zu gewährleisten. Zusätzlich ist dann eine Oberflächenmodifikation notwendig, um an der Oberfläche der beschichteten Substrate, beispielsweise durch eine Titanoxidschicht, eine hohe Biokompatibilität zu erzeugen.
Die Erzeugung einer biokompatiblen Ti02-basierten Schicht ist für titanbasierten Substrate aus dem Stand der Technik bekannt. Die Erzeugung erfolgt dabei durch micro-arc oxida- tion (MAO; vgl. RU 2385740 C1 , CN 103088348 A), durch Anodisation (CN 102912357 A) oder durch Sol-Gel-Verfahren (CN 102912357 A) beschrieben. Die DE 1020060131 15 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Oxidschichten auf Implantaten, insbesondere auf metallischen Grundkörpern, aus aufgebrachten Metallschichten, insbesondere Niob und Tantal, mittels Anodisierung, wobei insbesondere porenfreie Oxidschichten erzeugt werden. Zudem offenbaren die EP 02481 17 A2 und die WO 8905161 A1 die Erzeugung von Gleitschichten aus Oxiden der Elemente Ti, AI und Cr auf Titanimplantaten durch Abscheidung im Plasmastrom.
Als biokompatibles Material kann neben Titanoxid ebenfalls Calciumphosphat, bevorzugt in Form von Hydroxylapatit, eingesetzt werden, welches beispielsweise aus organischen Lösungsmitteln mit organometall-Precursoren auf Kunststoffen oder Metallen abgeschieden werden kann (vgl. US 201 10282095 A1 ). Auf Titansubstraten können Calciumphos- phat-basierte Schichten auch durch MAO-Verfahren erzeugt werden (US 20050019365 A1 ).
Sowohl für beschichtete als auch für unbeschichtete Kunststoffoberflächen finden sich in der Literatur nur wenige Arbeiten zur gezielten Oberflächenmodifikation (vgl. M. Knebel, „elements39 - Quaterly Science Newsletter", Evonik, 2, 2012; M. Becker et al., The Scientific World Journal, p. Article ID 616535, 2013; S. M. Kurtz and J. N. Devine, Biomaterials, vol. 28, no. 32, pp. 4845-4869, 2007; P. K. Chu et al., Materials Science and Engineering: R: Reports, vol. 36, no. 5-6, pp. 143-206, 2002). Die in der Literatur dargestellten Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, gleichzeitig sowohl die morphologischen als auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften der PEEK-Oberfläche gezielt zu modifizieren. Im Bereich der Oberflächenvorbehandlung von titanbasierten Implantaten kommen vorwiegend Strahlverfahren und nasschemische Ätzmethoden zum Einsatz (vgl. H. Kim et al., Biomedical Material, vol. 3, no. 2, p. 02501 1 , 2008; C. N. Elias et al., Journal of the Mecha- nical Behavior of Biomedical Materials, vol. 1 , no. 3, pp. 234-242, 2008). Eine weitere Möglichkeit zur Vorbehandlung von Titanwerkstoffen bieten unterschiedliche Anodisierpro- zesse, die in verschiedenen Elektrolyten multifunktionale Oberflächen erzeugen, welche gute biokompatible Eigenschaften aufweisen (vgl. V. M. Frauchiger et al., Biomaterials, vol. 25, pp. 593-606, 2004). Diese Verfahren sind jedoch nicht auf allen titanbeschichteten Substraten, insbesondere PEEK-Substraten, anwendbar. Zudem wurden durch Ionenimplantation von Titan in PEEK-Substrate strukturierte Oberflächen hergestellt (vgl. CN 103242551 A). Ebenfalls existieren Beschreibungen, Titanoxid aus einem organischen Lösungsmittel mit organometall-Precursor (vgl. US 20060161256 A1 ) oder mittels ionischer Plasmaabscheidung (US 20050003019 A1 ) auf Kunststoffoberflächen abzuscheiden.
Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen war es die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein beschichtetes Substrat, insbesondere zur Verwendung als Implantat anzugeben, das mehrere oder möglichst viele der folgenden Anforderungen erfüllt:
Herstellbarkeit mit einem effizienten und sicheren Verfahren, wobei hauptsächlich leicht verfügbare Materialien, deren Darstellung bzw. Gewinnung weniger aufwendig ist, als die Darstellung bzw. Gewinnung von Titan und die leichter verarbeitbar sind als Titan, zum Einsatz kommen;
Hervorragende mechanische Eigenschaften und ausgezeichnete Beständigkeit des beschichteten Substrates, insbesondere bei mechanischer Belastung;
Hohe Langzeitstabilität und hohe Zuverlässigkeit nach der Implantation;
Sehr gute Sterilisierbarkeit und/oder antibakterielle photokatalytische Eigenschaften;
Ausgezeichnete Biokompatibilität.
Darüber hinaus war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden beschichteten Substrates. Weitere (Teil-)Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und der vorliegenden Beschreibung. Die vorstehend genannten Aufgaben werden durch beschichtete Substrate, Verfahren und Verwendungen gelöst, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, insbesondere werden die Aufgaben gelöst durch ein beschichtetes Substrat umfassend als Substrat einen Grundkörper sowie darauf angeordnet eine erste Schicht umfassend oder bestehend aus Titan und eine zweite Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid, wobei die zweite Schicht unter Verwendung eines MAO-Verfahrens so aus einer Ausgangsschicht erzeugt wurde, dass die erste Schicht und die zweite Schicht resultieren.
Ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat umfasst als das zu beschichtende Substrat einen Grundkörper sowie auf diesem angeordnet zumindest zwei voneinander unterscheidbare, d.h. insbesondere bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung unterschiedliche, Schichten.
Bevorzugt sind dabei erfindungsgemäße beschichtete Substrate zur Verwendung als Implantat.
Der Grundkörper ist hinsichtlich seiner Abmessungen grundsätzlich nicht beschränkt.
Auf dem Grundkörper angeordnet ist eine erste Schicht umfassend oder bestehend aus Titan. Dies bedeutet, dass der Grundkörper ganz oder zumindest in Teilen mit einer ersten Schicht bedeckt ist, die sich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung von der Zusammensetzung des Grundkörpers unterscheidet.
Die erste Schicht besteht bevorzugt überwiegend (auf die Stoffmenge bezogen), besonders bevorzugt vollständig aus metallischem Titan, wobei der Fachmann versteht, dass durchaus geringe Verunreinigungen vorliegen können. Bevorzugt ist der Gehalt an solchen Verunreinigungen in der ersten Schicht < 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt < 0, 1 Gew.- %, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht.
Die erste Schicht kann auch lediglich Titan umfassen. Das Titan muss dabei in metallischer Form, das heißt als elementares Titan oder in Form einer Ti-Legierung vorliegen. Eine Schicht, die beispielsweise aus Titansulfid besteht und somit Ti-Atome umfasst, ist im Sinne der vorliegenden Erfindung keine erste Schicht umfassend Titan.
Die erste Schicht umfasst bevorzugt < 10 Gew.-% Niob und/oder Tantal, besonders bevorzugt < 5 Gew.-% Niob und/oder Tantal, insbesondere bevorzugt überhaupt kein Niob und/oder Tantal, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht.
Ebenfalls auf dem Grundkörper angeordnet ist eine zweite Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid. Das bedeutet, dass die Oberfläche des Grundkörpers bzw. die Oberfläche des Grundkörpers bedeckende erste Schicht ganz oder zumindest teilweise mit einer zweiten Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid überzogen ist.
Die zweite Schicht kann neben Titanoxid auch andere Verbindungen, insbesondere Calci- umphosphate, umfassen.
Der Begriff Titanoxid bezeichnet sämtliche binären chemischen Verbindungen der Elemente Titan und Sauerstoff, insbesondere jedoch Titan(ll)-Oxid, Titan(lll)-Oxid und Ti- tan(IV)-Oxid. Der Fachmann weiß, dass das bei der elektrochemischen Oxidation von Titan vornehmlich gebildete Oxid das Titan(IV)-Oxid ist. Es lässt sich jedoch nicht ausschließen, dass in geringem Maße auch Titanoxide gebildet werden, in denen das Titan eine Oxidati- onsstufe kleiner als 4 aufweist. Bevorzugt sind jedoch beschichtete Substrate, wobei die zweite Schicht Titan(IV)-Oxid, d.h. T1O2, umfasst oder aus Titan(IV)-Oxid besteht.
Bevorzugt umfasst die zweite Schicht zumindest eine der in der Natur vorkommenden Modifikationen des Titan(IV)-Oxids, d.h. bevorzugt umfasst die zweite Schicht Rutil und/oder Anatas und/oder Brookit. Besonders bevorzugt umfasst die zweite Schicht > 50 Gew.-%, besonders bevorzugt > 75 Gew.-%, Anatas, bezogen auf die Gesamtmasse der zweiten Schicht.
Erfindungsgemäß wurde die zweite Schicht unter Verwendung eines MAO-Verfahrens so aus einer Ausgangsschicht erzeugt, dass die erste Schicht und die zweite Schicht resultieren. Das bedeutet, dass die erste Schicht und die zweite Schicht beide aus einer Ausgangsschicht erzeugt wurden, in dem ein Teil der Ausgangsschicht durch ein MAO- Verfahren zu der zweiten Schicht oxidiert wurde. Der verbleibende, nicht oxidierte Teil der Ausgangsschicht bildet im erfindungsgemäßen beschichteten Substrat die erste Schicht umfassend oder bestehend aus Titan. Demnach entspricht die Ausgangsschicht, aus der die erste Schicht und die zweite Schicht resultieren, hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung im Wesentlichen der ersten Schicht. Dies bedeutet, dass auch die Ausgangsschicht Titan umfasst oder aus Titan besteht. Der Ausdruck„MAO-Verfahren" bezeichnet die„micro-arc oxidation" (MAO). Dieses Verfahren ist dem Fachmann auch als„plasma electrolytic oxidation" (PEO) bekannt. Es handelt sich um ein elektrochemisches Oberflächenbehandlungsverfahren zur Erzeugung von Oxidschichten auf Metallen. Das MAO-Verfahren kann grundsätzlich mit dem Anodisieren verglichen werden, verwendet jedoch deutlich höhere Spannungen, sodass es zu Entladungen kommt, die durch das resultierende Plasma die Struktur der gebildeten Oxidschicht bzw. der Oberfläche modifizieren.
Ein beispielhafter schematischer Aufbau des MAO-Verfahrens lässt sich Figur 1 entnehmen. Das zu beschichtende Substrat (1 ) wird als Anode mit einem Netzteil (8) verbunden und in einen Elektrolyt (3) eingegeben. Die Kathode (2) wird von elementarem Titan gebildet. Über den Rührfisch (4), das Thermometer (5), die Pumpe mit Wasserkühlung (6) und die Magnetrührplatte (7) lassen sich die Beschichtungsbedingungen weiter einstellen. Der MAO-Prozess kombiniert somit die elektrochemische Oxidation der Oberfläche mit einer Hochspannungsfunkenbehandlung und resultiert daher in einer charakteristischen Oberflächenmorphologie und Struktur der Oxidschicht.
Das MAO-Verfahren erzeugt im Gegensatz zur Anodisierung dicke, kompakte Oxidschichten mit porösem Charakter, wobei die Titanoxidschicht insbesondere auch schwefelfrei ist. Die charakteristische Morphologie der erhaltenen Oberfläche resultiert aus der Funkenentladung im MAO-Verfahren. Diese Entladung dringt in die zu oxidierende Schicht ein und hinterlässt eine kraterförmige Ausnehmung. Um die Ausnehmungen herum entstehen aus dem verdrängten Material dicke und kompakte Oxidschichten, die teilweise auch aus der ursprünglichen Oberfläche herausragen.
Der Fachmann ist durch die optische, insbesondere lichtmikroskopische, Inspektion der Oberfläche bzw. des Querschnitts der Schicht im Anschliff mit einem Rasterelektronenmikroskop in der Lage festzustellen, ob eine Schicht durch das MAO-Verfahren hergestellt wurde.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass, unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Grundkörpers, eine sehr gute Sterilisierbarkeit und eine ausgezeichnete Biokompatibilität sowie antibakterielle photokatalytische Eigenschaften mit erfindungsgemäßen beschichteten Substraten erzielt werden können, die als Substrat einen Grundkörper umfasst sowie darauf angeordnet eine erste Schicht umfassend oder bestehend aus Titan und eine zweite Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid, wobei die zweite Schicht unter Verwendung eines MAO-Verfahrens so aus einer Ausgangsschicht erzeugt wurde, dass die erste Schicht und die zweite Schicht resultieren.
Die überraschend vorteilhaften Eigenschaften werden vermutlich durch die besondere Struktur der mittels MAO-Verfahren erzeugten zweiten Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid verursacht. Hierbei sind vermutlich insbesondere die verfahrensbedingten kraterförmigen Ausnehmung und die resultierende hohe Oberfläche sowie das Vorliegen guter Verankerungsmöglichkeiten für diesen überraschenden Effekt verantwortlich.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei das beschichtete Substrat ein Implantat ist.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei der Grundkörper bezogen auf die Gesamtmasse des Grundkörpers zu > 80 Gew.-%, bevorzugt zu > 90 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 99 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 99,9 Gew.-%, aus einem oder mehreren Materialien besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Metallen, Keramiken, Polymeren und deren Kompositen, bevorzugt aus Polymeren oder Stählen besteht, besonders bevorzugt aus Polyetheretherketon besteht.
Entsprechende bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate sind besonders vorteilhaft, weil ihre mechanischen Eigenschaften sowie ihre Haltbarkeit und Beständigkeit, bedingt durch den hohen Anteil der angegebenen Materialien an der Gesamtmasse des Grundkörpers, maßgeblich durch die entsprechenden Eigenschaften der Materialien, d.h. von Metallen, Keramiken, Polymeren und deren Kompositen, bestimmt werden. Metalle, Keramiken und Polymere sowie deren Komposite weisen jeweils für den Einsatz als Implantat besonders günstige mechanische Eigenschaften auf und sind anderen Materialklassen, wie beispielsweise Gläsern, auch hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit überlegen.
Besonders bevorzugt sind hinsichtlich der Materialklasse für das Substrat Polymere und Stähle. Beide Materialklassen zeichnen sich durch eine hohe Verfügbarkeit, eine hohe Beständigkeit und eine leichte Verarbeitbarkeit aus. Besonders bevorzugt wird Polyetheretherketon (PEEK) eingesetzt, welches wegen seiner guten mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften bevorzugt ist. Zudem besitzt PEEK eine hohe Beständigkeit gegen Lösungsmittel, starke Säuren sowie gegen Hydrolyse und ist daher vorteilhaft. Es zeichnet sich zudem durch eine sehr geringe Wasseraufnahme aus. Des Weiteren ist PEEK selbst im gewissen Maße biokompatibel, sodass die Biokompatibilität des beschichteten Substrats vorteilhafterweise auch dann hoch ist, wenn der Grundkörper nicht vollständig von der zweiten Schicht bedeckt ist.
Bevorzugt ist auch ein erfindungsgemäßes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei der Grundkörper PEEK und einen Füllstoff umfasst.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die erste Schicht zu > 70 Gew.-%, bevorzugt zu > 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 95 Gew.-% aus Titan besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht. und/oder wobei die erste Schicht eine Dicke im Bereich von 0,25 bis 20 μιη, bevorzugt 0,25 bis 10 μιη, weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 6 μιη, aufweist.
Entsprechend bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate zeigen in der Praxis eine besonders vorteilhafte Verbundfestigkeit. Bei der Oxidation mit Hilfe des MAO- Verfahrens sollte beachtet werden, dass neben der Ausgangsschicht nicht auch der unterliegende Grundkörper oxidiert wird. Aus diesem Grund ist es zielführend, dass unter der zweiten Schicht, als Überrest der Ausgangsschicht, eine erste Schicht des angegebenen Dicken verbleibt. Da die im Wesentlichen keramische bzw. kristalline zweite Schicht häufig eine zu geringe Adhäsion zu den im Grundkörper eingesetzten Materialien zeigt, ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die erste Schicht eine Mindestdicke behält, d.h. wenn bei der Herstellung nicht die Oxidation nahezu der gesamten Ausgangsschicht erfolgt.
Aufgrund von Kosten- und Verfügbarkeitsaspekten sowie ggf. der nachteiligen Verarbeitungseigenschaften des Titans gegenüber dem Material des Grundkörpers können jedoch dickere Titanschichten nachteilig sein.
Die Dicke der Schicht wird als mittlere Dicke der Schicht mit dem Rasterelektronenmikroskop an einem durchgeschnittenen (Querschnitt) und angeschliffenen beschichteten Substrat bestimmt. Hierbei wird die Dicke der Schicht an 20 verschiedenen Punkten des im Querschnitt betrachteten beschichteten Substrates bestimmt und das arithmetische Mittel gebildet.
Vorzugsweise werden die vorstehend als bevorzugt bezeichneten Merkmale miteinander kombiniert, dass bedeutet bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die erste Schicht zu > 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 95 Gew.-% aus Titan besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht und wobei die erste Schicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 6 μιη aufweist.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die zweite Schicht zu > 60 Gew.-%, bevorzugt zu > 70 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 90 Gew.-% aus Titanoxid besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der zweiten Schicht, und/oder wobei die zweite Schicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 100 μιη, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 50 μιη, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 20 μιη aufweist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die zweite Schicht einen besonders hohen Anteil an Titanoxid aufweist. Die Anwesenheit anderer Verbindungen in der zweiten Schicht kann sich hingegen negativ auf die Biokompatibilität und/oder die Sterilisierbarkeit des beschichteten Substrates auswirken.
Die angegebenen Dickenbereiche für die zweite Schicht sind bevorzugt, weil es bei kleineren Schichtdicken zu einer nicht vollständigen Ausprägung der Eigenschaften der zweiten Schicht kommt. Insbesondere die durch das MAO-Verfahren bedingte Ausbildung von Poren in der Oberfläche der zweiten Schicht ist bei niedrigeren Schichtdicken manchmal unvollständig.
Besonders große Schichtdicken erweisen sich nicht nur bei der Herstellung als erheblich aufwendiger, sondern können in manchen Fällen auch die Verbundfestigkeit des beschichteten Substrates reduzieren, da die Kohäsion in dicken keramischen bzw. kristallinen Schichten verschlechtert sein kann. Darüber hinaus ergibt sich bei großen Schichtdicken ein ungünstigeres Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen (d.h. zu der Masse der zweiten Schicht und zu dem in der Herstellung benötigten Materialbedarf), sodass entsprechende bevorzugte Substrate besonders effizient hinsichtlich des Materialbedarfs sind.
Die Dicke der Schicht wird als mittlere Dicke der Schicht mit dem Rasterelektronenmikroskop an einem durchgeschnittenen und angeschliffenen beschichteten (Querschnitt) Substrat bestimmt. Hierbei wird die Dicke der Schicht an 20 verschiedenen Punkten des im Querschnitt betrachteten beschichteten Substrates bestimmt und das arithmetische Mittel gebildet.
Vorzugsweise werden die vorstehend als bevorzugt bezeichneten Merkmale miteinander kombiniert, dass bedeutet bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die zweite Schicht zu > 70 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 90 Gew.-% aus Titanoxid besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der zweiten Schicht, und wobei die zweite Schicht eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 50 μιη, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 20 μιη aufweist.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die zweite Schicht über MAO-Poren verfügt, deren Verhältnis von Tiefe t, bestimmt als Differenz zwischen dem höchsten Punkt auf dem Grat der Pore und deren tiefsten Stelle, zum größten Durchmesser d, bestimmt am Grat der Pore in der senkrechten Draufsicht, > 0.5, bevorzugt > 1 , besonders bevorzugt > 2 ist, wobei die Zahl der MAO-Poren bevorzugt im Bereich von 200 bis 2500 MAO-Poren pro cm2, weiter bevorzugt im Bereich von 500 bis 1500 MAO-Poren pro cm2, besonders bevorzugt im Bereich von 600 bis 800 MAO-Poren pro cm2, liegt, wobei bevorzugt der Grund der MAO-Poren von Titanoxid gebildet wird, wobei vorzugsweise der Flächenanteil der Oberfläche des Substrates mit MAO- Poren 1-30 (Flächen-)%, bevorzugt 2-15 (Flächen-)%, besonders bevorzugt 3-10 (Flächen-)% beträgt, und/oder wobei die zweite Schicht zu > 40%, bevorzugt zu > 50 %, besonders bevorzugt > zu 60% kristallin ist und/oder wobei die zweite Schicht Calciumphosphat umfasst und/oder wobei die zweite Schicht eine photokatalytische Aktivität aufweist.
Der Grat der Pore ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung im Zweifelsfall die eine geschlossene theoretische Linie, die um die MAO-Pore herum auf der Probenoberfläche so angeordnet ist, dass a) sämtliche der in der senkrechten Draufsicht von der Linie umschlossenen Bereiche der MAO-Pore tiefer liegen als der höchste Punkt des Grates, b) jede Veränderung der Anordnung der Linie (z.B. durch ein Verschieben der bestehenden Linie oder durch eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Linie) zu einer Abnahme der mittleren Höhe des Grates führt, c) und dabei die in der senkrechten Draufsicht umschlossene Fläche minimal ist. Hierbei wird die Höhe jeweils entlang einer Achse bestimmt, die den tiefsten Punkt der MAO-Pore mit dem Mittelpunkt der in der senkrechten Draufsicht vom Grat umschlossenen Fläche verbindet.
Die Oberfläche der zweiten Schicht wird maßgeblich durch das bei der Erzeugung der zweiten Schicht verwendete MAO-Verfahren bestimmt, wobei die zweite Schicht vorteilhafterweise über MAO-Poren verfügt. MAO-Poren sind gekennzeichnet durch ein Verhältnis von Tiefe t, bestimmt als Differenz zwischen dem höchsten Punkt auf dem Grat der Pore und deren tiefsten Stelle, zum größten Durchmesser d, bestimmt am Grat der Pore in der senkrechten Draufsicht, > 0.5.
Eine hohe Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit zeigt sich insbesondere dann, wenn die Zahl der MAO-Poren im Bereich von 200 bis 2500 MAO-Poren pro cm2 liegt. Dies ist vermutlich dadurch bedingt, dass das beschichtete Substrat eine besonders hohe Oberfläche hat, die viele Verankerungsmöglichkeiten bietet. Die Porosität der zweiten Schicht darf jedoch auch nicht zu hoch werden, da anderenfalls die Verbundstärke des beschichteten Substrates, insbesondere die Kohäsion in der zweiten Schicht, reduziert wird.
Die Bestimmung der Zahl der MAO-Poren erfolgt auf einer Rasterelektronenmikroskop- Aufnahme der Oberfläche (Feldemissionsrasterelektronenmikroskop der Marke FEI Helios 600 (DualBeam), Beschleunigungsspannung 0,35 - 30 KV, Arbeitsabstand 1 - 10 mm, Auflösung: 0,9 nm bei 15 KV, direkte Aufsicht). Die Porenanzahl wird an den erzeugten REM Abbildungen automatisch in Image J (freeware zum Download im Internet, entwickelt vom National Institutes of Health NIH, USA) ausgezählt. Zuerst werden hierfür die Größenverhältnisse des Bildes festgelegt indem die Pixel des Größenbalkens berechnet werden. Anschließend werden die Poren in einem binären Bild bestimmt. Hierfür wird die Funktion „Image, Threshold" verwendet, wodurch aus dem vorhandenen Bild die dunkel hinterlegten Bereiche, also die Löcher bzw. Poren, heraussucht werden. Mit der„Analyze Particles"- Funktion werden die Poren automatisch ausgezählt.
Vorteilhafterweise ist auch der Grund von MAO-Poren von einer Titanoxidschicht bedeckt, so dass sich auch am Grund der MAO-Poren, d.h. an der ganzen Oberfläche des beschichteten Substrates, die Vorteile der Titandioxid Beschichtung ergeben.
Die Belegung der Oberfläche des beschichteten Substrates mit MAO-Poren ist ein Maß für die Zahl und Größe der durch das MAO-Verfahren erzeugten Poren und gibt das Verhältnis der Öffnungsfläche sämtlicher MAO-Poren zur Gesamtoberfläche des Substrats in der senkrechten Draufsicht an. Zur Bestimmung der Belegung der Oberfläche wird auf einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Oberfläche (Feldemissionsrasterelektronenmikroskop der Marke FEI Helios 600 (DualBeam), Beschleunigungsspannung 0,35 - 30 KV, Arbeitsabstand 1 - 10 mm, Auflösung: 0,9 nm bei 15 KV, direkte Aufsicht) der von den MAO-Poren belegte Anteil der betrachteten Gesamtoberfläche bestimmt. Die Belegte Fläche wird an den erzeugten REM Abbildungen, wie vorstehend erläutert automatisch in Image J (freeware zum Download im Internet, entwickelt vom National Institutes of Health NIH, USA) ausgewertet. Die Belegung der Oberfläche des Substrates mit MAO-Poren kennzeichnet somit im Sinne der vorliegenden Anmeldung die Porosität, d.h. die Ausfüllung, der obersten Lage der zweiten Schicht in der 2D-Projektion.
Da die Biokompatibilität des beschichteten Substrates maßgeblich verbessert wird, wenn an der Oberfläche das kristalline Titanoxid vorliegt, ist es bevorzugt, dass die zweite Schicht zu einem großen Teil kristallin ist. Für entsprechende bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate zeigt sich insbesondere auch eine besonders ausgeprägte Oberflächenhärte, wodurch eine besonders positive Beständigkeit erreicht wird. Zudem wandelt sich kristallines Titandioxid im Gegensatz zu amorphen Titandioxid thermodyna- misch besonders stabil, so dass besonders stabile beschichtete Substrate erhalten werden.
Erfindungsgemäße beschichtete Substrate sind dann bevorzugt, wenn die zweite Schicht, zusätzlich zum Titanoxid auch Calciumphosphat, insbesondere Hydroxylapatit, umfasst. Das Vorliegen von Calciumphosphat ist besonders vorteilhaft, weil Calciumphosphat eine zusätzliche bioaktive Substanz darstellt, die auf der Oberfläche des beschichteten Substrats vorliegt. Das Calciumphosphat führt in vielen Fällen zu einer verbesserten Zelladhäsion am beschichteten Substrat. Entsprechend bevorzugte beschichtete Substrate können zudem besonders einfach hergestellt werden, wenn das MAO-Verfahren in einem Elektrolyten erfolgt, der Calcium- und Phosphat-Ionen umfasst.
Bevorzugt sind darüber hinaus erfindungsgemäße beschichtete Substrate, die über eine mittels dem MAO-Verfahren nanostrukturierte und teilweise kristalline Ti02-Oberfläche verfügen, die in Verbindung mit der photokatalytischen Aktivität von Titandioxid eine photoka- talytische Aktivität aufweisen. Diese photokatalytische Aktivität der zweiten Schicht ist vorteilhaft, weil auf diesem Weg die Sterilisation des beschichteten Substrates beispielsweise durch UV-Licht erfolgen bzw. durch UV-Licht unterstützt werden kann.
Besonders bevorzugt werden vorstehend als bevorzugt oder besonders bevorzugt bezeichnete Merkmale miteinander kombiniert.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die Ausgangsschicht unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD- Verfahrens, bevorzugt eines PVD-Verfahrens, besonders bevorzugt eines Sputter-Verfah- rens, erzeugt wurde. Entsprechend bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate sind vorteilhaft, weil sie eine hohe Verbundfestigkeit zeigen. Durch das MAO-Verfahren resultieren sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht aus der ursprünglich auf dem Grundkörper applizierten Ausgangsschicht, deren Oberfläche mit dem MAO-Verfahren oxidiert wird. Die Adhäsion zwischen der ersten Schicht und dem Grundkörper wird somit wesentlich auch durch das Verfahren bestimmt, mit dem die Ausgangsschicht erzeugt wurde. Bevorzugt wird die Ausgangsschicht, aus der die erste Schicht und die zweite Schicht resultieren, unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Verfahrens hergestellt. Diese Begriffe bezeichnen physikalische bzw. chemische Gasphasenabscheidungsverfahren. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
Die Erzeugung der Ausgangsschicht mit Hilfe dieser Verfahren ist bevorzugt, weil PVD- und CVD-Verfahren eine einfache und zuverlässige Beschichtung des Grundkörpers ermöglichen und dabei insbesondere zu einer besonders gleichmäßigen, dichten und defektarmen Ausgangschicht mit einer sehr genau einstellbaren chemischen Zusammensetzung führen. Dabei ist die Adhäsion entsprechender Schichten am Grundkörper besonders hoch.
Aus mittels PVD- oder CVD-Verfahren hergestellten Ausgangsschichten kann mit dem MAO-Verfahren eine besonders vorteilhafte zweite Schicht erzeugt werden, die gemeinsam mit der verbleibenden ersten Schicht eine hohe Adhäsion am Grundkörper aufweist.
Besonders bevorzugt zur Aufbringung ist das Sputter-Verfahren welches auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet wird. Bei diesem Vorgang werden Metallatome aus einem Festkörper durch Beschuss mit energiereichen Ionen herausgelöst und in die Gasphase überführt. Durch Abscheidung der herausgelösten Atome auf der Oberfläche des Grundkörpers wird die entsprechende Schicht erzeugt.
Das zum Erzeugen der Ausgangsschicht verwendete Verfahren beeinflusst die Struktur und die Eigenschaften der aus der Ausgangsschicht resultierenden ersten Schicht und lässt sich in erfindungsgemäßen beschichteten Substraten aus den Eigenschaften der ersten Schicht erkennen.
Ganz besonders bevorzugt ist auch ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die Ausgangsschicht unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD-Verfahrens erzeugt wurde, wobei vorzugsweise zwischen dem Substrat und einer Gegenelektrode durch eine BIAS-Spannung ein elektrisches Feld erzeugt wurde.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die Oberfläche des Grundkörpers vor der Beschichtung ganz oder zumindest in Bereichen durch mechanische Behandlung und/oder chemische Behandlung modifiziert wurde, wobei vorzugsweise die Oberfläche in den modifizierten Bereichen eine gemittelte Rautiefe Rz im Bereich von 1 bis 200 μιη, bevorzugt im Bereich von 2 bis 100 μιη, aufweist und/oder wobei die Oberfläche des Grundkörpers vor der Beschichtung ganz oder zumindest in Bereichen durch Plasmaätzung modifiziert wurde und/oder wobei zwischen dem Grundkörper und der ersten Schicht eine dritte Schicht angeordnet ist, die unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD-Verfahrens erzeugt wurde, wobei die dritte Schicht vorzugsweise durch das PECVD-Verfahren erzeugt wurde, wobei die dritte Schicht besonders bevorzugt unter Verwendung einer BIAS- Spannung erzeugt wurde und/oder wobei die dritte Schicht vorzugsweise aus anorganischen Materialien besteht und/oder vorzugsweise eine Schichtdicke < 1 μιη aufweist.
Entsprechend bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate sind deshalb vorteilhaft, weil sie über eine besonders hohe Adhäsion zwischen dem Grundkörper sowie der ersten Schicht verfügen, so dass eine besonders hohe Verbundfestigkeit resultiert.
Ursächlich für diese vorteilhafte Eigenschaft ist die vorhergehende Oberflächenaktivierung des Grundkörpers, die in einer verbesserten Adhäsion der aufgebrachten Ausgangsschicht bzw. der ersten Schicht am Grundkörper resultiert. An dieser Grenzfläche zeigt sich häufig der geringste Zusammenhalt des Systems, so dass die Verbesserung der Adhäsion an dieser Grenzfläche unmittelbar die gesamte Verbundfestigkeit des beschichteten Substrates verbessert.
Durch die mechanische und/oder chemische Behandlung der Oberfläche des Grundkörpers kommt es neben einer Reinigung des Grundkörpers insbesondere zu einer Aufrauhung der Oberfläche und damit zu einer Oberflächenvergrößerung. Die Adhäsion zwischen zwei Schichten ist regelmäßig proportional zu der Oberfläche der Kontaktfläche, sodass die vorteilhaften Verbundstärken erfindungsgemäßer beschichteter Substrate hierdurch erklärt werden können. Verfahren zur mechanischen Behandlung sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise das Schleifen oder das Drehen. Die chemische Behandlung erfolgt durch Kontaktieren der Oberfläche des Grundkörpers mit einer gegenüber dem Grundkörper reaktiven Chemikalie und wird auch als Beizen bezeichnet. Abhängig vom Substrat handelt es sich bei der verwendeten Chemikalie beispielsweise um eine starke Säure oder eine starke Lauge.
Die gemittelte Rautiefe Rz ist die Summe aus der Höhe der größten Profilspitze und der Tiefe des größten Profiltals innerhalb einer Einzelmessstrecke lr, wobei ich Rz aus Mittelung der Ergebnisse von 5 Einzelmessstrecken ergibt. Die Höhe der größten Profilspitze und die Tiefe des größten Profiltals werden für jede der 5 Einzelmessstrecken an einem angeschnittenen (Querschnitt) und angeschliffenen Grundkörper bestimmt.
Die Oberfläche des Grundkörpers kann bevorzugt auch durch Plasmaätzung aktiviert werden, sodass bevorzugte erfindungsgemäß beschichtete Substrate mit einer besonders hohen Haltbarkeit und Verbundfestigkeit erhalten werden. Besonders bevorzugt ist die Plasmaätzung für Kunststoffsubstrate, da es bei diesen über den Reinigungs- und Aufrau- hungseffekt hinaus auch zu einer chemischen Modifikation der Oberfläche durch die im Plasma enthaltenen reaktiven Spezies kommt, die eine darüber hinausgehende chemische oder physikalische Anbindung der später aufgebrachten Ausgangsschicht ermöglichen.
Zudem lässt sich eine hohe Verbundfestigkeit auch durch das Aufbringen einer haftvermittelnden dritten Schicht mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens realisieren. Dieser Vorgang wird häufig ebenfalls dem Bereich der Oberflächenaktivierung zugerechnet. Hierfür wird eine haftvermittelnde dritte Schicht auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht, die eine höhere Adhäsion zum Grundkörper und zu der Ausgangsschicht, bzw. der ersten Schicht zeigt als es die Ausgangsschicht bzw. die erste Schicht zum Grundkörper zeigt. Entsprechende haftvermittelnde Schichten bestehen vorzugsweise aus anorganischen Materialien und sind dem Fachmann bekannt. Entsprechende bevorzugte erfindungsgemäß beschichtete Substrate weisen somit zwischen dem Grundkörper und der ersten Schicht eine entsprechende dritte Schicht auf. Besonders günstige Verbesserungen der Verbundfestigkeit zeigen sich insbesondere dann, wenn Dicke der dritten Schicht < 1 μιη ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dritte Schicht durch das PECVD-Verfahren, d.h. durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, erzeugt wurde. Die Dissoziation der Moleküle des Reaktionsgases erfolgt beim PECVD-Verfahren durch die beschleunigten Elektronen im Plasma. Im Plasma werden Radikale und Ionen erzeugt, die die Schichtabscheidung auf dem Substrat bewirken. Die Gastemperatur im Plasma erhöht sich dabei vorteilhafterweise nur geringfügig, sodass im Gegensatz zur CVD-Verfahren auch temperaturempfindlichere Materialien beschichtet werden können. Der Aufbau eines entsprechenden bevorzugten erfindungsgemäßen beschichteten Substrats ist in Figur 2, Teil e) schematisch dargestellt. Auf dem Grundkörper (1 ) sind die dritte Schicht (2), die erste Schicht (3) und die zweite Schicht (4) angeordnet.
Insbesondere bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei der Grundkörper bezogen auf die Gesamtmasse des Grundkörpers zu > 99,9 Gew.- % aus Polyetheretherketon besteht und wobei zwischen dem Grundkörper und der ersten Schicht eine dritte Schicht angeordnet ist, die unter Verwendung des PECVD-Verfahrens erzeugt wurde, wobei die dritte Schicht vorzugsweise unter Verwendung einer BIAS-Spannung erzeugt wurde und/oder wobei die dritte Schicht vorzugsweise aus anorganischen Materialien besteht und/oder vorzugsweise eine Schichtdicke < 1 μιη aufweist.
Entsprechend bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate sind deshalb vorteilhaft, weil sie über eine besonders hohe Adhäsion zwischen dem Grundkörper und den auf diesem angeordneten Schichten sowie eine besonders hohe Korrosionsstabilität verfügen. Durch die Beschichtung unter Verwendung des PECVD-Verfahren wird eine besonders große Kontaktfläche zwischen dem Grundkörper und der dritten Schicht erhalten sowie eine besonders innige Verzahnung zwischen dem Grundkörper und der dritten Schicht erhalten, die zu einer besonders hohen Verbundfestigkeit führen. Dieser vorteilhafte Effekt wird dadurch erzielt, dass das Beschichten und die Oberflächenaktivierung im PECVD- Verfahren in einem Schritt, d.h. gleichzeitig, erfolgen.
Die Verwendung einer BIAS-Spannung, d.h. einer Beschleunigungsspannung zwischen dem Substrat und der Elektrode, bei der Erzeugung der dritten Schicht lässt sich im Zweifelsfall am erfindungsgemäßen Substrat daran erkennen, dass die Konzentration der Bestandteile der dritten Schicht in den oberflächennahen Bereichen des Grundkörpers, d.h. im Bereich des Grundkörper an der Kontaktfläche zur dritten Schicht, gegenüber dem restlichen Grundkörper erhöht ist. Demgemäß besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei die Konzentration an Bestandteilen, aus denen die dritte Schicht besteht, in der Oberfläche des Grundkörpers bis zu einer Tiefe von 20 μιη gegenüber dem restlichen Grundkörper erhöht ist.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei der Verbund aus Grundkörper, und sämtlichen Schichten über eine Haftfestigkeit von > 3 MPa, bevorzugt > 4 MPa, verfügt und/oder bei Zugbelastung senkrecht zur Substratoberfläche ein Kohäsionsbruch im Grundkörper erfolgt.
Entsprechend bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate sind besonders vorteilhaft, weil die Adhäsion der die Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit bedingenden Schichten besonders hoch ist und entsprechende beschichtete Substrate somit besonders belastbar sind, ohne dass es zu einem Versagen der Beschichtung, beispielsweise durch Abplatzen, kommt. Entsprechende erfindungsgemäß beschichtete Substrate sind somit auch für besonders anspruchsvolle Anwendung geeignet, in denen die beschichteten Substrate über längere Zeiträume starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Besonders vorteilhaft sind entsprechende erfindungsgemäße beschichtete Substrate auch, weil die Belastbarkeit des entsprechenden Substrates im Wesentlichen durch die mechanischen Eigenschaften des Grundkörpers bestimmt wird und die Adhäsion der Beschichtung am Grundkörper größer ist als die Kohäsionskräfte im Grundkörper selbst. Damit kommt es zu einem Kohäsionsbruch im Grundkörper, bevor es zu einem Versagen der Beschichtung kommt. Dies ist für die Verarbeitung und die Anpassung der beschichteten Substrate an die in der Praxis gestellten Anforderungen besonders günstig.
Die erfindungsgemäßen und bevorzugten erfindungsgemäßen beschichteten Substarte sind, wie aus den vorstehenden Ausführungen deutlich wird, durch eine Schichtstruktur gekennzeichnet, wobei die erste Schicht zwischen dem Grundkörper und der zweiten Schicht, wobei eine gegebenenfalls vorhandene dritte Schicht zwischen dem Grundkörper und der ersten Schicht liegt.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei der Grundkörper bezogen auf die Gesamtmasse des Grundkörpers zu > 99 Gew.- %, aus Polyetheretherketon besteht und/oder wobei die erste Schicht zu > 95 Gew.-% aus Titan besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht und/oder wobei die zweite Schicht zu > 90 Gew.-% aus Titanoxid besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der zweiten Schicht und/oder wobei die erste Schicht vollständig zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht angeordnet ist und/oder wobei die Ausgangsschicht unter Verwendung eines Sputter-Verfahrens erzeugt wurde.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Substrats nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Grundkörpers b) Beschichten des Grundkörpers mit einer Ausgangsschicht umfassend oder bestehend aus Titan c) Oxidieren der vom Grundkörper abgewandten Seite der Ausgangsschicht unter Verwendung eines MAO-Verfahrens zur Erzeugung einer zweiten Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid und einer ersten Schicht umfassend oder bestehend aus Titan.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, weil es besonders einfach und unanfällig für Störungen ist sowie unter Verwendung etablierter Beschichtungsverfahren durchgeführt werden kann. Zudem ist das Verfahren besonders Prozesssicher und führt zu Produkten mit einer besonders konstanten Qualität. Darüber hinaus weist das Verfahren eine hohe Flexibilität hinsichtlich des einzusetzenden Grundkörpers auf.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei der Grundkörper bezogen auf die Gesamtmasse des Grundkörpers zu > 80 Gew.- %, bevorzugt zu > 90 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 99 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 99,9 Gew.-%, aus einem oder mehreren Materialien besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Metallen, Keramiken, Polymeren und deren Kompositen, bevorzugt aus Polymeren oder Stählen besteht, besonders bevorzugt aus Polyetheretherketon besteht und/oder wobei das beschichtete Substrat ein Implantat ist und/oder wobei die Ausgangsschicht zu > 70 Gew.-%, bevorzugt zu > 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 95 Gew.-% aus Titan besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht und/oder wobei die zweite Schicht zu > 50 Gew.-%, bevorzugt zu > 70 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 90 Gew.-% aus Titanoxid besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der zweiten Schicht, und/oder wobei die zweite Schicht über MAO-Poren verfügt, deren Verhältnis von Tiefe t, bestimmt als Differenz zwischen dem höchsten Punkt auf dem Grat der Pore und deren tiefsten Stelle, zum größten Durchmesser d, bestimmt am Grat der Pore in der senkrechten Draufsicht, > 0.5, bevorzugt > 1 , besonders bevorzugt > 2 ist, wobei die Zahl der MAO-Poren bevorzugt im Bereich von 200 bis 2500 MAO-Poren pro cm2, weiter bevorzugt im Bereich von 500 bis 1500 MAO-Poren pro cm2, besonders bevorzugt im Bereich von 600 bis 800 MAO-Poren pro cm2, liegt, wobei bevorzugt der Grund der MAO-Poren von Titanoxid gebildet wird, wobei vorzugsweise der Flächenanteil der Oberfläche des Substrates mit MAO- Poren 1-30 (Flächen-)%, bevorzugt 2-15(Flächen-)%, besonders bevorzugt 3-10 (Flächen-)% beträgt und/oder wobei die zweite Schicht zu > 40%, bevorzugt > 50 %, besonders bevorzugt > 60% kristallin ist und/oder wobei die zweite Schicht Calciumphosphat umfasst.
Ein entsprechend bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren ist vorteilhaft, weil mit diesem Verfahren bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate, wie sie vorstehend offenbart werden, hergestellt werden können. Die vorstehend offenbarten Vorteile treffen entsprechend auf das bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren zu.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei das Beschichten in Schritt b) unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD- Verfahrens, bevorzugt eines PVD-Verfahrens, besonders bevorzugt eines Sputter-Verfah- rens, erfolgt und/oder wobei vor Schritt b) die Oberfläche des Grundkörpers ganz oder zumindest in Bereichen durch mechanische Behandlung und/oder chemische Behandlung und/oder durch Plasmaätzung modifiziert wird und/oder wobei vor Schritt b) der Grundkörper mit einer dritten Schicht beschichtet wird, wobei die dritte Schicht unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD-Verfahrens, vorzugsweise unter Verwendung des PECVD-Verfahrens, erzeugt wird, wobei die dritte Schicht besonders bevorzugt unter Verwendung einer BIAS- Spannung erzeugt wurde und/oder aus anorganischen Materialien besteht und/oder eine Schichtdicke < 1 μιη aufweist.
Ein entsprechend bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren ist bereits deshalb vorteilhaft, weil mit diesem Verfahren bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Substrate, wie sie vorstehend offenbart werden, hergestellt werden können. Die vorstehend offenbarten Vorteile treffen entsprechend auf das bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren zu. Entsprechend bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren sind jedoch auch deshalb besonders vorteilhaft, weil der Einsatz von Verfahren der Oberflächenaktivierung, d.h. durch mechanische Behandlung, chemische Behandlung, Plasmaätzung und/oder die Applikation einer Haftvermittlerschicht, die Prozesssicherheit wesentlich erhöht wird, da es durch die verbesserte Adhäsion der Beschichtung am Grundkörper zu einem geringeren Anteil an Ausschuss und Fehlproduktion kommt.
Figur 2 zeigt schematisch die als Zwischen- bzw. Endprodukt in einem beispielhaften bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Substrate. Teil a) zeigt schematisch den unbehandelten und unbeschichteten Grundkörper (1 ). Die Oberfläche des Grundkörpers wird in Teil b) aufgeraut und in Teil c) mit einer als Haftvermittler fungierenden dritten Schicht (2) beschichtet. In Teil d) erfolgt die Applikation der Ausgangsschicht auf die dritte Schicht. In Schritt e) werden durch das MAO-Verfahren aus der Ausgangsschicht die erste Schicht (3) und die zweite Schicht (4) erzeugt, so dass ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat erhalten wird.
Bevorzugt ist auch ein erfindungsgemäßes Verfahren (vorzugsweise wie vorstehend als bevorzugt bezeichnet), wobei der Grundkörper PEEK und einen Füllstoff umfasst.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des MAO-Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen beschichteten Substrats und/oder in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die erfindungsgemäße Verwendung des MAO-Verfahrens ist besonders vorteilhaft, weil sie zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Substrates und/oder in einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen kann.
Teil der Erfindung ist außerdem die Verwendung eines erfindungsgemäßen beschichteten Substrates als Implantat. Wie bereits oben ausführlich angedeutet, ist die erfindungsgemäß vorzusehende Beschichtung besonders gut sterilisierbar und biokompatibel, sodass sie sich für den genannten Verwendungszweck selbstverständlich besonders eignet.
Figurenbeschreibung:
Figur 1 offenbart schematisch einen beispielhaften Aufbau des MAO-Verfahrens. Das zu beschichtende Substrat (1 ) wird als Anode mit einem Netzteil (8) verbunden und in einen Elektrolyt (3) eingegeben. Die Kathode (2) wird von elementarem Titan gebildet. Über den Rührfisch (4), das Thermometer (5), die Pumpe mit Wasserkühlung (6) und die Magnetrührplatte (7) lassen sich die Beschichtungsbedingungen weiter einstellen. Figur 2 offenbart schematisch die als Zwischen- bzw. Endprodukt in einem beispielhaften bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Substrate. Teil a) offenbart schematisch den unbehandelten und unbeschichteten Grundkörper (1 ). Die Oberfläche des Grundkörpers wird in Teil b) aufgeraut und in Teil c) mit einer als Haftvermittler fungierenden dritten Schicht (2) beschichtet. In Teil d) erfolgt die Applikation der Ausgangsschicht auf die dritte Schicht. In Schritt e) werden durch das MAO-Verfahren aus der Ausgangsschicht die erste Schicht (3) und die zweite Schicht (4) erzeugt, so dass ein erfindungsgemäßes beschichtetes Substrat erhalten wird.
Die Bestimmung der Zusammensetzung des Substrates sowie sämtlicher Schichten erfolgt durch die Kombination von REM/EDX mit XPS wie nachfolgend am Beispiel erläutert.
Die Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop wurden mit einem Feldemmisions- Rasterelektronenmikroskop (FESEM) der Marke FEI Helios 600 (DualBeam) durchgeführt. Die Abbildungen der Oberflächen der untersuchten angeschliffenen Probenquerschnitte wurden bei einer Beschleunigungsspannung von 0,35-30 kV in einem Arbeitsabstand von 1-10 mm erzeugt. Die spezifizierte Auflösung des Gerätes beträgt 0,9 nm bei 15 kV und optimalem Arbeitsabstand bzw. 1 nm bei 15 kV im Koinzidenzpunkt. Zur Bildgebung wurden für die Sekundär- oder die Rückstreuelektronen ein Everhart-Thornley- oder ein In- Lense-Detektor verwendet. Die Oberflächen werden auf ihre elementare Zusammensetzung mit Hilfe eines Elektronenstrahls hin untersucht. Die von den enthaltenen Elementen zurückgestrahlte Energie ist jeweils spezifisch für das angeregte Atom, welches somit identifiziert werden kann. Die Ergebnisse werden für 20 Messpunkte aufgenommen und das arithmetische Mittel gebildet.
Zur Unterstützung der REM/EDX Ergebnisse wird die Oberfläche mit XPS auf ihre elementare Zusammensetzung hin untersucht. Dadurch wird die Information der chemischen Bindung der Elemente erhalten. Jedes ermittelte Element besitzt eine spezifische Bindungsenergie, welche charakteristisch für dieses ist und somit auch zur Analyse dient. XPS- Messungen (ESCA-Messungen) wurden mit dem Spektrometer KRATOS AXIS Ultra der Firma Kratos Analytical durchgeführt. Die Kalibrierung des Messgerätes wurde so vorgenommen, dass der aliphatische Anteil des C 1s Peaks bei 285,00 eV liegt. Die Analysekammer war mit einer Röntgenquelle für monochromatisierte AI Κα-Strahlung, einer Elektronenquelle als Neutralisator und einem Quadrupolmassenspektrometer ausgerüstet. Weiterhin verfügte die Anlage über eine magnetische Linse, welche die Photoelektronen über einen Eintrittsschlitz in einen Halbkugelanalysator fokussierte. Während der Messung zeigte die Oberflächennormale auf den Eintrittsschlitz des Halbkugelanalysators. Die Passenergie betrug bei der Bestimmung der Stoffmengenverhältnisse jeweils 160 eV. Bei der Bestimmung der Peak-Parameter betrug die Passenergie jeweils 20 eV. Als Referenzmaterial wurde das Polydimethylsiloxan Silikonöl DMS-T23E der Firma Gelest Inc. (Morrisville, USA) verwendet. Dieses trimethylsiloxy-terminierte Silikonöl besitzt eine kinematische Viskosität von 350 mm2/s (±10%) und eine Dichte von 0,970 g/mL bei 25 °C sowie ein mittleres Molekulargewicht von ca. 13650 g/mol. Das ausgewählte Material zeichnet sich durch einen extrem geringen Anteil an verdampfbaren Bestandteilen aus: nach 24 Stunden bei 125 °C und 10~5 Torr Vakuum wurden weniger als 0,01 % flüchtige Anteile nachgewiesen (nach ASTM-E595-85 und NASA SP-R0022A). Das Silikonöl wurde mit Hilfe eines Spin-Coating- Prozesses als 40 bzw. 50 nm dicke Schicht auf einen Siliziumwafer aufgetragen; dabei wurde als Lösemittel Hexamethyldisiloxan verwendet. Mit der oben beschriebenen Vorgehensweise ergibt sich für das Silikonöl DMS-T23E die in Tabelle 1 angegebene atomare Zusammensetzung. Die Bindungsenergien der Elektronen sind ebenfalls aufgeführt.
Tab. 1 Chemische Zusammensetzung und Bindungsenergie von Silikonöl DMS-T23E
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Beispiel 1 :
Ein Grundkörper bestehend zu > 99 Gew.-% aus PEEK (PEEK-Substrat) wird in einem ersten Schritt mit einer Haftvermittlungsschicht versehen. Hierzu wird das Substrat mittels eines ionenunterstützten Hochfrequenz (HF)-Plasmapolymerisationsprozesses beschichtet. Als Precursoren für die Primerschicht werden Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und Sauerstoff verwendet. Der Plasmareaktor hat ein Volumen von 50 cm x 50 cm x 50 cm und wird mit Hilfe einer Turbodragpumpe (520 l/s) evakuiert. Die Substrate werden auf der 30 cm x 20 cm großen Elektrodenplatte befestigt. Nach dem Erreichen des Basisdrucks von 1*10"* mbar, wird der Sputterätzprozess (02=80 sccm, UBias=800 V, t=60 s) durchgeführt. Anschließend wird HMDSO mit einem Fluss von 2 sccm in den Reaktor eingelassen, ohne dass das Plasma ausgeschaltet wird. Der Plasmagenerator regelt die eingespeiste Leistung so, dass sich eine BIAS-Spannung von 800 V einstellt. Nach einer Beschichtungszeit von 300 s wird der HMDSO-Fluss auf 0 sccm gesetzt, um abschließend die Oberfläche für 30 s zu aktivieren (O2=80 sccm, UBias=800 V). Die Metallisierung des vorbeschichteten PEEK-Substrats erfolgt im gleichen Reaktor durch HF-Magnetronsputtern. Das Magnetron hat einen Durchmesser von 250 mm. Als Targetmaterial wird metallisches Titan (Reinheit: 99,9 %) verwendet. Als Arbeitsgas wird, nachdem der Basisdruck von 1 *10 6 mbar erreicht wurde, Argon mit einem Fluss von 120 sscm in die Kammer gegeben. Die Sputterleistung beträgt konstant 2000 W. Es wird ein Abstand von 45 cm von Target und Substrat gewählt, so dass keine thermische Belastung des PEEK-Substrats erfolgt. Nach einer Prozessdauer von 2 Stunden wird eine 4 μιη dicke Titanschicht auf dem PEEK-Substrat erhalten.
Beispiel 2:
Ein Grundkörper bestehend zu > 99 Gew.-% aus PEEK (PEEK-Substrat) wird in einem ersten Schritt mit einer Haftvermittlungsschicht versehen. Hierzu wird das Substrat mittels eines ionenunterstützten Hochfrequenz (HF)-Plasmapolymerisationsprozesses beschichtet. Als Precursoren für die Primerschicht werden Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und Sauerstoff verwendet. Der Plasmareaktor hat ein Volumen von 50 cm x 50 cm x 50 cm und wird mit Hilfe einer Turbodragpumpe (520 l/s) evakuiert. Die Substrate werden auf der 30 cm x 20 cm großen Elektrodenplatte befestigt. Nach dem Erreichen des Basisdrucks von 1*10"* mbar, wird der Sputterätzprozess (02=80 sccm, UBias=800 V, t=60 s) durchgeführt. Anschließend wird HMDSO mit einem Fluss von 2 sccm in den Reaktor eingelassen, ohne dass das Plasma ausgeschaltet wird. Der Plasmagenerator regelt die eingespeiste Leistung so, dass sich eine BIAS-Spannung von 800 V einstellt. Nach einer Beschichtungszeit von 300 s wird der HMDSO-Fluss auf 0 sccm gesetzt, um abschließend die Oberfläche für 30 s zu aktivieren (O2=80 sccm, UBias=800 V).
Die Metallisierung des vorbeschichteten PEEK-Substrats erfolgt im gleichen Reaktor durch DC-Magentronsputter. Das Magnetron hat einen Durchmesser von 250 mm. Als Targetmaterial wird metallisches Titan (Reinheit: 99,9 %) verwendet. Als Arbeitsgas wird, nachdem der Basisdruck von 1 *10 6 mbar erreicht wurde, Argon mit einem Fluss von 120 sscm in die Kammer gegeben. Die Sputterleistung beträgt konstant 3000 W. Es wird ein Abstand von 45 cm von Target und Substrat gewählt, so dass keine thermische Belastung des PEEK-Substrats erfolgt. Nach einer Prozessdauer von 15 Stunden wird eine 4 μιη dicke Titanschicht auf dem PEEK-Substrat erhalten.
Beispiel 3:
Zur Erzeugung der porösen Titandioxid-Oberflächen wurden die in Beispiel 1 und Beispiel 2 hergestellten Substrate mit Hilfe des MAO-Verfahrens behandelt, um die Proben E1 und E2 zu erhalten. Zur MAO-Behandlung wurde ein Calciumphosphat-Elektrolyt verwendet. Als Spannungsquelle wurde das Netzteil EA PS 8360 15T (0 - 360 V, 0 - 15 A, 1500 W) der Firma EA Elektro-Automatik GmbH & Co. KG (Viersen, Deutschland) verwendet. Ausgehend von einer Startspannung von NA™ = 1 V wurde die Spannung über 180 s auf Vmax = 220-300 V erhöht und dort für eine Haltezeit von 900 s gehalten.
Zur MAO-Behandlung wurde eine Zwei-Elektrodenschaltung (Arbeitselektrode, Gegenelektrode) angewendet und das Gerät zusätzlich mit einem Schutzkontakt an einer Steckdose geerdet. Die in Beispiel 1 und Beispiel 2 hergestellten Substrate dienten als Arbeitselektrode/Anode, wohingegen ein weiteres Titanblech als Gegenelektrode/Kathode eingesetzt wurde. Das ganze System wurde während der Messung mit zirkulierendem Eiswasser gekühlt, um die Temperaturerhöhung während der Behandlung zu kompensieren und um eine Temperatur von 17 - 30 °C zu gewährleisten.
Mit steigendem Anodenpotential erfolgt das Wachstum einer anodischen Oxidschicht auf der Oberfläche, welche zunächst den Ladungsaustausch zwischen Anode und Kathode erschwert. Sobald der Strom ansteigt, beginnt die Phase der plasmaelektrolytischen Oxi- dation mit optischer und akustischer Funkenentladung. Am Ende des MAO-Verfahrens wurden die in Beispiel 1 und Beispiel 2 hergestellten Substrate mit einer 5 μιη Dicken zweiten Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid beschichtet.
Beispiel 4:
Das gemäß Beispiel 3 erhaltene erfindungsgemäß beschichtete Substrat E1 wurden mittels unterschiedlicher zellbiologischer Untersuchungen auf seine Biokompatibilität und Toxizität getestet. Der Vergleich erfolgt mit der Probe V1 (unbeschichtetes PEEK Substrat).
Es wurden zwei Arten von Zellen für die jeweiligen zellbiologischen Tests auf den jeweiligen Oberflächen verwendet. Für das Verhalten der Zellen wurden humanoide Osteoblasten MG-63 (CLS no. 800125, Eppelheim, Deutschland) aus dem Osteosakroma eines 14 Jahre alten Kaukasiers und die MG-63 Zellen im Mc Coy 's 5A Medium mit L-Glutamin kultiviert. Für den Zytotoxizitätstest wurden Maus Fibroblasten L929 (DMZ no: ACC 2, Braunschweig, Deutschland) aus dem Binde- und Fettgewebe einer männlichen C3H/An Maus verwendet. Die Zelllinie L929 wurde im RPMI 1640 mit L-Glutamin kultiviert. Das Medium wurde mit 10% fetalem bovinen Serum ergänzt mit 100 U Penicillin und 100 μg/ml Streptomycin supplementiert. Die Inkubation wurde in einem 5% CO2 Zelllinkubator inCu Safe MCO-18 AIC (Sanyo Electric Co., Moriguchi, Japan) mit IR Sensor bei einer Temperatur von 37 °C durchgeführt. Die Luftfeuchte regelte ein Wasserbad GFL 1003 (Gesellschaft für Labortechnik GmbH, Burgwedel, Deutschland).
Das Verhalten der Osteoblasten MG-63 wurde nach der Normensammlung der DIN EN ISO 10993-5 untersucht. Die Präparation der Zellkulturen erfolgte unter einem sterilen Abzug Microbiological Safety Cabinet HERAsafe® KS18 (Thermo Scientific, Waltham, USA). Die Inkubation wurde im 5% CO2 Zelllinkubator inCu Safe durchgeführt. Zur Untersuchung wurden 10 ml Medium und 4,5 ml Zell-Suspension ä 3,3 x105 Zellen pro 1 ml auf jede Probe aufgebracht. Die Inkubationszeit der Substrate betrug 24 Stunden. Die Zellen wurden nach 24 Stunden auf der Oberfläche der Substrate mit 4%igem Formaldehyd für 10 Minuten fixiert. Nach der Fixierung wurden die Zellkerne mit DAPI 25 μΙ /ml (5 mg / ml in Wasser) und die Zellfilamente mit Alexa Fluor 568 Phalloidin 6,6 μιηοΙ / I eingefärbt. Aufgrund der Eigenfluoreszenz von PEEK wurde die Probe V1 mit einem anderen Farbstoff, dem Carbol- Fuchsin (1 :2 Verdünnung mit PBS) eingefärbt. Die Proben E1 und V1 wurden mit Hilfe von Fluoreszensmikrokopie auf ihre Fähigkeit zur Zelladhäsion untersucht. Verwendet wurde hierfür das Zeiss Mikroskop Axiolmager M1 mit AxioCam MRC Digitalmamera und der Software Axio Vision, ausgestattet mit einer Quecksilberdampf-Lampe der Firme X-Cite 120 series, UV-Filter 600 und 400 nm, 2/3" CCD-Sensor mit 6,45 μιη x 6,45 μιη großen Pixeln und RGB-Farbfiltern.
Zur Quantifizierung der gesteigerten Biokompatibilität der Probe E1 wurde eine Zellauszählung vorgenommen. Hier wurden für jede der Proben E1 , V1 und V3 jeweils drei Proben angefertigt, von denen jeweils drei Bilder aufgenommen wurden. Die Zellauszählung erfolgte mit dem frei verfügbaren Programm ImageJ. Die Bilder der Zellkerne werden zuerst in einen binären Modus umgewandelt, um die Kerne mit dem Befehl„Analyze Particle" auszuzählen.
Tab. 2 Ausgezählte Zellenanzahl pro Flächeneinheit
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Die Ansiedelung vieler Zellen auf den Substraten deutet auf eine gute Biokompatibilität hin.
Die Zytotoxizität wurde indirekt nach der Normensammlung DIN EN ISO 10993-5 (2009) getestet. Die Fibroblasten L929 wurden im Inkubator unter körpernahen Bedingungen bei 37 °C und 5% C02 nach DIN EN ISO 10993-12 (2007) in 2 ml Medium inkubiert. Das Zellmedium wurde auf eine Zelldichte von ca. 104 Zellen pro Probefläche (1 ,5 cm2) ange- passt. Das komplette Substrat wurde in der Zellsuspension inkubiert und demnach lösen sich mögliche toxische Bestandteile aus dem gesamten Substrat in die Zellsuspension und nicht nur von der zu untersuchenden Oberfläche. Die Zytotoxizität der Proben kann mit dem Reagenz WST-1 untersucht werden. Das farblose Reagenz dient im Versuch als Indikator zur quantitativen Bestimmung von lebensfähigen Zellen. Das Tetrazoliumsalz (farblos bis schwach rot) wird durch die mitochondriale Dehydrogenase in lebenden Zellen zu einem Formazan-Derivat abgebaut und erscheint dann intensiv rot. Das erhaltene Zellmedium wurde mit 100 μΙ WST-1 Reagenz für 3 Stunden im Inkubator bei gegebenen Bedingungen belassen. Das erhaltene rote Formazan konnte im Spektrometer mit einer Wellenlänge von 450 nm und 620 nm als Hintergrund vermessen und durch die optische Dichte bestimmt werden. Der Viabilitätswert der Zellen sollte nicht unter 70% im Vergleich zur Negativkontrolle liegen. Eine Negativkontrolle dient als Viabilitätswert mit 100% lebenden Zellen. Die Auswertung der Daten erfolgte nach DIN EN ISO 10993-5 mit Hilfe der Multimode Reader Software MikroWin 2000 (BioTek Instruments, Bad Friedrichshall, Deutschland). Die Formel zur Berechnung der Viabilität der Zellen im Zytotoxizitätstest im Bezug auf 100% der Negativkontrolle lautet (OD45onm: Mittelwert der Absorption der Negativkontrolle; OD45os: Mittelwert der Absorption der Proben):
Viabilität /% =
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Wie erwartet nimmt die Negativkontrolle einen Wert von 100% und die Positivkontrolle einen Wert von ca. 0-5% an. Die Negativkontrolle dient als Referenz in welcher alle Zellen als lebend angesehen werden können. Die Positivkontrolle generiert tote Zellen und dient dazu, die Funktionsfähigkeit des Nachweisverfahrens zu demonstrieren.
Die untersuchten Proben E1 und V1 weisen einen vergleichbaren Wert von ca. 90% der Viabilität auf. Eine Abnahme der Zellviabilität auf nicht weniger als 70% weist auf eine nicht toxische Wirkung hin. Gemäß der DIN EN ISO 10993-5 sind Werte größer gleich als 70% im Vergleich zur Negativkonrolle als biokompatibel zu bewerten. Insoweit weisen die untersuchten Substrate eine sehr hohe Viabilität der aufgebrachten Zellen auf, was darauf hin deutet, dass die Zellen durch die Oberflächen nicht negativ beeinflusst werden. Die Zellen befinden sich lebend auf den Proben und können somit gut am Implantat anwachsen. Wenn bereits die Zellen im direkten Kontakt mit der Implantatoberfläche eine hohe Vitalität aufweisen, kann davon ausgegangen werden, dass das Gewebe im Bereich der Implantation ebenso verträglich auf das Implantat reagiert.
Tab. 3 Zytotoxizitätsergebnisse der untersuchten Substrate E1 und V1 sowie die WST-1- Reduktion der Proben im Vergleich zur Negativ- (NK) und Positivkontrolle (PK)
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Beispiel 5:
Die photokatalytische Aktivität wurde durch Beobachten des Abbaus von wässrigem Methylenblau (MB, AppliChem GmbH, Darmstadt, Deutschland) gemessen. Ein UV / Vis- Spektrometer Cary®50 Conc (Varian Inc., Agilent Technologies, Santa Clara, USA) wurde verwendet, um die Änderung der Absorption von Methylenblau nach UV-Beleuchtung zu erhalten.
Die Probe E1 und ein unbeschichtetes Titan Substrat als Referenzmaterial wurden in 3 ml der hergestellten 37 mM Methylenblaulösung (MB) eingelegt und mit einer 25 W UV-Lampe (Schwarzlicht) bestrahlt (Phillips, Deutschland). Nach jeweils einem Tag wurde die Lösung aus jeder Probe mit dem UV / Vis-Spektrometer vermessen. Da MB einen Absorptionspeak bei ca. 664 nm aufweist, wurde die Region von 450 nm bis 800 nm mit dem Spektrometer aufgenommen. Als Referenzmaterial wurde das photokatalytisch aktive P25 AEROXIDE® (Evonik Industries AG, Essen, Germany; 80% Anatas, 20% Rutil) verwendet.
Für die Probe E1 konnte eine gegenüber Titan erhöhte photokatalytische Aktivität festgestellt werden. Die Abnahme der Absorptionsintensität im Gegensatz zu reinem Methylenblau und Titan ist deutlich in Tabelle 4 zu erkennen. Das verwendete P25 zersetzte das Methylenblau erwartungsgemäß nach einem Tag nahezu vollständig. Die Intensität der Absorptionspeaks der Probe E1 nimmt sehr stark ab, was auf eine hohe photokatalytische Aktivität hinweist.
Tab. 4 Absorption bei 664 nm Wellenlänge nach einem Tag UV-Bestrahlung
Substrat E1 Titan MB P25
Absorption 0, 1499 0,458 0,528 0,021
Beispiel 6:
Die Oberfläche des hergestellten Substrats E1 wurde mit Hilfe des Programmes ImageJ Version 1.48v (National Institute of Health, USA) ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengefasst.
Tab. 5 Oberflächenbeschaffenheit der hergestellten Substrate
Substrat E1
Porenzahl /Poren pro cm2 2127 ± 2
Oberflächenbelegung 5,2%
Porentiefe /μιη 6,30 ± 0,15
Porendruchmesser /μιη 1 ,34 ± 0,24

Claims

Patentansprüche
1. Beschichtetes Substrat, umfassend als Substrat einen Grundkörper sowie darauf angeordnet eine erste Schicht umfassend oder bestehend aus Titan und eine zweite Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid, wobei die zweite Schicht unter Verwendung eines MAO-Verfahrens so aus einer Ausgangsschicht, die stofflich zusammengesetzt war, wie es die erste Schicht ist, erzeugt wurde, dass die erste Schicht und die zweite Schicht resultieren.
2. Beschichtetes Substrat nach Anspruch 1 , wobei der Grundkörper bezogen auf die Gesamtmasse des Grundkörpers zu > 80 Gew.-%, bevorzugt zu > 90 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 99 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 99,9 Gew.-%, aus einem oder mehreren Materialien besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Metallen, Keramiken, Polymeren und deren Kompositen, bevorzugt aus Polymeren oder Stählen besteht, besonders bevorzugt aus Polyetheretherketon besteht und/oder wobei das beschichtete Substrat ein Implantat ist.
3. Beschichtetes Substrat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die erste Schicht zu > 70 Gew.-%, bevorzugt zu > 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 95 Gew.-% aus Titan besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht und/oder wobei die erste Schicht eine Dicke im Bereich von 0,25 bis 20 μιη, bevorzugt im Bereich von 1 bis 6 μιη, aufweist.
Beschichtetes Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht zu > 60 Gew.-%, bevorzugt zu > 70 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 90 Gew.-% aus Titanoxid besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der zweiten Schicht, und/oder wobei die zweite Schicht eine Dicke im Bereich von 0, 1 bis 100 μιη, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 50 μιη, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 20 μιη aufweist.
Beschichtetes Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht über MAO-Poren verfügt, deren Verhältnis von Tiefe t, bestimmt als Differenz zwischen dem höchsten Punkt auf dem Grat der Pore und deren tiefsten Stelle, zum größten Durchmesser d, bestimmt am Grat der Pore in der senkrechten Draufsicht, > 0.5, bevorzugt > 1 , besonders bevorzugt > 2 ist, wobei die Zahl der MAO-Poren bevorzugt im Bereich von 200 bis 2500 MAO- Poren pro cm2, weiter bevorzugt im Bereich von 500 bis 1500 MAO-Poren pro cm2, besonders bevorzugt im Bereich von 600 bis 800 MAO-Poren pro cm2, liegt, wobei bevorzugt der Grund der MAO-Poren von Titanoxid gebildet wird, wobei vorzugsweise der Flächenanteil der Oberfläche des Substrates mit MAO-Poren 1-30 (Flächen-)%, bevorzugt 2-15 (Flächen-)%, besonders bevorzugt 3-10(Flächen-)% beträgt, und/oder wobei die zweite Schicht zu > 40%, bevorzugt zu > 50 %, besonders bevorzugt > zu 60% kristallin ist und/oder wobei die zweite Schicht Calciumphosphat umfasst und/oder wobei die zweite Schicht eine photokatalytische Aktivität aufweist.
6. Beschichtetes Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsschicht unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD- Verfahrens, bevorzugt eines PVD-Verfahrens, besonders bevorzugt eines Sputter- Verfahrens, erzeugt wurde.
7. Beschichtetes Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Grundkörpers vor der Beschichtung ganz oder zumindest in Bereichen durch mechanische Behandlung und/oder chemische Behandlung modifiziert wurde, wobei vorzugsweise die Oberfläche in den modifizierten Bereichen eine gemittelte Rautiefe Rz im Bereich von 1 bis 200 μιη, bevorzugt im Bereich von 2 bis 100 μιη, aufweist und/oder wobei die Oberfläche des Grundkörpers vor der Beschichtung ganz oder zumindest in Bereichen durch Plasmaätzung modifiziert wurde und/oder wobei zwischen dem Grundkörper und der ersten Schicht eine dritte Schicht angeordnet ist, die unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD-Verfahrens erzeugt wurde, wobei die dritte Schicht vorzugsweise aus anorganischen Materialien besteht und/oder vorzugsweise eine Schichtdicke < 1 μιη aufweist.
8. Beschichtetes Substrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verbund aus Grundkörper und sämtlichen Schichten über eine Haftfestigkeit von > 3 MPa, bevorzugt > 4 MPa, verfügt und/oder bei Zugbelastung senkrecht zur Substratoberfläche ein Kohäsionsbruch im Substrat erfolgt.
9. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Substrats nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Grundkörpers b) Beschichten des Grundkörpers mit einer Ausgangsschicht umfassend oder bestehend aus Titan c) Oxidieren der vom Grundkörper abgewandten Seite der Ausgangsschicht unter Verwendung eines MAO-Verfahrens zur Erzeugung einer zweiten Schicht umfassend oder bestehend aus Titanoxid und einer ersten Schicht umfassend oder bestehend aus Titan.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Grundkörper bezogen auf die Gesamtmasse des Grundkörpers zu > 80 Gew.-%, bevorzugt zu > 90 Gew.-%, weiter bevorzugt > 99 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 99,9 Gew.-%, aus einem oder mehreren Materialien besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Metallen, Keramiken, Polymeren und deren Kompositen, bevorzugt aus Polymeren oder Stählen besteht, besonders bevorzugt aus Polyetheretherketon besteht und/oder wobei das beschichtete Substrat ein Implantat ist und/oder wobei die Ausgangsschicht zu > 70 Gew.-%, bevorzugt zu > 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 95 Gew.-% aus Titan besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der ersten Schicht und/oder wobei die zweite Schicht zu > 60 Gew.-%, bevorzugt zu > 70 Gew.-%, weiter bevorzugt zu > 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zu > 90 Gew.-% aus Titanoxid besteht, bezogen auf die Gesamtmasse der zweiten Schicht, und/oder wobei die zweite Schicht über MAO-Poren verfügt, deren Verhältnis von Tiefe t, bestimmt als Differenz zwischen dem höchsten Punkt auf dem Grat der Pore und deren tiefsten Stelle, zum größten Durchmesser d, bestimmt am Grat der Pore in der senkrechten Draufsicht, > 0.5, bevorzugt > 1 , besonders bevorzugt > 2 ist, wobei die Zahl der MAO-Poren bevorzugt im Bereich von 200 bis 2500 MAO- Poren pro cm2, weiter bevorzugt im Bereich von 500 bis 1500 MAO-Poren pro cm2, besonders bevorzugt im Bereich von 600 bis 800 MAO-Poren pro cm2, liegt, wobei bevorzugt der Grund der MAO-Poren von Titanoxid gebildet wird, wobei vorzugsweise die Belegung der Oberfläche des Substrates mit MAO- Poren 1-30 (Flächen-)%, bevorzugt 2-15 (Flächen-)%, besonders bevorzugt 3-10 (Flächen-)% beträgt, und/oder wobei die zweite Schicht zu > 40%, bevorzugt > 50 %, besonders bevorzugt > 60% kristallin ist und/oder wobei die zweite Schicht Calciumphosphat umfasst. 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei das Beschichten in Schritt b) unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD-Verfahrens, bevorzugt eines PVD-Verfahrens, besonders bevorzugt eines Sputter-Verfahrens, erfolgt und/oder wobei vor Schritt b) die Oberfläche des Grundkörpers ganz oder zumindest in Bereichen durch mechanische Behandlung und/oder chemische Behandlung und/oder durch Plasmaätzung modifiziert wird und/oder wobei vor Schritt b) der Grundkörper mit einer dritten Schicht beschichtet wird, wobei die dritte Schicht unter Verwendung eines PVD-Verfahrens oder CVD-Verfahrens, vorzugsweise unter Verwendung des PECVD-Verfahrens, erzeugt wird, wobei die dritte Schicht besonders bevorzugt unter Verwendung einer BIAS-Spannung erzeugt wurde und/oder aus anorganischen Materialien besteht und/oder eine Schichtdicke < 1 μιη aufweist.
12. Verwendung des MAO-Verfahrens zum Herstellen eines beschichteten Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1.
13. Verwendung eines beschichteten Substrates nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Implantat.
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