Untersuchung der Schichteigenschaften und Biokompatibilität von ALD Schichten auf PEEK

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URI: http://hdl.handle.net/10900/139600
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-1396007
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-80947
Dokumentart: Dissertation
Date: 2023-04-25
Language: German
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Physik
Advisor: Fleischer, Monika ( Prof. Dr.)
Day of Oral Examination: 2023-03-06
DDC Classifikation: 530 - Physics
Keywords: Atomlagenabscheidung , PEEK , Biokompatibilität , Titandioxid , Beschichtung
Other Keywords: Osseointegration
Schichthaftung
plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung
License: http://tobias-lib.uni-tuebingen.de/doku/lic_mit_pod.php?la=de http://tobias-lib.uni-tuebingen.de/doku/lic_mit_pod.php?la=en
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Inhaltszusammenfassung:

Polyetheretherketon (PEEK) besitzt vorteilhafte biomechanische Eigenschaften für lasttragende orthopädische Implantate, jedoch werden für die Osseointegration wichtige Eigenschaften wie die Adsorption von Proteinen und die Adhäsion von Zellen von PEEK nicht gefördert. Die Biokompatibilität von PEEK kann durch Beschichtungen aus Titan und Titanoxid (TiO2) verbessert werden. Das Aufbringen dieser Beschichtungen erfolgt üblicherweise mit verschiedenen Arten der physikalischen Gasphasenabscheidung. Bei diesen Verfahren erfolgt die Beschichtung durch ein gerichtetes Aufbringen von Material auf die im Blickwinkel der Beschichtungsquelle befindlichen Oberflächen. Sehr raue, oder hinterschnittene Bereiche des Implantats können mit diesen Verfahren mitunter nicht beschichtet werden. Die Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) ermöglicht die Abscheidung defektfreier, homogener und konformer Schichten auch auf komplexen dreidimensionalen (3D) Oberflächen. Bei temperaturempfindlichen Materialien wie PEEK ermöglicht die plasmaunterstützte ALD (engl. plasma enhanced ALD, PEALD) die Abscheidung bei niedrigeren Temperaturen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine PEALD-Anlage zur homogenen Beschichtung komplexer 3D-Oberflächen modifiziert und die Eigenschaften von abgeschiedenen TiO2-Schichten untersucht. Die Konformität der Beschichtungen wurde auf 3D-Teststrukturen untersucht. Die Vorteile des ALD-Beschichtungsverfahrens auf komplexen Geometrien konnten bei der Beschichtung von rauen PEEK-Oberflächen sehr gut anhand von Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen an einem Querschnitt-Schnitt beobachtet werden. Durch Änderung der Parameter der Vorbehandlung mit einem Sauerstoffplasma konnte gezeigt werden, dass die Schichthaftung von der Hydrophilie der PEEK-Oberfläche abhängt und durch optimierte Parameter eine weitere Verbesserung der Schichthaftung möglich ist. Kontaktwinkelmessungen haben gezeigt, dass TiO2-beschichtetes PEEK eine erhöhte Hydrophilie und Oberflächenenergie aufweist. Die Anhaftung von Proteinen und Zellen für ein verbessertes Einwachsverhalten wird dadurch gefördert. Die Biokompatibilität wurde mittels in-vitro Zelltests mit mesenchymalen ST2-Stammzellen untersucht. Die Ergebnisse deuten auf hervorragende osteokonduktive Eigenschaften hin. Des Weiteren konnte auf Referenzsubstraten eine antibakterielle Wirkung der TiO2-Schichten durch Besiedelungsversuche mit E. coli-Bakterien nachgewiesen werden. Außerdem wird eine Möglichkeit vorgestellt, mit welcher auf den TiO2-Schichten eine zu Hydroxyapatit ähnliche Calciumphosphat-haltige Schicht abgeschieden werden konnte, wodurch die bioaktiven Eigenschaften von PEEK-Implantaten weiter verbessert werden können.

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