Entwicklung von neuartigen Multi-Komponenten-Werkstoffsystemen für biomedizinische Anwendungen

Unter dem Begriff Multi-Komponenten-Werkstoffe werden Legierungssysteme zusammengefasst, die im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen (z.B. Fe-C, Al-Si, Ti-Al) nicht auf einer Hauptkomponente basieren, sondern aus einer Vielzahl von Legierungselementen in äquiatomaren oder variierenden Gehalten bestehen. Diese Systeme reichen von der Gruppe der High-Entropy Alloys (HEAs) über Medium-Entropy Alloys (MEAs) bis hin zu Compositionally Complex Alloys (CCAs). Die Besonderheit der Mehrkomponenten-Werkstoffe liegt in deren physikalischen und thermodynamischen Phänomenen (Hochentropieeffekt, Cocktail-Effekt, Effekt der langsamen Diffusion, etc.), welche zu herausragenden mechanischen Werkstoffeigenschaften führen. Besonders in der Entwicklung von Hochtemperaturwerkstoffen haben sich Refraktärmetalle wie Mo, Nb, Ta und Ti als essentielle Komponenten herauskristallisiert. Gleichzeitig sind die genannten Metalle biokompatibel. Diese Eigenschaft wird bei der Entwicklung von Mehrkomponenten-Legierungen für biomedizinische Anwendungen aufgegriffen. Im Zuge des Forschungsvorhabens werden am Lehrstuhl für Hochtemperaturwerkstoffe der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Werkstoffkonzepte erarbeitet und Legierungen entwickelt, welche im Anschluss in Kooperation mit der Professur für experimentelle Orthopädie, Frau Prof. Dr. rer. nat. Bertrand, auf die Kompatibilität mit verschiedenen biologischen Zelltypen untersucht werden. Ziel des Vorhabens ist es, ein neuartiges Multi-Komponenten-System mit herausragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Biokompatibilität für medizintechnische Anwendungen, wie Implantate, zu entwickeln.

Development of novel multi-component material systems for biomedical applications

Multi-component materials are known as alloys which are based on a variety of elements in equiatomic or highly concentrated fractions, instead of the concept of alloys based on one mayor element. Materials classes like High-Entropy alloys (HEAs), Medium-Entropy alloys (MEAs) and Compositionally Complex Alloys (CCAs) belong to these systems. The special feature of multicomponent alloys is due to the physical and thermodynamic conditions (high entropy effect, cocktail effect, sluggish diffusion effect, etc.), which lead to outstanding mechanical and physical material properties. Especially refractory elements such as Mo, Nb, Ta and Ti have emerged as essential components regarding the development of high-temperature materials. However, an additional aspect has rather moved into the background: the biocompatibility of many refractory metals. This property is considered as a key aspect in the development of multicomponent alloys for biomedical applications. In the course of this research project, materials conception and alloy development is carried out at the chair of high-temperature materials of Otto-von-Guericke University Magdeburg, whilst biocompatibility experiments and validation are conducted in cooperation with the chair of experimental orthopedics under supervision of Prof. Dr. rer. nat. Jessica Bertrand. The aim of this project is to develop a novel multi-component alloying system with outstanding mechanical properties, combined with optimized biocompatibility with respect to different biological cells and tissue for the use in biomedical applications.