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Qualität von Implantaten

Schnelle Einblicke mit optischer 3D-Messtechnik
Qualität von Implantaten

Die Anforderungen an die Qualität, Zuverlässigkeit und Biokompatibilität von Oberflächen medizintechnischer Komponenten und Produkte sind hoch. Gerade bei Implantaten, die in direktem Kontakt mit menschlichem Gewebe stehen, spielt die Oberflächenbeschaffenheit eine zentrale Rolle. Mit Hilfe von konfokalen 3D-Messsystemen kann ihre produktionsnahe Qualitätssicherung in hohem Maße verbessert und vereinfacht werden. Schnelligkeit, hohe Präzision bis in den Nanometerbereich und reale 3D-Daten zeichnen die berührungslose Technologie aus.

Die Charakterisierung von technischen Funktionsoberflächen im Mikro- und Nanometerbereich gewinnt immer stärker an Bedeutung. Für die erforderliche Bestimmung von Struktur, Rauheit nach DIN EN ISO, Mikrogeometrie oder Schichtdicke ist ein berührungsloses Messverfahren wie die Konfokalmikroskopie die optimale Lösung. Die 3D-Technologie ermöglicht eine Kontrolle, die über die mikroskopische Untersuchung im Laborbereich hinaus geht.

Im Gegensatz zum Rasterelektronenmikroskop (REM) kann die Qualitätsüberwachung direkt im Herstellungsprozess stattfinden und auch automatisiert werden. Darüber hinaus können dreidimensionale Eigenschaften der Oberflächen beschrieben werden, die mit zweidimensionalen Kennwerten alleine nicht eindeutig quantifizierbar sind.
Als spezialisierter Lösungsanbieter hat NanoFocus bereits zahlreiche Produktionsanlagen mit konfokalen 3D-Messsystemen für die Qualitätssicherung in Labor und Produktion ausgestattet. Mit der patentierten µsurf-Technologie lassen sich Oberflächenstrukturen nahezu aller Materialien exakt messen und darstellen. Herzstück der robusten Konfokalsensoren ist eine Multi-Pinhole-Disk, die unscharfe Bildanteile ausfiltert. Dabei bedarf es keiner langen Vorbereitungs- und Wartezeit: Typische Messzeiten der Systeme liegen im Bereich weniger Sekunden. Eingesetzt wird die Technologie etwa bei der Produktionskontrolle von Implantaten wie künstlichen Hüft- und Kniegelenken.
Rauheit, Topografie und Form mit einer Messung bestimmen
Das Knie ist das komplizierteste Gelenk des Menschen. Wenn es durch Verschleiß oder Krankheit zerstört wird, können moderne Endoprothesen die Funktionsweise wiederherstellen. Im Zusammenspiel der unterschiedlichen Materialien kommt es neben der körperlichen Beanspruchung und der Knochenbeschaffenheit vor allem auf die Oberflächenstruktur der künstlichen Kniescheibe aus Polyethylen an. Entscheidend für den therapeutischen Erfolg ist ihre Oberflächenrauheit im Mikrometerbereich. Optimal ist eine mikroskopische Schuppenstruktur. Deren Vorzugsrichtungen, so genannte Isotropien, sowie Wellenbereiche müssen untersucht sowie als Parameter für den späteren Produktionsprozess festgelegt werden, um eine gleichbleibend hohe Qualität zu produzieren.
Mit der µsurf-Messtechnik können alle relevanten Parameter mit einer Messung bestimmt werden. Ideal für die Untersuchung im Qualitätslabor ist etwa das kompakte µsurf basic, das sich mit Objektivrevolver unkompliziert auf unterschiedliche Oberflächen einstellen lässt. Mit der dazugehörigen Analysesoftware, die umfangreiche Möglichkeiten zur Dokumentation bietet, können dank hinterlegter Templates individualisierte Messreports auf Knopfdruck erzeugt werden. Für den produktionsnahen Einsatz eignen sich hingegen die modularen µsurf custom-Messsysteme, die am Produktionsstandort Oberhausen individuell nach Anforderung zusammengestellt werden.
Benutzerfreundlich und nanometergenau
Aufgrund der benutzerfreundlichen Software sind neue Anwender bereits nach wenigen Minuten in der Lage, eigenständig komplexe Messungen durchzuführen. Mittels konfokaler Bilderzeugung wird die 3D-Topografie errechnet, die Darstellung als Bild mit unendlicher Tiefenschärfe wird möglich. Die Größe eines Einzelmessfeldes variiert dabei je nach Objektiv zwischen 1,6 x 1,6 mm und 160 x 160 µm, mehrere Einzelmessfelder können mittels Stitchingfunktion als Gesamtbild nahtlos zusammengefügt werden. Auch extrem raue oder spiegelnde Oberflächen sowie steile Kanten, wie sie am Gewinde eines Dentalimplantats vorherrschen, können erfasst und ausgewertet werden. Der hochpräzise Piezoversteller und intelligente Auswertealgorithmen erlauben Messungen von Rauheiten im Bereich von wenigen Nanometern – so wie es etwa bei künstlichen Hüftgelenken der Fall ist.
Um die Biokompatibilität dieser Gelenkimplantate zu maximieren, setzen Hersteller verschiedene Verfahren zur Oberflächenbehandlung ein. Entscheidend sind hierbei Dauer und Druck der Polierprozesse. Poliert man zu schwach, ist die Oberfläche zu rau. Bei zu starkem Polieren wird das Material um härtere Partikel abgetragen. Es entstehen so genannte Karbide. Diese spitzen Erhebungen erzeugen unerwünschte Reibungen und Materialabtrag, die zu einer kürzeren Lebensdauer der Implantate und Entzündungen im Körper führen. Die µsurf-Systeme ermöglichen die Untersuchung der Oberfläche auf Defekte wie Karbide und Kratzer sowie die gleichzeitige nanometergenaue Rauheitsbestimmung nach DIN EN ISO in einem Messvorgang.
Automatisch messen und auswerten
Für die Auswertung der Messergebnisse bietet die Software µsoft analysis umfangreiche Funktionen an. Applikationsspezifische Module wie die Karbid-Analyse für die Oberflächenanalyse an Hüftimplantaten sind für viele Anwendungen erhältlich. Mit Hilfe der Karbid-Analyse etwa können Partikel auf der Oberfläche von künstlichen Hüftgelenken automatisch erkannt und ausgewertet werden. Kennwerte wie Anzahl pro Fläche, Höhenverteilung, Umfang und Ausdehnung werden so für jede neue Messung automatisch ermittelt, auch Parameter wie Rauheit und Isotropie werden mit abgebildet.
In Kombination mit der Automatisierungssoftware µsoft automation erlauben die Messsysteme auch eine fortlaufende Kontrolle der Produkttoleranzen im Herstellungsprozess. Aufgrund der kurzen Messzeiten der µsurf-Technologie kann im Falle einer Abweichung unmittelbar der Herstellungsprozess gestoppt und so teurer Ausschuss vermieden werden. So gewährleistet die 3D-Konfokalmikroskopie in Kombination mit intelligenter Software eine durchgehend hohe Qualität bei höchster Produktionseffizienz.
NanoFocus, Oberhausen www.nanofocus.de
Compamed Halle 08a Stand G19
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