Eine vergleichende Studie zur Korrosionsbeständigkeit von Ti-6Al-4V, hergestellt durch Materialextrusion und andere additive Fertigungstechnologien

Warum 3D-gedruckte Titanimplantate wichtig sind

Viele moderne Hüftprothesen, Knochenplatten und Zahnimplantatschrauben bestehen aus einer Titanlegierung namens Ti-6Al-4V. Dieses Metall ist stark, leicht und im Körper üblicherweise sehr widerstandsfähig gegen rostähnliche Schäden. Neue 3D-Druckverfahren versprechen günstigere, stärker individualisierbare Implantate, verändern jedoch zugleich die feine innere Struktur und Porosität des Metalls. Diese Studie stellt eine einfache Frage mit großen medizinischen Konsequenzen: Machen unterschiedliche 3D-Druckverfahren diese bewährte Legierung anfälliger für Korrosion und die Freisetzung von Metall ins Gewebe?

Verschiedene Wege, dasselbe Metall zu drucken

Die Forschenden verglichen drei fortgeschrittene 3D-Druckverfahren sowie eine herkömmlich gesmiedete Ausführung von Ti-6Al-4V. Zwei Verfahren, Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und Laser-Pulverbettfusion (LPBF), nutzen intensive Strahlen, um Schichten losen Pulvers zu schmelzen und dichte Bauteile zu erzeugen. Der neuere Material-Extrusions- (MEX-)Ansatz druckt stattdessen ein mit Metall gefülltes Kunststofffilament in Form, entfernt den Kunststoff und sintert dann das gepackte Metallpulver zu einem Festkörper. Obwohl alle vier Wege von derselben Zusammensetzung aus Titan, Aluminium und Vanadium ausgehen, hinterlassen sie sehr unterschiedliche Oberflächen, Poren und innere Kristallmuster im Metall. Diese verborgenen Unterschiede beeinflussen maßgeblich, wie Flüssigkeiten und gelöster Sauerstoff das Metall erreichen, wenn es als Implantat im Einsatz ist.

Raue Oberflächen und verborgene Hohlräume

Mit 3D-Oberflächenscans und Mikroskopen stellte das Team fest, dass alle 3D-gedruckten Proben raue, wellige Außenschichten aufwiesen. Diese Rauheit kann Fluch oder Segen sein. Einerseits fördert sie das Anwachsen von Knochen an Implantaten und verbessert so den Halt. Andererseits kann sie auch Bakterien Schutz bieten. Der entscheidende Unterschied zeigte sich im Inneren der Teile. EBM und LPBF erzeugten überwiegend dichtes Metall mit nur wenigen winzigen, gerundeten Poren. MEX dagegen enthielt ein periodisches Netzwerk größerer, länglicher Hohlräume, ausgerichtet entlang der gedruckten Filamente und Schichten. Dieses eingebaute Porennetzwerk sind nicht nur einige isolierte Fehler: Es bildet Pfade, die Flüssigkeit potenziell tief in das Bauteil eindringen lassen. Alle Proben zeigten dieselbe grundlegende „Zwei-Phasen“-Kristallstruktur, doch Form und Anordnung dieser Phasen unterschieden sich, was das unterschiedliche Verhalten der Legierungsbereiche unter korrosiven Bedingungen leicht verschieben kann.

Wie sich die Legierung in körperähnlichen Flüssigkeiten verhält

Um die Exposition im menschlichen Körper zu simulieren, tauchten die Forschenden die Proben in salzbasierte Lösungen bei Körpertemperatur und überwachten die während elektrochemischer Tests fließenden Ströme als Maß für Korrosionsaktivität. In einer mild aggressiven, körperähnlichen phosphatgepufferten Lösung bildeten alle 3D-gedruckten Legierungen — einschließlich MEX — eine stabile, schützende Oxidschicht auf ihren Oberflächen, ähnlich dem traditionellen geschmiedeten Metall. Nach vielen Stunden sanken die Ströme auf sehr niedrige Werte, was auf eine insgesamt ausgezeichnete Beständigkeit hinweist. Kleine Unterschiede traten bei glatt polierten Oberflächen zutage. In diesem Fall zeigten MEX-Bauteile geringfügig höhere Ströme, was darauf hindeutet, dass das Polieren in ihre großen Poren geschnitten und innere Flächen dem Lösungsmittel ausgesetzt hatte, wodurch die effektive Angriffsfläche für Korrosion vergrößert wurde. Dennoch verhielt sich MEX in dieser milderen Umgebung akzeptabel.

Was in raueren, sauren Bedingungen passiert

In extremeren Bedingungen, die lokale Umgebungen an Implantaten nachbilden sollen — etwa enge Spalten oder entzündetes Gewebe, in denen die Flüssigkeit sauer wird und Sauerstoff knapp sein kann — änderte sich die Lage. Kurztests in sehr sauren Salzlösungen zeigten, dass alle Ti-6Al-4V-Varianten schneller korrodierten und dass bestimmte mikroskopische Bereiche des Metalls eher als andere aufgelöst wurden. Die Forschenden beobachteten, dass eine der Legierungsphasen (die sogenannte Alpha-Phase) tendenziell etwas schneller korrodierte als die andere (Beta), was einen feinskalierten selektiven Angriff erzeugte. Über kurze Zeiten schienen die Gesamt-Korrosionsraten der unterschiedlichen Herstellungswege dennoch ähnlich zu sein. In Langzeitprüfungen über viele Wochen zeigte sich jedoch die tiefere Wirkung von Poren. Die geschmiedeten, EBM- und LPBF-Proben zeigten hauptsächlich sanftes, gleichmäßiges Abtragen mit nur gelegentlichen kleinen Gruben, und ihre Korrosionsraten verlangsamten sich sogar, als sich schützende Schichten verdickten. MEX-Bauteile dagegen verloren drei- bis fünfmal mehr Material. Die Mikroskopie offenbarte, dass bei polierter Außenfläche die miteinander verbundenen Makroporen direkten Zugang zur Prüfflüssigkeit erhielten. Dadurch konnte die saure Lösung entlang des Porennetzes eindringen, Hohlräume vergrößern und die Korrosion weit ins Innere vorantreiben.

Was das für zukünftige Implantate bedeutet

Für Patientinnen und Patienten sowie Entwickler ist die Kernbotschaft beruhigend, aber nuanciert. Wenn Ti-6Al-4V mit modernen strahlbasierten 3D-Druckverfahren (EBM und LPBF) hergestellt wird, bleibt seine Korrosionsbeständigkeit in körperähnlichen Flüssigkeiten vergleichbar mit dem herkömmlichen geschmiedeten Metall. Das Hauptproblem tritt bei sinterbasierten Material-Extrusionsverfahren auf: Das eingebaute Netzwerk großer, verbundener Poren kann die Dauerhaftigkeit in rauen, sauren Umgebungen, die gelegentlich an Implantaten entstehen, erheblich schwächen. Die Autorinnen und Autoren schließen, dass alle getesteten Herstellungswege unter normalen Bedingungen chemisch robuste Teile erzeugen können, MEX jedoch eine bessere Kontrolle der Porosität — durch optimiertes Drucken, Sintern oder Nachbehandlungen — benötigt, bevor es die für anspruchsvollste biomedizinische und technische Anwendungen erforderliche Langzeit-Korrosionsleistung zuverlässig erreichen kann.

Zitation: Lorenzi, S., Nani, L., Persico, T. et al. A comparative study on the corrosion resistance of Ti-6Al-4V produced via material extrusion and other additive manufacturing technologies. npj Mater Degrad 10, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00745-4

Schlüsselwörter: Titanimplantate, 3D-Druck, Korrosion, Biomaterialien, additive Fertigung