Development and investigation of a thermoplastic composite spinal implant under consideration of the interface between short and endless fibre reinforcement
- In recent years, thermoplastic composites (TPCs) have been increasingly used for
aerospace and automotive applications. But also other industrial sectors, such as the
medical technology, have discovered the benefits of this material class. Compared to
thermoset composites, TPCs can be recycled more easily, remelted, and welded. In
addition to that, TPC parts can be produced economically and efficiently. As an example,
short cycle times and high production rates of TPCs can be realised with the
injection moulding processing technology. Injection moulded parts have the advantage
that function integration is feasible with relatively little effort.
However, these parts are characterised by discontinuous fibre reinforcement. Fibres
are randomly distributed within the part and fibre orientation can show significant local
variations. Whereas the highest stiffness and strength values of the material are
achieved parallel to fibre orientation, the lowest values are present in transverse direction.
As a consequence, structural mechanical properties of injection moulded
discontinuous fibre reinforced parts are lower compared to their continuous fibre reinforced
counterparts. Continuous fibre reinforced components show excellent specific
mechanical properties. However, their freedom in geometrical product design is restricted.
The aim of this work is to extend the applicability of TPCs for structural mass products
due to the realisation of a high-strength interface between discontinuous and
continuous fibre reinforced material. A hybrid structure with unique properties is produced
by overmoulding a continuous unidirectional endless carbon fibre (CF) reinforced
polyether ether ketone (PEEK) insert with discontinuous short CF reinforced
PEEK. This approach enables the manufacturing of structural mass products in short
cycle times which require both superior structural mechanical properties and sufficient
freedom in product design. However, sufficient interface strength between the discontinuous
and continuous component is required.
This research is based on the application case of a pedicle screw system which is
a spinal implant used for spine stabilisation and fusion. Since the 1990s, CF-PEEK
has been successfully used for spinal cages, and recently also for pedicle screws and
pedicle screw systems. Compared to metallic implants, CF-PEEK implants show several
advantages, such as the reduction of stress shielding, the prevention of artefacts
in medical imaging technologies (X-ray, computer tomography scan, or magnetic resonance
imaging) or the avoidance of backscattering during radiotherapy. Pedicle screws,
which are used in the lumbar spine region, are subjected to high forces and moments.
Therefore, a hybrid composite pedicle screw was developed which is based on the
overmoulding process described before.
Different adherence tests were conducted to characterise the interface strength between
short and endless CF reinforced PEEK. However, no standardised test method
existed for interface strength characterisation of overmoulded structures. Sufficient interface
strength could only be achieved if a cohesive interface was formed. Cohesive
interface formation due to the melting of the surface of the endless CF reinforced PEEK
insert after contact with the molten mass required an insert pre-heating temperature of
at least 260 °C prior to overmoulding. Because no standardised test method existed
for interface strength characterisation of overmoulded structures, a novel test body was
developed. This cylinder pull-out specimen did not require any relevant rework steps
after manufacturing so that the interface strength could be directly tested after overmoulding.
Pre-heating of the endless CF reinforced PEEK inserts resulted in a 73%
increase in interface strength compared to non-pre-heated inserts.
In addition to that, a parametric finite element pedicle screw-bone model was developed.
By parametric optimisation, the optimal hybrid composite pedicle screw design
in terms of pull-out resistance was found. Within the underlying design space, the
difference in screw stability between the worst and the best screw design was approximately
12 %. The resulting design recommendations had to be opposed to the
manufacturing requirements to define the final screw design. The moulds of the injection
moulding machine were manufactured according to this design so that the hybrid
composite pedicle screw could be produced.
The findings of extensive material and interface characterisation were crucial for the
achievement of a cohesive interface between insert and overmould so that superior
structural mechanical properties of the hybrid composite pedicle screw could be
achieved. For example, the bending strength of hybrid composite screws was approximately
48% higher than the bending strength of discontinuous short CF reinforced
PEEK screws. Additionally, fatigue resistance was enhanced by the hybrid screw configuration
so that the risk of premature pedicle screw failure could be reduced. In the
breaking torque test, hybrid composite screws showed a reduction of 11% in their
breaking torque values compared to their discontinuous fibre reinforced counterparts.
However, not only in this test but also in the quasi-static and cyclic bending test, structural
integrity of the hybrid composite screws could be maintained which is important
for implant components.
- In den letzten Jahren ist die Nutzung thermoplastischer Verbundwerkstoffe (TPCs) gerade
in der Automobilindustrie und im Luftfahrtbereich stark gestiegen. Aber auch
in anderen Industriebereichen, wie zum Beispiel in der Medizintechnik, wurden die Potentiale
dieser Materialklasse erkannt. Im Vergleich zu duroplastischen Verbundwerkstoffen
können TPCs leichter recycelt, wieder aufgeschmolzen und geschweißt werden.
Außerdem können TPC Bauteile ökonomisch und effizient hergestellt werden.
Als Beispiel sei an dieser Stelle die Spritzgusstechnologie genannt. TPC Spritzgussbauteile
können in kurzen Zykluszeiten und in hohen Stückzahlen mit dieser Fertigungstechnologie
hergestellt werden. Außerdem besitzen Spritzgussbauteile den
Vorteil, dass Funktionsintegration mit vergleichsweise geringem Aufwand realisiert werden
kann.
Allerdings bringt die Spritzgusstechnologie neben diesen Potentialen auch einige
Nachteile mit sich. Zum Beispiel weisen spritzgegossene TPC Bauteile eine diskontinuierliche
Faserverstärkung auf. Die Fasern liegen regellos verteilt im Bauteil vor
und die Faserorientierung kann lokal starke Variationen aufzeigen. Während die höchsten
Steifigkeits- und Festigkeitswerte des Materials parallel zur Faserorientierung
erreicht werden, sind diese quer zur Faserorientierung am niedrigsten. In der Folge
sind die strukturmechanischen Eigenschaften dieser spritzgegossenen diskontinuierlich
faserverstärkten Bauteile niedriger im Vergleich zu kontinuierlich faserverstärkten
Bauteilen. Letztere zeichnen sich durch exzellente spezifische mechanische Eigenschaften
aus. Allerdings gibt es Restriktionen hinsichtlich ihrer geometrischen Produktdesignfreiheit.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung der Verwendungsmöglichkeiten von TPCs für
Strukturbauteile in großen Stückzahlen durch die Herstellung eines hochfesten Interfaces
zwischen diskontinuierlicher und kontinuierlicher Faserverstärkung. Durch das
Überspritzen eines kontinuierlich unidirektional endlos kohlenstofffaserverstärkten (CF
verstärkten) Polyetheretherketon (PEEK) Einlegers mit diskontinuierlichem kurz CF
verstärktem PEEK wird eine hybride Struktur mit besonderen Eigenschaften hergestellt.
Dieser Ansatz ermöglicht die Fertigung struktureller Massenbauteile in kurzen
Zykluszeiten, die sowohl hohe strukturmechanische Eigenschaften aufweisen als auch
ausreichende geometrische Produktdesignfreiheiten besitzen. Allerdings ist hierfür
eine ausreichende Interfacefestigkeit zwischen diskontinuierlicher und kontinuierlicher
Komponente erforderlich.
Diese Forschungsarbeit basiert auf dem Anwendungsfall eines Pedikelschraubensystems,
das als Spinalimplantat zur Stabilisierung und Fusionierung der Wirbelsäule
eingesetzt wird. Seit den 1990er Jahren wird CF-PEEK erfolgreich für Zwischenwirbelkäfige
verwendet. Neuerdings findet es auch Anwendung für Pedikelschrauben
und Pedikelschraubensysteme. Im Vergleich zu metallischen Implantaten besitzen
Implantate aus CF-PEEK einige Vorteile, wie zum Beispiel die Reduktion der Spannungsabschirmung,
die Verhinderung von Artefakten bei verschiedenen bildgebenden
Verfahren der Medizintechnik (Röntgen, Computertomographie oder Magnetresonanztomographie)
oder die Vermeidung von Rückstreuungen bei der Strahlentherapie.
Gerade bei Pedikelschrauben, die im lumbalen Wirbelsäulenbereich eingesetzt werden,
treten große Kräfte und Momente auf. Daher wird in dieser Arbeit eine hybride
Pedikelschraube aus Faserkunststoffverbund entwickelt, die mit dem oben beschriebenen
Überspritzungsprozess hergestellt wird.
Verschiedene Anbindungsuntersuchungen wurden durchgeführt, um die Interfacefestigkeit
zwischen kurz und endlos CF verstärktem PEEK zu charakterisieren. Allerdings
existierte kein standardisiertes Prüfverfahren, zur Bestimmung der Interfacefestigkeit
überspritzter Strukturen. Eine ausreichende Interfacefestigkeit konnte nur durch die
Herstellung eines kohäsiven Interfaces erreicht werden. Damit sich ein kohäsives Interface
ausbilden konnte, musste ein oberflächennahes Aufschmelzen des endlos CF
verstärkten PEEK Einlegers nach dem Kontakt mit der Schmelze erfolgen. Hierfür war
eine Einlegervorheiztemperatur von mindestens 260 °C vor dem Überspritzungsvorgang
erforderlich. Da kein standardisiertes Prüfverfahren für die Charakterisierung der
Interfacefestigkeit von überspritzten Strukturen existierte, wurde ein neuartiger Prüfkörper
entwickelt. Keinerlei nennenswerte Nachbearbeitungsschritte waren nach der Herstellung
dieses Zylinderauszugsprobekörpers erforderlich, sodass die Interfacefestigkeit
direkt nach dem Überspritzen geprüft werden konnte. Durch das Vorheizen des
endlos CF verstärkten PEEK Einlegers wurde eine Steigerung der Interfacefestigkeit
von 73% gegenüber nicht vorgeheizten Einlegern erreicht.
Darüber hinaus wurde ein parametrisches Pedikelschrauben-Knochen Modell basierend
auf der Methode der finiten Elemente entwickelt. Durch eine parametrische Optimierung
konnte das optimale Design der hybriden Pedikelschraube aus Faserkunststoffverbund
gefunden werden. Die Unterschiede in der Schraubenstabilität zwischen
dem schlechtesten und dem besten Schraubendesign unter Beachtung des zugrunde
liegenden Designraumes lagen bei etwa 12 %. Die resultierenden Designempfehlungen
mussten den Anforderungen aus dem Herstellprozess gegenübergestellt werden,
um das endgültige Schraubendesign definieren zu können. Entsprechend diesem
Design wurden die Werkzeuge der Spritzgussmaschine gefertigt, sodass die hybride
Faserkunststoffverbundschraube produziert werden konnte.
Die Erkenntnisse umfassender Material- und Interfacecharakterisierung waren von großer
Bedeutung für die Erzeugung eines kohäsiven Interfaces zwischen Einleger und
überspritztem Material, welches die Voraussetzung für ausgezeichnete Eigenschaften
der hybriden Faserkunststoffverbundschraube war. Beispielsweise war die Biegefestigkeit
der hybriden Pedikelschrauben aus Faserkunststoffverbund etwa 48% höher
als die der diskontinuierlich kurzfaserverstärkten PEEK Schrauben. Des Weiteren
konnte die Dauerfestigkeit der Schraube durch die hybride Schraubenkonfiguration
verbessert werden, sodass das Risiko eines vorzeitigen Schraubenversagens reduziert
wurde. Bei der Bruchmomentprüfung haben die hybriden Faserkunststoffverbundschrauben
im Vergleich zu den diskontinuierlich faserverstärkten PEEK Schrauben ein
um 11% verringertes Bruchmoment aufgezeigt. Die Strukturintegrität der hybriden
Faserkunststoffverbundschrauben war allerdings sowohl nach dieser als auch nach
der quasi-statischen und zyklischen Biegeprüfung weiterhin gegeben, was für Implantatkomponenten
von großer Bedeutung ist.