Teilprojekt D9 - Biomimetische Keramiken

Herstellung, Bearbeitung und mechanische Prüfung von biomimetischen Keramiken

Projektbeschreibung:

Keramische Materialien für Implantate zeigen einen geringen Abrieb, weisen aber eine unzureichende elastische Verformbarkeit auf. Spannungsspitzen können des­halb den Bruch verursachen. Die Natur setzt in vielen mechanisch speziell belasteten Bereichen hart-elastische Kompositmaterialien ein. Ziel des Projektes ist die Ent­wick­lung neuer bio­mime­tischer Hybridmaterialien nach dem Bauprinzip des Perlmutts, bestehend aus Poly­meren und anorganischen Nanoteilchen. Diese Komposite sollen grund­legend hin­sichtlich ihrer Bearbeitbarkeit und ihrer mechanischen Eigenschaften getestet werden.

Die zum Vorbild für die zu entwickelnden Materialien herangezogenen natürlichen Kompositmaterialien bestehen aus einer elastischen bioorganischen und einer harten anorganischen Komponente und besitzen einen komplexen hierarchischen Aufbau. Durch diesen hierarchischen Strukturaufbau ergeben sich besondere mechanische Eigenschaften. So ist die Bruchzähigkeit einer Muschelschale 3000 mal so hoch wie die der reinen anorganischen Komponente Aragonit (Calcium­carbonat).

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen biomimetischen Materials für den Einsatz als Werkstoff für Implantate im Bereich der Endoprothetik (z.B. Hüfte oder Knie), wobei das Bauprinzip nicht aber die gesamte Chemie des Perlmutts nachgeahmt wird. Vielmehr sollen Komposite aus maß­geschneiderten Polymeren und angepassten anorganischen Nanoteilchen hergestellt werden. Die dazu notwendigen Methoden sind bisher nur wenig erforscht. Aus den Untersuchungen an natürlichem Perlmutt lassen sich die wesentlichen strukturellen Merkmale und Bauprinzipien heraus­arbeiten: a) die anorganische Substanz liegt in Form dünner Plättchen vor; b) die organische Substanz steuert die Kristallisation entsprechend, c) die Plättchen liegen mehr oder weniger parallel zueinander; d) die organische Substanz zeigt eine deutliche Affinität zur Oberfläche der anorganischen Substanz und „verklebt“ die Plättchen miteinander. Erste synthetische Ansätze zeigen, dass sich solche hierarchischen Strukturen zumindest als dünne Schichten im Labor herstellen lassen. Auch wenn somit prinzipiell chemisch-synthe­tische Zugangswege zu biomimetischen Materialien vorhanden sind, stellt die Herstellung größerer Grundkörper noch eine besondere Herausforderung dar, die im Rahmen des geplanten Projektes erstmalig untersucht wird. Fragestellungen sind beispielsweise:

Wie gering kann der Polymeranteil in den Hybridmaterialien werden? Lassen sich solide biomimetisch aufgebaute Ausgangskörper herstellen, die im Folgenden spanend bearbeitet werden können? Welche mechanischen Eigenschaften haben natürliche und biomimetisch hergestellte Materialien und wie werden diese durch den Herstellungsprozess beeinflusst? Wie ist das Gleit- und Verschleißverhalten der natürlichen Hybridmaterialien und der neuen Keramiken in einfachen Verschleiß­messungen und Roll-Gleit-Experimenten aber auch in physiologischen Bewegungs­prozessen unter dynamischen Bedingungen? Sind ggf. Lösungen vorteilhafter, bei denen eine metallische oder keramische Implantatbasis im Bereich der Gleitflächen mit Biomineral beschichtet wird?

Die Herstellung der biomimetischen Implantatmaterialien erfolgt in Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Technische Chemie der TU Braunschweig (Prof. Menzel, Polymersynthese und Herstellung der Komposite) und der Anorganischen Material­chemie der Universität Hannover (Prof. Behrens, Synthese von Nanoteilchen und Herstellung der Komposite). Die Entwicklung der Bearbeitungstechnologie und die Analyse der Randzonen- und Oberflächeneigenschaften werden am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Universität Hannover (Prof. Denkena) durchgeführt. Die Untersuchungen der neuen Materialien im Hinblick auf Bruchzähigkeit, Reibungs- und Verschleißeigenschaften wird an der Orthopädischen Klinik der MHH (Dr. Ostermeier) erfolgen. Erste orientierende zellbiologische Tests der neu entwickelten Materialien werden in Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten des SFB (insbesondere D1) durchgeführt.