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Projekt
P2 “Schmelz”: Natürlicher Zahnschmelz und Wasserglas-basierte Komposite - Untersuchung der Beziehung von Struktur und Funktion zweier komplementärer Systeme im Hinblick auf ihre Ermüdungsfestigkeit
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr.-Ing. Claudia Fleck; Dr.-Ing. Oliver Görke; Privatdozentin Dr. Manja von Stein-Lausnitz
Fachliche Zuordnung
Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Biomaterialien
Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Biomaterialien
Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516930787
Zahnschmelz ist das härteste Material im menschlichen Körper und bildet die äußere Schicht der natürlichen Zahnkrone. Er weist eine komplexe hierarchische Struktur auf, besteht zu 95 % aus Hydroxylapatit (HA)-Nanofaserkristalliten, welche zu Stäben gebündelt und in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Zwischen Kristalliten und Prismen findet sich eine geringe Menge organischer Matrix. Die Mikro- und Nanoarchitektur des Zahnschmelzes und die Anordnung der anorganischen Nanokristalle tragen wesentlich zu seiner Ermüdungsbeständigkeit bei, die eine lebenslange Funktion ermöglicht. Dennoch können unter bestimmten Bedingungen Rissbildung und -ausbreitung den natürlichen Zahnschmelz schädigen, jedoch ist im Hinblick auf die Literatur über das Langzeit-Ermüdungsverhalten wenig bekannt. Natriumsilikat ("Wasserglas", WG) ist ein anorganisches Material, welches die (visko-) elastischen Eigenschaften je nach Wassergehalt und dem Verhältnis Na2O/SiO2 ändert. Es ist ein vielseitiges Material und kann in Kombination mit (Bio-)Polymeren zur Herstellung organisch-anorganischen Modellstrukturen bzw. Nano-Kompositen verwendet werden. Ziel dieses Projekts ist es, die Architektur des natürlichen Zahnschmelzes auf WG-basierte nano- bis zur makro-skalige Verbundwerkstoffstrukturen zu übertragen, wobei die Vielseitigkeit des WG bei der Formgebung genutzt werden soll. Wir werden spin-coating-, robocasting-, elektrospinning- und Elektrowriting-Techniken kombinieren, um vielseitige Formgebungsverfahren zur Herstellung von Kompositen zu evaluieren. Dabei spielt die Grenzfläche zwischen polymerer und anorganischer Phase eine wesentliche Rolle. Wir werden die umfangreichen Erfahrungen im Dental-Bereich mit der Verarbeitung von polymeren Adhäsiv-Materialien unter feuchten Bedingungen nutzen. Durch die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens sowohl von natürlichem Zahnschmelz, als auch von WG-basierten Kompositen sollen strukturelle Strategien und Merkmale identifiziert werden, die in ähnlicher oder vollkommen anderer Weise zur Ermüdungsfestigkeit beitragen. Um den relativen Beitrag der hierarchischen Nano- und Mikrostruktur zur Langzeit-Ermüdungsfestigkeit von natürlichem Zahnschmelz und von 2D-/3D-Kompositen auf WG-Basis zu verstehen, werden wir Ermüdungstests an Makro-Proben in einem Kausimulator und an Mikro- und Nanostrukturen mit zyklischer Nanoindentation im zentralen Ermüdungslabor durchführen. Als wichtige Parameter bei der Verarbeitung, Beschichtung, Nachbehandlung und Ermüdungsprüfung der WG-basierten Komposite werden der Wassergehalt, die chemische Zusammensetzung und die Temperatur berücksichtigt. Auf diese Weise werden wir zusammen mit den anderen FOR-Mitgliedern dazu beitragen, zuverlässige Verfahren für die Ermüdungsprüfung von biologischen und bioinspirierten Kompositen zu entwickeln.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
