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Projekt
P3 - Fischknochen: Knochen ohne Zellen als Modelle für ermüdungsresistente Nanokomposite: wie geht anosteozytischer Fischknochen mit Ermüdung um?
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Aldo Boccaccini; Professorin Dr.-Ing. Claudia Fleck
Fachliche Zuordnung
Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Biomaterialien
Biomaterialien
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516930787
Für Säugetierknochen wird allgemein angenommen, dass Osteozyten Dehnungen messen und den Knochenumbau und die Reparatur von Ermüdungsschäden einleiten. Knochen von fortgeschrittenen Teleosten haben jedoch keine Osteozyten. Wie ertragen sie Millionen von Belastungszyklen? Dieses robuste und ermüdungsresistente Material stellt ein ideales Vorbild für bioinspirierte Verbundwerkstoffe dar. Wir werden untersuchen, welche strukturellen Elemente auf welchen Längenskalen die Ermüdungsbeständigkeit von osteozytenfreien Fischknochen bestimmen und wie sie interagieren, im Vergleich zu zellulären Fischknochen. Zusammensetzung, Faserausrichtung und Porosität werden quantitativ mittels Histologie/Materialographie bewertet, mit Schwerpunkt auf 3D hochauflösenden Methoden. Dabei konzentrieren wir uns die Identifikation vorhandener Mikrorisse, nano-/mikroskaliger Porosität und nm-großer Eigenspannungen. Die Finite-Elemente-Modellierung, basierend auf Mikrotromographiedaten ganzer Knochen, wird mit Dehnungsdaten aus digitaler Bildkorrelation helfen, die Zusammenhänge zwischen Geometrie, Makroporosität, Spannung-Dehnung-Verteilung und in vivo Belastungssituation besser zu verstehen. Wir werden strukturelle Merkmale, die für die Ermüdungsbeständigkeit wichtig sind, auf organisch-anorganische Verbundwerkstoffe übertragen, wobei wir ihre relativen Anteile, über Längeskalen und durch Kombination verschiedener Verarbeitungswege modifizieren. Dabei spielt das Verständnis der Auswirkungen der Verarbeitung auf die organische Struktur und die organisch/anorganischen Grenzflächen eine besondere Rolle. Verbundfasern mit nano- oder mikroskaligen Durchmessern (zur Untersuchung hierarchischer Strukturen) und unterschiedlicher Steifigkeit werden aus natürlichen oder synthetischen organischen Vorläufern durch Schmelzelektrospinnen (MEW), Elektrospinnen und deren Kombination hergestellt. MEW-Strukturen mit unterschiedlichen Makrogeometrien werden mit oder ohne Hydroxylapatit (HA)-Nanopartikel zur Verbesserung der Ermüdungseigenschaften hergestellt, wobei Auswirkungen von Anisotropie durch Verwendung verschiedener Kristallformen berücksichtigt werden. Sandwich-Strukturen werden durch die Unterstützung dieser Makrostrukturen mit Nanofasern mit oder ohne eingebettete HA-Nanopartikel hergestellt. Alle Strukturen werden hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften untersucht. Alle Tests werden in simulierter Körperflüssigkeit durchgeführt, wobei viskoelastische Verformungen durch Haltezeiten und Frequenzvariationen berücksichtigt werden. Ermüdungsbedingte strukturelle Veränderungen werden sowohl im 2D- als auch im 3D-Zustand untersucht, genauso wie für den unbelasteten Zustand. Aus dem Blickwinkel eines biologischen Materials mit mittlerem Mineralgehalt tragen wir zur Forschungsgruppe Wissen darüber bei, wie die Zusammensetzung den Ermüdungswiderstand beeinflusst, und wie Nanokomposite mit einem Minimum an Artefakten geprüft werden können.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
