Biomedizinische Materialien und Implantate

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

© Fraunhofer IWM

An die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Biomaterialien und Implantaten werden hohe Anforderungen gestellt. Hierzu entwickeln wir geeignete mechanische Untersuchungen, unter anderem zur Festigkeit, zur Materialermüdung oder zum Verschleiß. Unsere Simulationstechniken wenden wir zur Lösung spezifischer Fragestellungen an. Für Partner aus der Medizintechnik oder dem Gesundheitswesen untersuchen wir orthopädische und zahnmedizinische Werkstoffe sowie Implantate wie Osteosyntheseplatten, Dentalimplantate und Dentalfüllungen oder Knochenzemente.

Leistungen

  • Bewertung der quasistatischen Festigkeit und des Ermüdungsverhaltens von Implantaten (Dentalimplantate, Osteosyntheseplatten, keramische Hüftgelenkskomponenten, resorbierbare Implantate, etc.)
  • Untersuchung der Ermüdung, des Kriechens und der Neigung zum Eigenspannungsaufbau von Knochenzementen
  • Bewertung des Einsatzverhaltens von Dentalwerkstoffen (Polymerisationsschrumpfung, Eigenspannungsaufbau, Festigkeit, Kriechverhalten, Abrasionsbeständigkeit, Polierfähigkeit, etc.)
  • Experimente und Simulationen zu mechanischen Eigenschaften von elektrostatisch gesponnenen Scaffolds
  • Untersuchungen zur Formgenauigkeit und Zuverlässigkeit in der generativen Fertigung
  • Bewertung von Lebensdauermodellen für keramische Implantate und andere Bauteile
  • Einsatzverhalten chirurgischer Instrumente
  • Detektion der Schädigung in Kunststoffen vor dem Versagen durch Einbau von duftstofftragenden Mikrokapseln

Themen

Zuverlässigkeit und Einsatzverhalten von biomedizinischen Materialien und Implantaten

Zuverlässigkeit und Einsatzverhalten biomedizinischer Materialien und Implantate

Hüftgelenksprothesen, Knochenzemente oder Dentalimplantate müssen im Patienten mehrere Millionen Lastzyklen überstehen, ohne an Materialermüdung zu Versagen. Knochenzemente sollten unter Last keine kritischen Kriechverformumgen aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften resorbierbarer Osteosyntheseplatten sollten sich während des Abbauprozesses in definierter Weise verändern. Eine Mikroknochenschraube soll beim Einschrauben in den Knochen schnell und definiert »greifen«. In die Entwicklung jedes Implantats und biomedizinischen Materials fließt Sachkenntnis unterschiedlicher Fachdisziplinen ein, bis sie im Patienten zum Einsatz kommen. Das Fraunhofer IWM trägt mit Untersuchungen zur Zuverlässigkeit von biomedizinischen Materialien und Implantaten (beispielsweise zur Ermüdungsfestigkeit, quasistatischen Festigkeit und Kriechbeständigkeit) zu deren sicherem Einsatz bei.

Leistungsangebot (PDF)

Langzeitbeständigkeit von biomedizinischen Materialien und Komponenten (PDF)

Kriechverhalten von Knochenzementen (PDF)

Prüfung der Ermüdungsfestigkeit enossaler Dentalimplantate nach ISO 14801 (PDF)

Biomedizinische Materialien und Implantate (PDF)

Auslegung künstlicher Adersysteme: ein biomimetischer Ansatz (PDF)

Mechanische Eigenschaften resorbierbarer Implantate (PDF)

Hauptkriterium für Dentalimplantate ist die mechanische Belastbarkeit (PDF)

 

nach oben

Fasern und Vliese in der Medizintechnik

Vliesstoffe aus ultradünnen Fasern, wie sie beispielsweise in einem elektrostatischen Spinnprozess hergestellt werden können, sind in den letzten Jahren wegen ihrer Eignung als Scaffolds für das Tissue-Engineering auf wachsendes Interesse gestoßen. Neben der Herstellung von elektrogesponnenen »non-wovens« liegt der Fokus auf den mechanischen Eigenschaften von Vliesen und Einzelfasern. Experimentelle Untersuchungen zur Zugfestigkeit von Einzelfasern oder der Orientierungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von Vliesen werden durch mechanische Modelle ergänzt, mit denen beispielsweise Transportprozesse (cell seeding, Nährstoffzufuhr, etc.) und mechanische Stimuli auf Zellen in Scaffolds simuliert werden können.

Herstellung und Charakterisierung elektrostatisch gesponnener Vliese (PDF)

nach oben

Zuverlässigkeit in der generativen Fertigung

Zuverlässigkeit in der generativen Fertigung

Generative Fertigungsverfahren gewinnen bei der Herstellung von Kleinserien maßgeschneiderter Bauteile und der Fertigung komplexer Bauteilstrukturen an Bedeutung. In der Medizintechnik können diese Verfahren eingesetzt werden, um patientenspezifische Implantate oder Implantate mit komplexen internen Strukturen und gradierte Bauteileigenschaften herzustellen. Der Übergang vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing erfordert jedoch, dass die gefertigten Teile einer zuverlässigen und definierten Qualitätskontrolle unterzogen werden. Die Kenntnis der Beziehung zwischen Verfahrensparametern, Mikrostruktur und Eigenschaften der Bauteile ist für eine zuverlässige generative Fertigung unabdingbar. Dazu werden Eigenspannungen und Formverzüge, die durch den schichtweisen Aufbau von Bauteilen im selektiven Laserschmelz- (SLM) Verfahren oder in der Stereolithographie entstehen, experimentell und rechnerisch beschrieben. Weiterhin werden die mechanischen Eigenschaften komplexer Strukturen, wie sie durch generative Verfahren erzeugt werden können, durch Finite-Elemente-Methoden untersucht.

Fraunhofer-Allianz generative Fertigung

Beitrag Euro-u-Rapid 2007 (PDF)

Beitrag Euro-u-Rapid 2008 (PDF)

nach oben

Eigenschaften und Einsatzverhalten von Dentalersatzwerkstoffen

Eigenschaften und Einsatzverhalten von Dentalersatzwerkstoffen

Dentalkomposite unterliegen unter anderem mechanischen, chemischen, verarbeitungstechnischen und zunehmend ästhetischen Anforderungen. Die Entwicklung moderner Komposite stellt daher einen andauernden Verbesserungsprozess dar, bei dem immer wieder optimale Kompromisse eingegangen werden müssen, um den unterschiedlichen Ansprüchen zu genügen. Zusätzlich zu den Prüfungen, die in den gängigen Normen beschrieben sind, werden Methodiken entwickelt, die beispielsweise die Abrasionsbeständigkeit oder Polierfähigkeit der Werkstoffe aufzeigen, das Volumen- und Temperaturverhalten während Aushärteprozessen bestimmen oder die Spannungsentwicklung von Dentalkompositen durch die Lichthärtung oder Wasseraufnahme analysieren. Versiegler oder Adhäsive können mit einer selbstentwickelten Methodik im Minizugversuch oder auch im Scherversuch geprüft werden.

Abrasions- und Polierwirkung von
zahnmedizinischen Prophylaxepasten (PDF)

Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften
von Dentalkompositen während der Aushärtung (PDF)

Dentalmaterialien und Modelle Materialverhalten dental (PDF)

nach oben

Informationen

Lehre

Sommersemester 2009 und Wintersemester 2009/2010, Lehrauftrag Medizintechnik und Projektmanagement - Raimund Jaeger, Hochschule Reutlingen

IADR-CED with NOF & ID, Munich, Germany, 10-12.9.09, 11.09.09: Christof Koplin, Calculating the distribution and development of internal stress during curing of dental composites

Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Frensemeier, M.; Koplin, C.; Jaeger, R.; Kramer, F.; Klemm, D., Mechanical properties of bacterially synthesized nanocellulose hydrogels, Macromolecular Symposia 294/2 (2010) 38-44
  • Knoll, H.; Weidenauer, W.; Ingram, P.; Bennemann, S.; Brand, S.; Petzold, M., Ceramic substrates with aluminum metallization for power application, in Proc. of Electronics System Integration Technology Conference ESTC 2010; Fraunhofer IZM, Berlin (2010) CD-ROM

nach oben

  • Jaeger, D.; Schischka, J; Bagdahn, J.; Jaeger, R.,Tensile Testing of Individual Ultrathin Electrospun Poly(L-lactic acid) Fibers, J. Appl. Polym. Sci. 114, 2009, 3774–3779, Volltext auf Publica
  • Jaeger, R.; Koplin, C.; Gurr, M.; Meiners, W., Internal Stresses and shape distortions in generatively manufactured implants, in Proc. of Regenerative Medicine, Hughes, D.; Manzotti, E. (Eds.), Future Medicine Ltd. London, UK (2009) 103-104, Volltext auf Publica
  • Jaeger, R., Simulation beachtet Gewebezüchtung, Medizin & Technik 06, 94-95, 2009
  • Jaeger R., Hauptkriterium für Dentalimplantate ist die mechanische Belastbarkeit, MM Das Industriemagazin 20, 2009, 70-72 Link zum PDF
  • Koplin, C.; Gurr, M.; Kübler, R.; Mühlhaupt, R.; Jaeger, R., Formgenauigkeit in der Stereolitographie, Konstruktion 11/12 (2009) IW 11-12
  • Koplin, C.; Jaeger, C.R.; Hahn, P., A material model for internal stress of dental composites caused by the curing process, Dental Materials, 25(3), 2009, 331-338, Volltext auf Publica
  • Kuzmychov, O.; Koplin, C.; Jaeger, R.; Büchner, H.; Gopp, U., Physical aging and the creep behavior of acrylic bone cements, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 91/2 (2009) 910-917, Volltext auf Publica
  • Renz, A.; Kailer, A.; Koplin, C., Testing the feasibility of new ceramic cutting tools – a case study on experimental and numerical evaluation of geometry and machining techniques, in Proc. of 11th International Conference and Exhibition of the European Ceramic Society; Bućko, M. M.; Haberko, K.; Pędzich, Z.; Zych, L. (Eds.), Polish Ceramic Society, Krakau, Polen (2009) 1006-1012

nach oben

  • Helm, D.; Jaeger, R.; Ebel, D., Simulationsgestützte Auslegung von FGL-Bauteilen, Konstruktion 7/8, 2008, IW8
  • Koplin, C.; Gurr, M.; Mülhaupt, R.; Jaeger, C.R.,Shape accuracy in stereolithography: A material model for the curing behavior of photo-initiated resins, Proceedings Euro-uRapid 2008; Berlin, Germany, September 23-24, 2008; 315-318 Link zum PDF
  • Koplin, C., Entwicklung eines Materialmodells für zahnärztliche Füllungen auf Kompositbasis, Dissertation, Shakerverlag, Schriftenreihe. (2008) ISBN 978-3832269401
  • Koplin, C.; Hahn, P.; Jaeger, R., Kinetic model for the coupled volumetric and thermal behavior of dental composites, Dent. Mat. 24, 2008, 1017-1024 Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Kock, H.J.; Huber, F.X.; Hillmeier, J.; Jaeger, R.; Volkmann, R.; Handschin, A.E.; Letsch, R.; Meeder, P.J., In-vitro-Untersuchungen unerschiedlicher PMMA-Knochenzemente – ein erster Vergleich neuer Materialien für die Endoprothetik, Z. Orthop: Unfall 146, 2008, 108-113

nach oben

  • Jaeger, R.; Koplin, C.; Brand, M.; Meiners, W.; Jansen, S., Improving the Reliability in Rapid Manufacturing of metallic Components, Proceedings Euro-uRapid 2007; Berlin, Germany, December 3-4, 2007 Link zum PDF
  • Jaeger, C.R.; Koplin, C.; Pfeiffer, W.; Burdack, M.; Jansen, S., Eigenspannungen in der generativen Fertigung. Konstruktion, Vol.2007 (2007), No.11/12, IW8-IW9
  • Sauerbier, C.; Jaeger, R., Mechanical characterization of bio-compatible, electro-spun non-wovens, J. Biomech., 39 suppl. 1, 2006, 262

nach oben

  • Boehlert, C.J.; Cowen, C.J.; Jaeger, C.R.; Niinomi, M.; Akahori, T., Tensile and fatigue evaluation of Ti-15Al-33Nb(at.%) and Ti-21Al-29Nb(at.%) alloys for biomedical applications, Materials Science and Engineering C: Biomimetic and Supramolecular Systems, 25, 2005, 263-275
  • Jaeger, R.; Deissenbeck, M.; Jaeger, D.; Soltész, U., Abrieb von Dentalersatzwerkstoffen durch Prophylaxepasten, Quintessenz, 56, 2005, 61-65
  • Soltész, U.; Schäfer, R.; Jaeger, R.; Gopp, U.; Kühn, K.-D., Fatigue Testing of Bone Cements – Comparison of Testing Arrangements, Journal of ASTM International, 2, 2005, paper ID JAI13105.
  • Soltész, U.; Koplin, C.,Polymerisationsschrumpfung neuer Komposit-Füllungswerkstoffe, Zahnärztliche Mitteilungen, 8 (2004); 54-60

nach oben