Herstellung von β-Tricalciumphosphat Gerüsten durch Gefrierstrukturierung sowie Aufklärung und Evaluation der Methode

Titelangaben

Flauder, Stefan:
Herstellung von β-Tricalciumphosphat Gerüsten durch Gefrierstrukturierung sowie Aufklärung und Evaluation der Methode.
Jena , 2016 . - 134 S.
( Dissertation, 2016 , Friedrich-Schiller-Universität Jena, Physikalisch-Astronomische Fakultät)

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Abstract

Die vorliegende Arbeit soll zur Aufklärung und Weiterentwicklung des Verständnisses der grundlegenden Mechanismen der Gefrierstrukturierung beitragen und am Beispiel von β-TCP das Potential der Methode und dessen Grenzen aufzeigen. Ein konsistentes theoretisches Grundgerüst wird aus der vorhandenen bekannten Literatur, den eigenen Beobachtungen und abgeleiteten Erklärungsmodellen dargestellt. Die erfolgreiche Anwendung der Gefrierstrukturierungsmethode auf β-TCP führt zu Gerüsten mit durchgängigen und gerichteten lamellaren Poren. Die lamellaren Poren werden aus der Erzeugung anisotroper Eiskristallplättchen mit nachweislicher Orientierung der c-Achse senkrecht zur Erstarrungsrichtung gebildet. Dabei lässt sich die Porosität zwischen 47 bis 87 % durch den Feststoffgehalt der Suspension von 10 bis 30 Vol-% einstellen. Die Geschwindigkeit der gerichteten Suspensionserstarrung zwischen 10 und 30 µm/s legt die Keramiklamellenbreite von 4,5 bis 22 µm und die Porenbreite von 8 bis 40 µm fest. Durch die gezielte Festsetzung der Gerüststruktur lassen sich die mechanischen Eigenschaften variieren und Gerüste mit Druckfestigkeiten von 0,3 bis 53 MPa erzeugen. Mit steigender Erstarrungsgeschwindigkeit lassen sich bei konstanter Porosität die Druckfestigkeiten der Gerüste durch Änderungen der Struktur und Strukturgrößen erhöhen. Hierfür wird ein qualitatives Erklärungsmodell auf Grundlage der Bruch- und Strukturmechanik abgeleitet. Eine konstante Erstarrungsfrontgeschwindigkeit wird durch die Anwendung eines Erstarrungsfunktionsansatzes auf Basis einer analytischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung umgesetzt. Dies ist der Schlüssel für die Erzeugung konstanter Strukturgrößen innerhalb der Gerüste, insbesondere für hohe Erstarrungsgeschwindigkeiten und große Probenhöhen. Die Gültigkeit der Funktion und Strukturbildung wird experimentell nachgewiesen. Die Abhängigkeit der Strukturgröße von der Erstarrungsgeschwindigkeit und den physikalischen Eingangsgrößen der Suspension lässt sich durch eine Erstarrungstheorie beschreiben und berechnen. Eine Imprägnation der Gerüste mit dem resorbierbaren Polymer PCL führt zu Kompositgerüsten mit gesteigerter Schadenstoleranz, Energieaufnahme während des Bruches und Festigkeit. Ein mikrostrukturelles Modell beschreibt dieses mit der Bildung von verstreckten PCL Mikrofibrillen und deren Einfluss auf eine Reduzierung kritischer Rissspitzenspannungen. Die Eignung der β-TCP Keramik- und β-TCP/PCL Kompositgerüste als Knochenersatzmaterial ist aus der Abschätzung der Literaturerkenntnisse gegeben und muss durch in vivo und in vitro Studien noch bestätigt werden.