Ein Beitrag zur zellularen Bauweise von Implantatwerkstoffen nach dem Vorbild der Natur

An die Implantatwerkstoffe in der Medizintechnik werden hohe Anforderungen hinsichtlich Biofunktionalität und Biokompatibilität gestellt. Zur Erfüllung dieser Eigenschaften bestehen viele Implantatwerkstoffe aus einem homogenen Vollmaterial. Die Verwendung zu steifer oder zu weicher Werkstoffe führt jedoch zu einer Veränderung des Lastpfades und somit zu einem, durch ” Stress-Shielding“ hervorgerufenen adaptiven Knochenumbauprozess. Hierdurch kann es zum Versagen des Implantats oder zur Schädigung angrenzender Bereiche kommen. Um ein Versagen durch Steifigkeitsunterschiede zu vermeiden, wird in dieser Arbeit ein pulvermetallurgisch hergestellter, bionischer Titanschaum mit knochenähnlicher Struktur und knochenähnlichen Eigenschaften erforscht. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Charakterisierung des mechanischen Verhaltens unter statischer und zyklischer Belastung. Weiterhin werden die Einflüsse explizit gewählter Parameter (z. B. Porosität, Porengröße) auf das Werkstoffverhalten herausgearbeitet und die Einsatzmöglichkeiten am Beispiel eines Bandscheibenimplantats bewertet. Auf der theoretischen Seite wird eine Berechnungsroutine vorgestellt, welche die Lebensdauervorhersage für den zellularen Werkstoff mittels der Finite Elemente Methode ermöglicht. Aus den Simulationsergebnissen und den experimentellen Daten werden anschließend erste Materialparameter über Parameteridentifikation abgeleitet. Zum Abschluss werden Möglichkeiten zur Beschreibung knochenähnlicher Strukturen diskutiert.