Helmholtz Forschungsbereich: Information

Institut für Metallische Biomaterialien

Die Lebenserwartung der Bevölkerung nimmt zu, außerdem betreiben immer mehr Menschen risikoreiche Sportarten. Vor diesem Hintergrund entwickelt das Institut für Metallische Biomaterialien neuartige Werkstoffe für medizinische Implantate auf Basis von Titan und Magnesium. Ein Ziel besteht darin, die Biokompatibilität von dauerhaft eingepflanzten Titan-Implantaten zu verbessern, indem wir nicht-toxische Legierungen entwickeln und die Materialien an die mechanischen Eigenschaften des Knochens anpassen. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Magnesium-Legierungen, die sich mit der Zeit im Körper abbauen. Indem wir den Legierungen pharmazeutisch aktive Elemente wie antimikrobielles Silber beifügen, sollen während des Magnesiumabbaus neuartige Regenerations- oder Therapieeffekte wirksam werden. Unsere Arbeiten decken die gesamte Prozesskette ab, inklusive Untersuchungen in Tiermodellen sowie der intensiven Nutzung von In-situ-Methoden.

Kontakt

DAAD-Rise-Stipendiatin Janice Xie bei MBB

Janice Xie (Foto: Heike Helmholz)

Janice Xie ist Studentin an der Northwestern University in Illinois, USA, und studiert Materialwissenschaften und Ingenieurwesen mit Schwerpunkt Biomaterialien. In ihrer Zeit bei uns erforscht sie vor allem die Fremdkörperreaktion auf Mg-Li-Legierungen.

zum News Artikel im Hereon Intranet

Überbrückung der Lücke zwischen in vitro und in vivo Abbauraten von Mg-xGd Implantaten

Die mit dem Surrogatmodell berechnete Abbaurate im Vergleich zu den experimentellen Daten. Für die Proben nach 4 und 8 Wochen sind Volumendarstellungen eingefügt

Ist es möglich, den in vivo Abbau von Magnesiumimplantaten auf der Grundlage ihres Abbauverhaltens in vitro vorherzusagen? In unserer Veröffentlichung "Utilizing Computational Modelling to Bridge the Gap between In Vitro and In Vivo Degradation Rates for Mg-xGd Implants" haben wir ein sogenanntes Surrogatmodell entwickelt, das mittels eines rechenintensiveren Computermodell trainiert wird. Durch die Kalibrierung des Surrogatmodells mit experimentellen Datensätzen aus dem in vitro und dem in vivo Abbau von Magnesiumschrauben konnten wir einen Parameter finden, mit dem wir das eine auf das andere übertragen können. In diesem Fall können wir die Diffusionsraten von Mg2+-Ionen in den verschiedenen Systemen miteinander verknüpfen. In Zukunft könnte es möglich sein, die Abbauraten abzuschätzen, indem solche Verknüpfungen zwischen den aus in vitro und in vivo Experimenten abgeleiteten Diffusionsraten durch Surrogatmodelle genutzt werden. Dies würde es uns ermöglichen, Schlussfolgerungen über die in in vivo Abbauraten allein aus in vitro Experimenten zu ziehen.

Zum Artikel Al Baraghtheh et al., Corros. Mater. Degrad. 2023 4(2):274-283 (engl.)

Editor’s Choice Artikel: In-Situ-Synchrotron Diffraktionsstudie von Magnesium-Verbundwerkstoffen

MB Grafik Domonkos editors choice paper 2023

Makroskopische wahre Dehnung (links), Dehnung auf den crystallographischen Ebenen (Mitte) und Intensität (rechts) gegen wahre Spannung für AZ91/C100/5f im extrudierten Zustand

Im Sinne der Nachhaltigkeit in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie ist die Verwendung leichter Materialien. Magnesium ideal: Magnesium ist leicht, hat eine hohe spezifische Festigkeit, gute Umformbarkeit und Gießbarkeit. Diese Eigenschaften sowie die Korrosionsbeständigkeit und Duktilität kann durch die gezielte Legierunsauswahl weiter verbessert werden. Mg basierte Verbundwerkstoffe (MMC) bieten erhöhte Festigkeit, wobei das geringe Gewicht des Matrix-Materials erhalten bleibt. Bei der Wahl der Verstärkung kann auch die Nachhaltigkeit berücksichtigt werden. Recycelte Kohlenstofffasern (rCFs), die aus kohlenstofffaserverstärkten Polymeren gewonnen werden, behalten viele ihrer mechanischen Eigenschaften bei, sind aber günstiger und weniger energieintensiv in der Herstellung als eine Neuproduktion. Als Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Hochleistungsverbundwerkstoffe wurde in der Studie von unserem Institut gemeinsam mit unserem Partnerinstitut für Material- und Prozessdesign und der Universität Cambridge Synchrotronstreuung angewendet, um zu verstehen, wie Wärmebehandlungen und die rCF-Verstärkung die aktiven Verformungsmechanismen während einer Druckbelastung beeinflussen. Die zugehörige Publikation wurde als Editor's Choice Article in Crystals veröffentlicht.

Zum Artikel Mance et al., Crystals 2022 12(11):1502 (engl.)

Helmholtz Imaging 'Best Scientific Image' Wettbewerb 2023: 1. Platz in der Kategorie ,participants choice award'

Magnesium-Aquarellwirbel von Sarkis Gavras (Hereon)

Sarkis Gavras gewann mit seinem Bild eines Magnesium-Aquarellwirbels den ersten Platz beim Best Scientific Image Contest 2023 in der Kategorie „Participants‘ Choice Award“. Dieses optische Bild mit polarisiertem Licht zeigt die Vergrößerung einer Magnesiumlegierung mit einer bunten Anordnung kleiner Körner, die sich am Rand einer wirbelförmigen Pore gebildet haben.

Best Scientific Image 2023 (engl.)

Implantatmaterial und Knochenmorphologie beeinflussen gleichermaßen Implantatstabilität

In unserer aktuellen Veröffentlichung “On the material dependency of peri-implant morphology and stability in healing bone” untersuchten wir das Verhalten von Knochenimplantaten unter Belastung in einer realistischen Umgebung. Dazu wurden an den von Hereon bei DESY betriebenen Strahllinien Push-out-Tests von Schraubenimplantaten aus Titan, PEEK und biologisch abbaubare Magnesium-Gadolinium-Legierungen dynamisch in 3D mittels Mikro-Computertomographie abgebildet.
So konnten die Spannungen im Knochen rund um die Implantate und die Knochenimplantat-stabilität experimentell visualisiert und quantitativ verglichen werden. Die Studie zeigt, dass Knochenmorphologie und Lastübertragung vom Implantat auf den Knochen stark materialabhängig sind. Insofern ist die Implantatstabilität eine Funktion unterschiedlicher Strukturparameter. Wir gehen daher davon aus, dass die Wahl des Materials für das Knochenimplantat der Zukunft nicht nur eine Wahl zwischen einem oder zwei Materialien sein wird, sondern genauso von der Form der Fraktur und der Knochengesundheit des Patienten abhängt.

Zum Artikel Bruns et al., Bioactive Materials 28 (2023):155-166 (engl.)