Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

„LAVA“ kann Implantate verbessern

05.02.2016

Werkstoffwissenschaftler der Universität Jena entwickeln keramische Materialien weiter

Ob künstliches Hüftgelenk oder Zahnimplantat, „Ersatzteile“ im menschlichen Körper müssen nicht nur stabil und gut verträglich, sondern auch möglichst langlebig sein. Bislang kommen in der Endoprothetik vor allem Implantate aus Polymeren und Keramik bzw. Polymeren und Metall zum Einsatz.


Das Jenaer Forscherteam um Prof. Dr. Frank A. Müller (M.) nutzt die "Laser-Vaporization", um Nanopartikel für neue Keramik-Implantate herzustellen.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Doch manche Patienten reagieren mit Entzündungen auf Polymerabrieb, was die Haltbarkeit des Implantats einschränken kann. Zunehmend finden daher auch andere Werkstoffkombinationen Anwendung, beispielsweise Keramiken aus Zirkon- und Aluminiumoxid.

„Allerdings besteht für solche Keramiken hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie möglichst hoher Bruchzähigkeit, Festigkeit und Alterungsbeständigkeit noch erhebliches Optimierungspotenzial“, weiß Prof. Dr. Frank A. Müller von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Der Materialwissenschaftler und sein Team haben nun mit Partnern des spanischen Instituto de Ciencia de Materiales in Madrid ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Qualität von Zirkon-/Aluminiumoxid-Keramiken entscheidend verbessern lässt. In der gerade erschienenen Ausgabe des Online-Fachmagazins „Scientific Reports“ stellen sie Keramiken vor, die deutlich fester, zäher und alterungsbeständiger sind, als die bisher auf dem Markt verfügbaren Materialien (DOI: 10.1038/srep20589).

Die mechanischen Eigenschaften von Zirkon-/Aluminiumoxid-Keramiken hängen von der Mischung ihrer Ausgangsstoffe sowie der Körnigkeit des Materials ab. „Mit Yttrium stabilisierte Zirkonoxidkeramiken weisen eine hohe mechanische Stabilität auf und sind widerstandsfähig gegen die Ausbreitung von Rissen“, erläutert Prof. Müller. In Kombination mit Aluminiumoxid, das für minimalen mechanischen Abrieb sorgt, lassen sich Werkstoffe herstellen, die hervorragend als Implantate geeignet seien. „Je homogener die Mischung und je feiner die Körnigkeit, umso stabiler das entstehende Material.“

Mit ihrem Verfahren setzen die Jenaer Forscher an genau diesen beiden Punkten an. Als Ausgangsmaterialien für die Keramiken dienen feine Pulver von Yttrium-, Zirkon- und Aluminiumoxid, die homogen gemischt werden. Anschließend wird die Pulvermischung mit Hilfe eines CO2-Lasers verdampft. Bei dieser „Laser vaporization“ (kurz „LAVA“) genannten Methode, bilden sich aus dem etwa 6.000 Grad Celsius heißen Dampf beim Abkühlen winzige Tröpfchen, die zu Nanopartikeln erstarren, in denen die einzelnen Bestandteile wiederum homogen verteilt vorliegen.

Diese durchschnittlich 20 Nanometer kleinen Partikel werden anschließend gesintert – das heißt zur eigentlichen Keramik „gebacken“. Dazu betten die Materialwissenschaftler die Nanopartikel in eine Form aus Kohlenstoff ein, die mit elektrischem Strom unter hohem Druck auf über 1.000 Grad Celsius aufgeheizt wird. Nach nur wenigen Minuten ist das keramische Bauteil, etwa Komponenten für Hüft- oder Kniegelenke, fertig.

Wie das Forscherteam in seiner nun vorgelegten Publikation zeigen konnte, führt dieser Prozess zu einer sehr homogenen Keramik mit sehr feiner Körnung. „Die mechanischen Eigenschaften sind dadurch deutlich verbessert“, bringt es Müller auf den Punkt. So ließ sich die Bruchzähigkeit von Zirkonoxid-Keramiken im Vergleich zu heute erhältlichen Implantaten mehr als verdoppeln. Zudem steigt auch die Festigkeit der Materialien um etwa 50 Prozent an.

Bislang haben die Jenaer Forscher und ihre spanischen Kollegen einfache Geometrien dieser neuen Materialien lediglich im Labormaßstab hergestellt. „Die Herstellung auch im großen Maßstab für praktische Anwendungen ist aber durchaus möglich“, ist Prof. Müller überzeugt.

Original-Publikation:
Bartolomé JF et al. New ZrO2/Al2O3 Nanocomposite Fabricated from Hybrid Nanoparticles Prepared by CO2 Laser Co-Vaporization, Scientific Reports 2016, DOI: 10.1038/srep20589

Kontakt:
Prof. Dr. Frank A. Müller
Otto-Schott-Institut für Materialforschung (OSIM) der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Löbdergraben 32, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947750
E-Mail: frank.mueller[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fraunhofer IFAM erweitert den Forschungsbereich »Beschichtungen für Bewuchs- und Korrosionsschutz«
11.01.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Schrauben mit Köpfchen
10.01.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

17.01.2017 | Physik Astronomie

Wasser - der heimliche Treiber des Kohlenstoffkreislaufs?

17.01.2017 | Geowissenschaften

Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab

17.01.2017 | Biowissenschaften Chemie