Bewertung 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 Kriechverformungen 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«.

Wir charakterisieren biomedizinische Materialien und Implantate und identifizieren und bewerten kritische Faktoren für deren Zuverlässigkeit.

FuE-Leistungen zur Bewertung biomedizinischer Materialien und Implantate

Statistische Prüfung der Festigkeit von Werkstoffen, Grenzflächen, Implantaten, Schrauben und Ostheosynthese-Komponenten

• Auslegung von Hilfskörpern und Gelenken zur definierten Kraft- oder Momentenbelastung
• Statische und dynamische Belastungen
  • Viskoelastizität oder Kriechen
  • Bestimmung der Bulk-Festigkeit von Kompositen und Grenzflächen, Druckfestigkeit, diametrale Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, biaxiale Festigkeit (Ball-on-3-Balls), Doppeltorsion
  • Bestimmung von Haft- und Grenzflächenfestigkeit durch Abzugversuche, Druck-Scher-Festigkeit und weiteren
• Simulation der Belastungsverteilung
• Auslagerung und Prüfungen in physiologischer Umgebung und Temperatur
• Analyse der Schädigungen, z.B. Bruchbilder
• Beschreibung von Versagensszenarios und Abgleich mit Belastungsannahmen

Ermüdungsprüfung und Degradationsfortschritt von Werkstoffen und Komponenten, Klein- und Dentalimplantaten

• Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit über die Erstellung von Wöhlerkurven oder in Treppenstufenverfahrens
• Weg- oder Lastgeführte Prüfungen
• Auslegung von Hilfskörpern und Gelenken zur definierten Kraft- oder Momentenbelastung
• Oszillierende Belastungen und Simulation der Belastungsfunktion
•  Auslagerung und Prüfungen in physiologischer Umgebung und Temperatur
• Analyse und Dokumentation der Bruchbilder

Charakterisierung des Kriechverhaltens und des physikalischen Alterns von Werkstoffen

• Prüfung in 3-Punkt-Biegeanordnung in Anlehnung an Norm ASTM D2990-17
• Berücksichtigung des Phänomens der »physikalischen Alterung«
• Hydrothermale Vorauslagerungen
• Prüfung auf unterschiedlichen Belastungsniveaus
• Prüfung in physiologischen Medien und Temperatur
• Auswertung verschiedener Kriechgesetze (bei physikalischer Alterung nach Struik)

Messung der Bruchzähigkeit

• Linear-elastische Bruchzähigkeit in Anlehnung an ASTM E399-20.
• Single Edge V-Notched Beam (SEVNB)« – Bestimmung des anfänglichen K_Ic
• EXAKT 6000EA Prüfmaschine in Luft bei Raumtemperatur ausgeführt für R-Kurve
• Weitere K_Ic-Methoden: Chevron Notch Beam, Risslängen in Härteeindrücken

Charakterisierung des Dimensionsverhaltens, Schrumpf und Quellung

• Messung der kontinuierlichen Volumenänderung im Auftriebsverfahren
• Quellungsneigung, Wasseraufnahme durch sequentielle Wägung nach Auslagerung bei gewählter Temperatur
• Modellanpassung der Kinetik: Autokatalytisch, Arrhenius, Licht- und Dunkelpolymerisation und nach Bedarf

Schadensanalysen an Werkstoffen und Komponenten, Klein- und Dentalimplantaten

• Schadensbeschreibung, Bestandsaufnahme, Schadenshypothese, Instrumentelle Analysen, Auswertungen der Untersuchungsergebnisse und Analysen, Ermittlungen der Schadensursache
• Bruchbildanalyse mikroskopisch und mit SEM
• Modellsimulation zur Hypothesenprüfung der kritischen Belastung
• Empfehlungen für Abhilfemaßmahmen

Simulation der Belastung von Komponenten und Designunterstützung

• Abbildung von Kriechen und Viskoelastizität
• Abbildung der mehrachsigen Bulk-Festigkeit von homogenen Werkstoffen und Kompositen
• Abbildung von Haft- und Grenzflächenfestigkeit
• Anwendung der kinetischen und mechanischen Modelle in Finite-Elemente- bzw. kontinuumsmechanischer Simulation zur Berechnung der Belastung während der Veränderung oder für stabile Zustände
• Vernetzung und Simulation von 3D-Strukturen zur Ermittlung des lokalen und homogenisierten mechanischen Verhaltens.
• Auslegung kraftschlüssiger Fügeverbindungen
• Designanpassungen mit visuellen Methoden wie Zugdreiecken, Schubvierecken, Kraftkegel zu schnellen Designverbesserung

Statistische Berechnung des Versagenswahrscheinlichkeit 

• Statistische Festigkeitsmodelle zur analytischen oder Finite-Elemente Berechnung von volumenbasierten oder oberflächenbasierten Ausfallwahrscheinlichkeiten.
• Lokale Bewertung der Bauteilzuverlässigkeit (Versagenswahrscheinlichkeit) und Lebensdauer auf der Basis von FE-Belastungsanalysen und experimentell ermittelter statistischer Festigkeits- und Risswachstumsmodelle.

Aufbau von digitalen Prüfdatenbanken für den Kunden

• Verwendung von OPENBIS zur Prozess- und Datenerfassung
• Anwendung von skriptbasierten Datenauswertung in R oder Python
• Durchgängige Datenspeicherung und Datenauslese in Datenbanken

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Ausgewählte Forschungsprojekte

Biomechanische Simulation von Fingergelenksimplantaten und Zuverlässigkeitsbewertung

Im Projekt FingerKIt haben fünf Fraunhofer-Institute ein Konzept entwickelt, mit dem in einer automatisierten Prozesskette individualisierte Fingergelenksimplantate aus metallischen oder keramischen Werkstoffen schnell, sicher und zertifiziert hergestellt werden können.

Der Arbeitsschwerpunkt des Fraunhofer IWM lag auf der Bewertung. Dafür sind zentrale Kriterien der Belastung, der Dauerbelastung und der Steifigkeit zu definieren, auf deren Grundlage biomechanische Simulationen erfolgen können. Ergebnisse dieser Simulation sind mechanische Spannungen am Implantat in dessen direkter Umgebung.

Weitere Informationen:

Projektprofil: FingerKIt: Remobilisierung von Fingergelenken durch KI-basierte Rekonstruktion und Generierung patientenindividueller Keramikimplantate - Fraunhofer IWM

Publikation:

Koplin, C.; Schwarzer-Fischer, E.; Zschippang, E.; Löw, Y. M.; Czekalla, M.; Seibel, A.; Rörich, A.; Georgii, J.; Güttler, F.; Yarar-Schlickewei, S.; Kailer, A., Design of reliable remobilisation finger implants with geometry elements of a triple periodic minimal surface structure via additive manufacturing of silicon nitride, J — Multidisciplinary Scientific Journal,  6/1 (2023) 180-197; 42/2023 Link

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C. Koplin, R. Jaeger, and P. Hahn, “Kinetic model for the coupled volumetric and thermal behavior of dental composites.,” Dent. Mater., vol. 24, no. 8, pp. 1017–24, Aug. 2008

C. Koplin, R. Jaeger, and P. Hahn, “A material model for internal stress of dental composites caused by the curing process.,” Dent. Mater., vol. 25, no. 3, pp. 331–8, Mar. 2009.

R. R. Braga, C. Koplin, T. Yamamoto, K. Tyler, J. L. Ferracane, and M. V. Swain, “Composite polymerization stress as a function of specimen configuration assessed by crack analysis and finite element analysis,” Dent. Mater., vol. 29, no. 10, pp. 1026–1033, 2013

C. Koplin, G.VdS Rodriguez and R.d Jaeger (2014), "Multiaxial Strength and Stress Forming Behavior of Four Light-Curable Dental Composites," Journal of Research and Practice in Dentistry, Vol. 2014 (2014), Article ID 396766, DOI: 10.5171/2014.396766

V. F. Steier, C. Koplin, A. Kailer, and V. Franco Steier, “Influence of pressure-assisted polymerization on the microstructure and strength of polymer-infiltrated ceramics,” J. Mater. Sci., vol. 48, no. 8, pp. 3239–3247, Jan. 2013.

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