Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Zuverlässigkeit und Einsatzverhalten von biomedizinischen Materialien und Implantaten

© SCYON Orthopaedics Technology Center Au
Probe zur Messung der Wechsellastfestigkeit einer Hüftgelenksprothese.

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«.
Vliesstoffe aus elektro-gesponnenen ultra-dünnen Fasern oder komplexe generativ gefertigte Strukturen sind in den letzten Jahren wegen ihrer Eignung als Scaffolds für das Tissue-Engineering auf wachsendes Interesse gestoßen. Für einen erfolgreichen Einsatz müssen diese Gerüstwerkstoffe geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen.
Unsere Arbeitsgruppe trägt mit Untersuchungen zur Zuverlässigkeit von biomedizinischen Materialien und Implantaten (beispielsweise zur Ermüdungsfestigkeit, quasistatischen Festigkeit und Kriechbeständigkeit) zu deren sicherem Einsatz bei.

  • Jaeger, R.; Hauptkriterium für Dentalimplantate ist die mechanische Belastbarkeit; MM Das Industriemagazin 20 (2009) 70-72 Link

Leistungen und Anwendungsfälle

Leistungen

  • Messung, Charakterisierung, Verständnis von
        o   Festigkeit
        o   Ermüdung und Ermüdungsrisswachstum
        o   Kriechen und physikalisches Altern,
        o   Bruchzähigkeit KIc,
        o   Scherfestigkeit von Haftflächen
        o   Polymerisationsschrumpf und Quellung
        o   Abrasionsbeständigkeit
        o   Erstellen von Schadensanalysen
  • Wir besprechen mit Ihnen gerne regulatorische Anforderungen für die Durchführung von Untersuchungen an Komponenten aus der Medizintechnik (z.B. Durchführung von Lieferantenaudits, Abschließen einer Qualitätssicherungsvereinbarung (QSV)) 
     

Anwendungsfälle

  • Ermüdungsfestigkeit, Kriechverhalten und physikalisches Altern, Risszähigkeit und Scherfestigkeit von Knochenzementen
  • Aushärteverhalten und Abrasionsbeständigkeit von Dentalkompositen
  • Ermüdungsfestigkeit von Osteosyntheseplatten und Verschraubungen
  • Ermüdungsfestigkeit von Dental- und Kleinimplantaten
  • Schadensanalysen von Dentalimplantaten und keramischen Hüftgelenkskomponenten

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Komplett recycelbare, sortenreine Leichtbau-Verbundwerkstoffe für den Spritzguss

 

In Zusammenarbeit mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefinhersteller LyondellBasell hat das Fraunhofer IWM ein leistungsfähiges, »sortenreines PE-Komposit« hergestellt und qualifiziert, das sogar im Spritzguss-Verfahren verarbeitet werden kann. Die verstärkenden Faserstrukturen bestehen dabei ebenfalls aus PE und bilden sich im Spritzguss… [mehr Info]

Auslegung einer geruchsinduzierten Versagensdetektion in Kunststoffen

 

Manche sicherheitsrelevanten Bauteile aus Kunststoff können nicht mit herkömmlichen Methoden überprüft werden, da sie schwer zugänglich sind oder schwierige Abmessungen aufweisen. Abhilfe können hier olfaktorische, das heißt geruchsinduzierte Prüfungen zur Rissdetektion schaffen. Unser Forschungsprojekt schließt damit mit der Nutzung menschlicher, aber auch technischer Sensorik mit einer besonders leistungsfähigen Methode eine Lücke. Anwendungen wie die Kontrolle bzw. Überwachung von Schutzhelmen für sportliche Aktivitäten, Mehrschichtwandungen von Gefäßsystemen und Druckschläuchen sind denkbar.

Eigenschaften und Einsatzverhalten von Dentalersatzwerkstoffen

 

Dentalkomposite haben unter anderem mechanische, chemische, verarbeitungstechnische und zunehmend ästhetische Anforderungen zu erfüllen. Zusätzlich zu den Prüfungen, die in den gängigen Normen beschrieben sind, werden bei uns Methoden entwickelt, die beispielsweise die Abrasionsbeständigkeit oder Polierfähigkeit der Werkstoffe aufzeigen, das Volumen- und Temperaturverhalten während Aushärteprozessen bestimmen oder die Spannungsentwicklung von Dentalkompositen durch die Lichthärtung oder Wasseraufnahme analysieren. Versiegler oder Adhäsive können mit einer selbstentwickelten Methodik im Minizugversuch oder im Scherversuch geprüft werden.

Fasern, Hydrogele und Vliese in der Medizintechnik

 

Neben der Herstellung von elektrogesponnenen »non-wovens« beschäftigt sich die Gruppe schwerpunktmäßig mit den mechanischen Eigenschaften von Vliesen und Einzelfasern. Experimentelle Untersuchungen zur Zugfestigkeit von Einzelfasern oder der Orientierungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von Vliesen werden durch mechanische Modelle ergänzt, mit denen beispielsweise Transportprozesse (cell seeding, Nährstoffzufuhr) und mechanische Stimuli auf Zellen in Scaffolds simuliert werden können.