• Nayak, Gargi Shankar

Abstract

Der Bedarf an Implantat Materialien für den Ersatz von Hartgewebe wächst in hohem Tempo.Um diesen Bedarf zu decken, ist die Entwicklung neuer Biomaterialien seit Jahrzehnten einwichtiges Forschungsgebiet. Vor diesem Hintergrund war das Hauptziel dieser Arbeit dieEntwicklung von kraniomaxillofazialen Implantaten für patientenspezifische Anwendungen miteinem minimalen Stress-Shielding-Effekt, der bei metallischen Implantaten wie Ti ein großesProblem darstellt. Als ideale Materialstruktur wurden Kombinationen aus blechartigen Metall-Polymer-Metall-Sandwichmaterialien (SM) gewählt. Diese Verbundwerkstoffe bieten mehrereVorteile für biomedizinische Anwendungen, z. B. abstimmbare mechanische Eigenschaftensowie hervorragende Schwingungs- und Wärmeisolationseigenschaften. Um die Implantatebiokompatibel zu machen, wurde Ti als Hautmaterial zusammen mit PMMA als Kernmaterialverwendet. Da die Verbindung zwischen den beiden Materialien ebenfalls biokompatibel seinmuss, wurde ein " Grafting from"-Verfahren angewandt, um PMMA auf Ti zu graftet. Diesesgegraftete PMMA wurde als Klebstoff verwendet, um eine gute Bindung zwischen dem Metallund dem Polymer zu erreichen. Die Verbindung wurde durch Heißpressen bei 150 °C durchSchmelzkleben erreicht. Um die SMs energiefreundlich zu machen, wurde ein neuartigesPBMA-ran-PMMA-Copolymer mit einer viel niedrigeren Glasübergangstemperatur (50 °C) alsdie von PMMA (103 °C) vom Partner entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit verarbeitet.Somit konnte die Verbindung in diesem Fall bei einer niedrigeren Temperatur (80 °C) erreichtwerden.Die Haftfestigkeit der Ti-Copolymer-SMs war geringer (~10 MPa) als die der Ti-PMMA-SMs(~20 MPa), was auf die geringere Festigkeit des Copolymers zurückzuführen war, die zu einemkohäsiven Versagen der SMs führte, während bei den Ti-PMMA-SMs ein gemischtesVersagen beobachtet wurde.Die zweite Phase konzentrierte sich auf die Untersuchung der thermischen undSchwingungseigenschaften dieser SMs im Vergleich zu Ti. Eine thermische Isolierung ist fürdie Implantate erwünscht, um Zellschäden im umliegenden Gewebe zu vermeiden. Außerdemkann eine höhere Schwingungsdämpfung der Implantate verhindern, dass Teile wie dasGehirn durch eine plötzliche Beschädigung Schaden nehmen. Beide SMs zeigten deutlichbessere thermische und schwingungstechnische Eigenschaften als Ti.In der nächsten Stufe wurden die Formgebungsmöglichkeiten dieser SMs für PSI-Anwendungen durch V-Biege- und Tiefziehversuche untersucht. Da PMMA und Copolymerbei RT spröde sind, zeigten die bei RT durchgeführten Untersuchungen ein frühes Versagenbeider SMs. Wurden die V-Biegeversuche jedoch in einem Temperaturbereich durchgeführt,in dem diese Polymere eine ausreichende Duktilität aufweisen, konnten die SMs ohneVersagen gebogen werden. Dies war bei den Tiefziehversuchen nicht der Fall, bei denen dieSMs aus Ti-PMMA eine Schalenform mit minimalem Versagen erreichen konnten, währenddie SMs aus Ti-Copolymer mit Ohrdefekten behaftet waren. Dies war auf den schwachenCopolymerkern zurückzuführen, dem es auch an Duktilität mangelt, um multiaxialenBelastungen standhalten zu können.Zur Abschätzung der Umformbarkeit wurde eine passende Grenzformänderungskurve (FLC)für SMs anhand empirischer Gleichungen von Keller et al. berechnet, um den Zeit- undKostenaufwand für die Entwicklung einer großen Anzahl von Proben zu minimieren, die fürexperimentelle Methoden wie Nakazima-Tests erforderlich sind. Die durch Tiefziehen undZugversuche gewonnenen Umformbarkeitsdaten wurden zur Korrelation mit der geschätztenFLC herangezogen. Es zeigte sich, dass die theoretische FLC mit hoher Genauigkeit mit denexperimentellen Ergebnissen korreliert, was auf eine große Wirksamkeit des theoretischenAnsatzes bei der Annäherung an die FLC hindeutet, was definitiv eine enorme Zeitersparnismit sich bringt.Schließlich wurde ein Finite-Elemente-Modell (FEM) mit Abaqus entwickelt, um diemechanischen Eigenschaften von Ti-PMMA-SMs nachzubilden. In der ersten Phase wurde einModell für RT erstellt. Die Ti-PMMA-Grenzfläche wurde mit dem Kohäsionszonenmodell(CZM) modelliert. Das Modell war in der Lage, die experimentellen Ergebnisse mit einer hohenGenauigkeit vorherzusagen. Anschließend wurde für die Simulation der Formgebung von SMsaus Ti-PMMA bei erhöhten Temperaturen (80 °C) ein Zweischichtmodell der Viskoplastizität(TLVP) für PMMA erstellt. Bei der Tiefziehsimulation von SMs wurde ein ähnliches Verhaltenwie bei den experimentellen Ergebnissen festgestellt, was den Erfolg des Modells bei derNachbildung des Verhaltens von PMMA bei erhöhten Temperaturen belegt.

Topics

• phase
• experiment
• simulation
• titanium
• copolymer
• discrete element method