Modellierung und Rapid Prototyping zellulärer Materialien

Zelluläre Strukturen bilden die Basis vieler Biomaterialien (z.B. Holz und Knochen), da diese Werkstoffklasse zahlreiche Ansatzpunkte zur Optimierung und zur Anpassung an die von der Umwelt gestellten Anforderungen bietet. So hat die Natur Mechanismen entwickelt, die bei geringem Gewicht hohen Belastungen standhalten können und zusätzlich ihre Struktur dynamisch adaptieren, um sich ändernden Bedingungen anpassen zu können. Mit computerunterstützten numerischen Methoden sollen im Rahmen des Projektes diese Konzepte modelltechnisch untersucht werden. Ziel ist es, zu einem besseren Verständnis der mechanischen Eigenschaften zellulärer Werkstoffe zu kommen. Die mechanischen Eigenschaften der numerisch erzeugten Strukturen werden auch experimentell untersucht. Dies geschieht durch Ausdrucken der Computermodelle auf einer Rapid Prototyping Anlage. Neue Verfahren auf diesem Sektor ermöglichen die Herstellung komplexer Strukturen in einer Größenordnung, die dem natürlichen Vorbild entspricht. Neben diesen wissenschaftlichen Fragestellungen beinhaltet das Projekt auch mehr anwendungsorientierte Ansätze. Rapid Prototyping ist eine Fertigungstechnik, die den Konstrukteur von jeglichen Einschränkungen bezüglich möglicher Geometrien befreit. So eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten in Hinblick auf Gerüststrukturen für biologische Gewebetechnik (tissue engineering).

Natur wie Technik haben den Vorteil von zellulär aufgebauten Materialien seit langem entdeckt: Bei geringem Gewicht bieten sie hohe Festigkeit. Den entscheidenden Einfluss der Zell-Geometrie auf eben diesen Vorteil wurde im Rahmen eines FWF-Projektes an der TU Wien untersucht. Dabei wurde ermittelt, auf welche Weise die Wahl der Zell-Geometrie die Festigkeit des Materials bei gleichem Gewicht erhöht. Entscheidend für den Projekterfolg war die Verwendung von Rapid Prototyping (RP) in Kombination mit Finite Elemente Modellierung. RP ist eine Technik, die es erlaubt virtuelle Computermodelle von Materialstrukturen schnell und einfach in reale Modelle umzuwandeln. So können theoretische Berechnungen von Materialeigenschaften umgehend experimentell untersucht werden. Ausgehend von Strukturen mit verschiedenen Einheitszellen zeigte die Modellierung und Simulation, dass in Abhängigkeit von der Zellgeometrie und der Belastungsrichtung - aber gleichem spezifischem Gewicht - Festigkeit und Steifigkeit um den Faktor drei variieren. Unregelmäßige Strukturen, wie sie in der Natur vorkommen, haben zwar eine geringere Festigkeit, sind jedoch wesentlich unempfindlicher gegenüber Fehllasten, wie sie beispielsweise bei einem Sturz auftreten können. In einem weiteren Schritt wurden auch zellulare Strukturen mit biofunktionellen Eigenschaften erzeugt. Dabei wird mit Rapid Prototyping eine Form hergestellt, die mit einem speziellen Keramikgel gefüllt wird. Nach dem Entfernen der Form und einer thermischen Behandlung des Rohlings erhält man eine Keramikstruktur mit definierter Porengröße und -geometrie. Als keramischer Basiswerkstoff wurde Hydroxyapatit verwendet, ein Grundbaustein des natürlichen Knochens. Somit können beliebig geformte Gerüst hergestellt werden, welche aus einem Material bestehen, das von knochenbildenden Zellen als Wachstumsunterlage genutzt wird. In Zusammenarbeit mit dem Ludwig-Boltzmann Institut für Osteologie (Wien) konnte gezeigt werden, dass Osteoblasten - jene Zellen die Knochen bilden - dieses Gerüst besiedeln und darin langfristig überleben.