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Biomimetic organic-inorganic hybrid structural materials

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Erstellung und Analyse von Knochengewebemodellen

Knochen ist eine komplexe Hybridstruktur aus organischem und anorganischem Material. Wissenschaftler haben nun die Herstellung künstlicher Knochen mit natürlichen Eigenschaften (Biomimetik) weiterentwickelt. Deren Analyse soll das wissenschaftliche Design deutlich voranbringen.

Gesundheit

Könnten Knochenphasen, Knochenaufbau und -eigenschaften künstlich nachgebaut werden, wäre dies ein großer Fortschritt in der Knochenregeneration, Prothetik und der Materialwissenschaft. Und genau dies wurde von Forschern umgesetzt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts "Biomimetic organic-inorganic hybrid structural materials " (BIOHYMAT) gewannen sie wichtige Einblicke zur Synthese, Struktur und Funktion von Knochen. Durch Synthese und Untersuchung knochenähnlicher Materialien entwickelte das Team Analysetechniken sowohl für die klinische als auch die Grundlagenforschung. Die Knochenmineraldichte (BMD) ist bei verschiedensten Knochenerkrankungen wie Osteoporose, Osteopetrose und Morbus Paget ein krankhaft veränderter Parameter. Allerdings war die räumliche Auflösung bisheriger Verfahren zu niedrig, um die BMD genau zu bestimmen. Die Methode von BIOHYMAT ist leistungsfähig genug, um die Effekte verschiedener Krankheiten auf die BMD zu bestimmen und diese mit mechanischen Knocheneigenschaften zu korrelieren. Die Haftung an organischen/anorganischen Flächen ist vor allem für mechanische Eigenschaften natürlicher und synthetischer Verbundmaterialien wichtig. Mangels quantitativer Daten fanden sich bislang allerdings kaum geeignete Materialien für solche Hybridkonstruktionen. Die systematische Methodik, mit der BIOHYMAT die Haftung an organischen/anorganischen Grenzflächen untersucht, wird die Materialwissenschaft um vieles voranbringen. Die Forscher entwickelten zudem neue Techniken zur Darstellung komplexer hierarchischer Knochenstrukturen. Durch Veränderung der Verarbeitungsparameter beim Eisform-Gefriergießen (kontrolliertes Einfrieren wässrigen Partikelsuspensionen) wurden dreidimensionale mikroporöse Waben- und Lamellenstrukturen erzeugt. Die Arbeit ebnet damit den Weg für neue Fertigungsmöglichkeiten poröser Keramiken in der Biomedizin, Filtertechnik und Katalysatorentwicklung. Schließlich widmete man sich auch der Herstellung nanostrukturierter Hybrid-Kohlenstoffmaterialien und führte dazu erfolgreich ein Experiment durch. Im Labor wurde aus Graphit Graphenoxid synthetisiert und anschließend dessen Reduktion zu Graphen unter Vakuumbedingungen demonstriert. Sowohl Graphenoxid als auch Graphen sind neuartige Nano-Kohlenstoffmaterialien mit hohem technologischen Anwendungspotenzial. BIOHYMAT entwickelte neue Analysetechniken und Verarbeitungsmethoden für die Fertigung organischer/anorganischer Hybridverbundwerkstoffe, was eine tragfähige Basis für laufende und künftige Forschungsprojekte zu neuen Materialien für neue Anwendungen darstellt.

Schlüsselbegriffe

Knochen, organisch/anorganisch, Hybrid, biomimetisch, Knochenregeneration, prothetisch, Knochendichte, Osteoporose, Haftung, Schnittstellen, Gefriergießen, Graphen

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