Themen neuer Abschlussarbeiten für MMT, BE, MMB und MB sowie Forschungsarbeiten für MMT
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Abgeschlossene Abschlussarbeiten und Forschungsprojektarbeiten
Folgend finden Sie eine Liste bereits abgeschlossener Bachelor-, Master- und Forschungsprojektarbeiten
2024
Bachelor Thesis Februar 2024
Forschungspartner:
Prof. Dr. Martijn Riool,
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Experimentelle Unfallchirurgie
Die Bakterienanhaftung und resultierende Bildung von Biofilmen bleiben, aufgrund ihrer potenziellen Folgen wie Infektionen, Implantatverlust und lebensbedrohlichen Komplikationen, Herausforderungen der modernen Medizin. Magnesium, als biologisch abbaubares Material, wird als temporäres Implantat in zahlreichen Anwendungsgebieten verwendet. Die vorliegende Abschlussarbeit konzentriert sich auf die antimikrobiellen Eigenschaften von WE43, einer Magnesiumlegierung. Das Ziel der Arbeit ist es, die Eignung von Testverfahren und Sterilisationsmethoden zu überprüfen und das antimikrobielle Verhalten von WE43-Proben zu untersuchen. Dabei werden Versuche zur Evaluierung antimikrobieller Eigenschaften in Kooperation mit dem Labor für experimentelle Unfallchirurgie als Teil des Universitätsklinikums Regensburg durchgeführt. Runde WE43-Probenscheiben wurden zu diesem Zweck grob-geschliffen (G320), fein-geschliffen (G4000) und elektropoliert (EP). Anhand von drei Versuchen wurden die Proben auf die antimikrobiellen Mechanismen Freisetzung, Kontakt-Tötung und Nicht-Adhäsion untersucht. Ausgewählte Untersuchungsmethoden waren eine Extraktionsstudie, die Durchführung des Japanese Industrial Standard (JIS) Z2801 und eine Untersuchung mithilfe des CDC-Bioreaktors. Dabei bildeten SS316L-Proben Kontrollen zur Validierung der Versuche. Die Ergebnisse deuten auf antimikrobielles Verhalten von WE43-Oberflächen hin. Die Oberflächenglätte zeigte einen Einfluss auf die Bakterienanhaftung. Freigesetzte Substanzen aus den Probenoberflächen reduzierten effizient die Bakterienkonzentration, insbesondere bei EP-Proben. Antibiofilm-Eigenschaften konnten bisher nicht bestätigt werden, da deutlich Kontamination zu beobachten war. Es konnte bislang kein Effekt – ausgehend von den Probenoberflächen – auf die Biofilmbildung festgestellt werden. Insgesamt lässt sich konstatieren, dass die durchgeführten Versuche alle relevanten Mechanismen der antimikrobiellen Oberflächeneigenschaften umfassend behandeln. Die gewählte Kombination der angewandten Methoden erscheint sinnvoll für die Untersuchung dieser Eigenschaften. Die Resultate stimmen optimistisch, deuten jedoch darauf hin, dass umfassendere Tests in Zukunft erforderlich sein werden, um die antimikrobiellen Eigenschaften durch verschiedene Oberflächenbehandlungen zu validieren.
Forschungsarbeit August 2023
Forschungspartner:
Prof. Dr. Susanne Grässel
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Experimentelle Orthopädie
The increasing global prevalence of musculoskeletal disorders, including osteoarthritis, poses a significant health challenge amidst population growth and ageing demographics. In response, innovative approaches are imperative to address the limitations of current OA treatments. This research project explores the infiltration of human osteoarthritic cartilage with zwitterionic monomer-based hydrogels, specifically N-(3-sulfopropyl)-N-methacroyloxyethyl-N,N-dimethyl-ammoniumbetain and 2-methacryloyloxyethyl-Phosporylcholin. The study aims to assess the viability of human osteoarthritic cartilage tissue exposed to varying durations of monomer solution infiltration.
Time-dependent cell-viability studies revealed increased cytotoxicity of both investigated monomer solutions to human osteoarthritic cartilage tissue. The observed effects were attributed to unreacted monomers and photo initiators, emphasizing the significance of infiltration duration. Variances in cytotoxicity between the monomer solutions were explored, indicating potential correlations to hydrogel deposition behaviours.
In summary, limitations in sample preparation techniques of infiltrated OA-cartilage tissue for confocal laser scanning microscopy analyses as well as the time-dependent cytotoxic effects of MPC and SBMA monomer solutions on OA-cartilage were investigated. For further investigations, thus larger sample sizes, long-term cell-viability studies, and assessments of hydrogel impact on surrounding cartilage tissue are recommended. Optimizing hydrogel composition for reduced cytotoxicity and evaluating mechanical properties via compression tests are suggested for future research. This work contributes insights into potential advancements in treatment strategies on early stages of osteoarthritis using novel zwitterionic hydrogel.
2023
Masterthesis Dezember 2023
Osteoarthrose ist eine der häufigsten degenerativen Erkrankungen der Gelenke. Kennzeichnend ist eine Verringerung der mechanischen Stabilität des Knorpelgewebes. Eine zukünftige Behandlungsmöglichkeit durch die Verbesserung der Druckfestigkeit könnte in der Verstärkung der Knorpelstruktur durch ein nach Infiltration polymerisiertes Hydrogel liegen. Im Rahmen des Forschungsprojektes Infiltration osteoarthrotischer Knorpel, welches in Zusammenarbeit mit der Abteilung Experimentelle Orthopädie des Uniklinikums Regensburg und dem Labor Biomaterialien der OTH Regensburg stattfindet, werden humane osteoarthrotische Knorpel mit Hydrogel infiltriert, um die mechanische Stabilität des Gewebes zu verbessern. Der Schwerpunkt der vorliegenden Masterarbeit war der Aufbau eines Versuchstandes sowie das Erstellen eines geeigneten Prüfablaufes zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Knorpelstrukturen. Mittels Kompressionsprüfung sollten möglichst gleichmäßige und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden. Für die Durchführung der Tests wurde bovines Knorpelgewebe als Ersatz für die osteoarthrotischen Knorpelexplantate verwendet. Bei der Recherche zeigten sich als Testkonfiguration die Confined Compression und als Prüfmethode der Stressrelaxationstest erfolgsversprechend. Auf dieser Grundlage wurde eine entsprechende Prüfkammer konzeptioniert und mechanische Untersuchungen an präparierten Rinderknorpeln durchgeführt. Anhand der Auswertung der Versuchsergebnisse konnte ein Prüfprotokoll erstellt und Leitlinien zur Parametrisierung der Kompressionstests entwickelt werden. Da beobachtet werden konnte, dass sich vor allem die Höhe der Vorlast sowie die erreichte Grenzrelaxationsgeschwindigkeit des Gewebes auf die Ergebnisse auswirken, wurden geeignete Werte für beide Parameter definiert. Schließlich wurde das bovine Knorpelgewebe mit Hydrogel infiltriert und mit Hilfe des erstellten Prozesses getestet, wobei ein Unterschied in den mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu den nicht infiltrierten Proben dokumentiert werden konnte. Somit kann das erstellte Prüfprotokoll als geeignet für die Untersuchung der Festigkeit von Knorpelgewebe eingestuft werden. Unter Anwendung des Prüfprotokolls ist in weiteren zukünftigen Tests die statistische Genauigkeit und somit die Reproduzierbarkeit des Verfahrens mit Hilfe einer größeren Anzahl an Ergebnissen zu evaluieren. Das erstellte Prüfprotokoll kann als Grundlage für weitere Kompressionstests von Knorpelgewebe im Zusammenhang mit Hydrogel dienen, wodurch Erkenntnisse in der Behandlung von Osteoarthrose gewonnen werden können.
Master Thesis September 2023
Barrier membranes are used in dentistry to separate the jawbone from the gum tissue and to prevent the growth of connective tissue cells in bone cavities. This allows the slower growing osteoblasts to regenerate the bone defect. Currently, synthetic and collagen membranes dominate the market. Collagen membranes have a high bioactivity and re-sorbability, so that a second surgical intervention is not necessary. However, collagen membranes lack mechanical stability, which currently limits their application to small defects. This could be compensated by combining collagen with magnesium, which has excellent mechanical properties for this application. At this point the master thesis “In-teractions between collagen type I and magensium” starts and investigates the in vitro degradation behavior of collagen scaffolds as well as collagen-magnesium composites under physiological conditions. Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, micro-computed tomography and contact angle measurements were used. Degradation tests showed that the more crosslinked the collagen, the lower the porosity and mass loss after crosslinking. For the composites, the immersion test even resulted in an increase in mass and slower degradation than for the individual components of the composite. The results indicate the potential of such composites for future barrier membranes.
Master Thesis September 2023
Forschungsarbeit August 2023
Forschungspartner:
Prof. Dr. Susanne Grässel
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Experimentelle Orthopädie
Erkrankungen des muskuloskelettalen Systems bilden eine Vielzahl von Beeinträchtigungen hinsichtlich Muskeln, Knochen, Gelenken und umliegenden Strukturen ab. Darunter zählt Osteoarthrose als weltweit häufigste Gelenkerkrankung. Diese zeichnet sich durch einen fortschreitenden Abbau von artikularem Knorpel bis hin zu Gelenkdeformationen und Subluxationen aus. Strukturell kommt es dabei im artikularen Knorpelgewebe vor allem zu Verlusten von Proteoglykanen und einem Abbau des Kollagennetzwerks. Zur Regeneration osteoarthrotischer Knorpelgewebe im Frühstadium hat sich das Einbringen synthetischer zwitterionischer Hydrogel-Polymer-Doppelnetzwerke in die vorhandenen Kollagenstrukturen sowohl zur Stabilisierung von degenerativen Knorpelstrukturen als auch zur Restitution der mechanischen Eigenschaften als äußerst vielversprechender Ansatz abgezeichnet. Zwitterionische Hydrogele zeigen neben enorm hohen Wasserbindungsvermögen hervorragende Antifouling- und Biokompatibilitätseigenschaften. Die nachfolgenden Untersuchungen beschäftigen sich mit zeitabhängigen Infiltrationsvorgängen sowohl von N-(3-Sulfopropyl)-N-methacroyloxyethyl-N,N-dimethyl-ammoniumbetain-Hydrogel als auch von 2-Methacryloyloxyethyl-Phosporylcholin-Hydrogel in humanem osteoarthrotischem Gewebe. Weiterhin wurde eine Schneideapparatur zur, Etablierung einer standardisierten Probengeometrie für weiterführende mechanische Untersuchungen an mit Hydrogel infiltriertem osteoarthrotischem Knorpelgewebe, entwickelt. Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen ließen auf ein Durchdringen der jeweiligen Proben beider untersuchter Monomerlösungen innerhalb von 2 min schließen. Eine vollumfängliche Infiltration und somit eine Anlagerung in allen Gewebebereichen konnte für N-(3-Sulfopropyl)-N-methacroyloxyethyl-N,N-dimethyl-ammoniumbetain-Hydrogel nach 30 min und für 2-Methacryloyloxyethyl-Phosporylcholin-Hydrogel nach 1 h festgestellt werden.
Bachelorarbeit Juli 2023
Forschungspartner:
Prof. Dr. Martin Rosentritt
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Menschen benötigen aufgrund der vielfältigsten Ursachen Zahnrestaurationen wie z.B. Inlays oder einen Zahnersatz, wie beispielsweise Kronen und Brücken. Bis diese vollständig angefertigt sind, vergehen oft einige Wochen, in denen die Patienten in aller Regel mit einem temporären Provisorium versorgt werden. Die Provisorien sind derzeit meist auf Basis von Polymethylmethacrylat (PMMA). Dieses wird industriell polymerisiert angeboten und kann dann mittels CAD/CAM Verfahren in die gewünschte Form gefräst werden. Aktuell erfährt jedoch auch das Herstellungsverfahren der additiven Fertigung, im Speziellen der 3D-Druck, großen Aufschwung, da es einige Vorteile bietet. Dazu zählen unter anderem, dass mittels additiver Fertigung sehr komplexe Bauteilgeometrien gefertigt werden können, oder auch die geringe Materialverschwendung. Das für den Druck verwendete Kunstharz ist genauso wie das PMMA auf Methacrylatbasis und kann ebenfalls für temporäre Zahnrestraurationen und -ersatz verwendet werden. Das polymerisierte Material wird als Poly(bisphenol A ethoxyliert dimethacrylat) (Bis-EMA) bezeichnet.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese beiden Werkstoffe hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Ziel dabei war es, zu klären, ob die 3D-gedruckten Proben ähnlich gute oder sogar bessere Kennwerte als die gefrästen PMMA-Plättchen aufweisen, und somit eine nutzbare Alternative darstellen. Getestet wurden dabei die Martenshärte, die Biegefestigkeit im statischen Biegebruchversuch sowie die Oberflächenrauheiten. Zudem wurden für die Bis-EMA Plättchen verschiedene Vergleichsgruppen hinsichtlich der Druckausrichtung, der Polymerisation, der Art der Reinigung und der Politur aufgestellt.
Die Martenshärte der gefrästen Proben ist mit durchschnittlich 153 N/mm² deutlich geringer als die der gedruckten Plättchen (⌀ 216 N/mm²), was jedoch trotzdem für den Verwendungszweck ausreichend ist. Der Biegebruchversuch lieferte Festigkeiten von durchschnittlich 250 MPa. Hierbei ist jedoch eine starke Streuung der Festigkeitswerte bei den senkrecht gedruckten Plättchen erkennbar. Demgegenüber lieferten die waagerecht gedruckten Proben sehr homogene Ergebnisse. Die Infrarotspektroskopie zeigte, dass die mit Xenon-Licht polymerisierten Proben, im Vergleich zu den mit LED-Licht behandelten, einen höheren Polymerisationsgrad erreicht haben, was für die Biokompatibilität bedeutend ist.
Bachelor Thesis July 2023
Magnesium and its alloys have been investigated as materials for biomedical applications for several years. It can be explained by magnesium’s unique combination of their appropriate mechanical properties and their good biocompatibility. The main advantage of magnesium over other used metals is its ability to biodegrade, it can be dissolved in physiological environment and be used as a biodegradable material. The main limitation is its high corrosion rates and inhomogeneous corrosion.
Mechanical and corrosion properties are determined by the material composition, depending on appropriate alloying, such as the use of rare earth elements, as well as surface treatments. In this thesis, the mechanical and corrosion properties of a cast magnesium alloy WE43 for biomedical application are being studied in comparison to AM50 as a reference material. The aim is to apply an appropriate vibratory grinding treatment and to characterize the surfaces after the treatment. After the vibratory grinding treatment, the samples were examined using a confocal laser microscope to analyse the morphology and roughness of the treated surfaces. Following that, tensile and microhardness tests were performed to probe the mechanical properties, electrochemical corrosion studies to determine the corrosion properties, and an optical microscope was used to study the microstructure on cross-sections.
Results show that the applied surface treatment improved the surface roughness. An enhancement in the mechanical properties related to their elastic behaviour was found in the samples. After the vibratory grinding treatment, a black layer appeared on the materials, the reason for this is unknown. Giving an answer to this issue may lead to an improvement in vibratory grinding treatment, and consequently an improvement of mechanical and corrosion properties of the treated materials.
Master Thesis May 2023
In this study, two different multistep treatments either focused on an alkali or acid activation or a nonchemical surface treatment bioactivated titanium grade 2 (Ti2) or ultrafine-grained titanium alloy Ti13Nb13Zr (TNZ). The study aims to compare the equal channel angular process (ECAP) modified TNZ samples with the Ti2 samples and investigate which surface treatments promote a higher biomimetic layer-formation ability. The layer-formation ability was tested by immersing the metallic samples in a simulated body fluid (SBF) solution for 7 or 14 days. After immersion, the biomimetic layer-formation ability is quantified by the SBF’s pH and calcium ion concentration, the mass difference per area, surface roughness, scanning electron microscope (SEM), Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR), and energy dispersive X-ray (EDX) on the surfaces. During the entire 14 days of immersion, the ECAP-modified TNZ samples had a higher biomimetic layer-formation ability than the Ti2 samples, shown by a higher pH increase in the SBF, higher lost calcium ions concentration in the SBF, and significantly higher mass difference per area regardless of TNZ’s surface bioactivation treatments. However, there was a clear difference between the chemical-treated TNZ and the nonchemical-treated TNZ samples in terms of mass gain. The chemically-treated TNZ samples showed a higher mass gain rate until precipitation reached saturation (12.5 μg/mm2). The alkali-focused treated surfaces tended to have the lowest roughness compared to the other treated surfaces. Combining this information with the BSE image, the precipitation might distribute more homogeneously across the alkali focused treated surface than on the acid-focused treated or nonchemical-treated surfaces. This suggests that the alkali-focused treated TNZ surface has the best biomimetic layer-formation ability compared to the nonchemical and acid-focused treated TNZ surfaces.
Master Thesis April 2023
Bachelorarbeit Februar 2023
Die stetig steigende durchschnittliche Lebenserwartung der Menschen durch Erfolge der Medizin bringt einen Anstieg nichtübertragbarer Erkrankungen, wie degenerative Defekte des muskuloskelettalen Systems, mit sich. Darunter zählt Osteoarthrose als weltweit häufigste Gelenkerkrankung. Diese äußert sich unter anderem durch Verlust der mechanischen Eigenschaften des Knorpelgewebes sowie durch damit verbundene Schmerzen. Als Folge kommt es zu enormen Einbußen der Lebensqualität sowie einer Gefährdung der unabhängigen Lebensführung im höheren Alter. Modifikationen wie Infiltrationen mit Hydrogelen an osteoarthrotischem Knorpel können Verbesserungen für Betroffene schaffen oder den degenerativen Prozess sogar frühzeitig abwenden. Um die Grundlagen für Untersuchungen an humanem artikularem Knorpel zu schaffen, befasst sich diese Arbeit zum einen mit der Präparation und in vitro Kultivierung von bovinen artikularen Knorpelmaterialien und zum anderen mit einer Prozessentwicklung zur Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von Knorpelmaterialien mittels Confined Compression. Makroskopisch erkennbare Veränderungen des verwendeten Zellkulturmediums wie Farbveränderungen oder Trübungen und damit einhergehende pH-Wertänderungen, erwiesen sich dabei als nachteilig für eine erfolgreiche Kultivierung von Knorpelmaterialien. Unter den Rahmenbedingungen des verwendeten Prüfaufbaus der Confined Compression, zeigten Weg-Zeit geregelte Prüfdurchgänge eine höhere Reproduzierbarkeit als Kraft-Zeit-Regelungen. Weiterhin wurden positive Auswirkungen auf eine wiederholbare Durchführung von zyklischen Belastungen bei einer Frequenz von 0,5 Hz festgestellt.
Bachelorarbeit Februar 2023
In der Medizintechnik sind rostfreie Stähle aufgrund ihrer biokompatiblen Eigenschaften weit verbreitet. Die Wahl der richtigen Legierung ermöglicht die Erreichung von spezifischen mechanischen und chemischen Eigenschaften. Eine wichtige Anforderung in Bezug auf die Patientensicherheit ist die Rückverfolgbarkeit von Medizinprodukten. Diese wird durch die Unique Device Identification (UDI) Codes, die von FDA und MDR verlangt werden, gewährleistet.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Lasermarkierung mittels Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) auf verschiedene Ausgangsoberflächen der rostfreien austenitschen Stählen der Typen AISI 304, AISI 316 und AISI 316L untersucht. Dazu wurden die Oberflächen sowohl rau geschliffen als auch elektropoliert und anschließend mit drei verschiedenen Laserintensitäten behandelt. Die Ausgangsoberflächen wurden mit den lasermarkierten Oberflächen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Rauheitsmessung und elektrochemischen Messungen verglichen. Die Ergebnisse wurden analysiert und diskutiert.
Es konnte gezeigt werden, dass es eine Beziehung zwischen der Oberflächenrauheit und der Lasermarkierung bei allen untersuchten Stählen gibt. Es wurde beobachtet, dass sowohl die Ausgangsoberflächenrauheit als auch die Gefüge und Zusammensetzung des Materials Aus-wirkungen auf die Veränderungen durch die Laserparameter haben. Außerdem wurde fest-gestellt, dass stärkere Laserintensitäten eine stärkere Reaktion auf die Rauheit, das Gefüge und die Zusammensetzung des Materials haben. Viele Karbidausscheidungen und eine raue Ausgangsoberfläche führen bei starken Laserintensitäten zu einer gröberen Markierung, als bei einer glätteren Oberfläche oder einer mit weniger Karbidausscheidungen. Nur bei AISI 316L konnte eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der elektrochemischen Messungen erzielt werden. Das Korrosionsverhalten von AISI 316L war unabhängig von den verwende-ten Laserparametern gleichbleibend. Bei AISI 304 konnten aufgrund der starken Streuung der Ergebnisse keine konkreten Aussagen getroffen werden. Durch die Elektropolitur konnte keine Verschlechterung zum Ausgangszustand festgestellt werden.
Master Thesis January 2023
Forschungspartner:
Prof. Dr. Susanne Grässel,
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Experimentelle Orthopädie
https://www.mdpi.com/2306-5354/10/7/767
Master Thesis October 2023 with Fraunhofer IMWS, Halle
Active implantable medical devices (AIMD) perform vital tasks in the body. In order to test the reliability of the electronics incorporated in them, electrochemical corrosion tests were carried out in three blood-like media as part of this work. The measurements were performed using FR-4 printed circuit boards (PCBs) with electroless tin (e-Sn) and two-component electroless nickel/immerion gold (ENIG) coating. The electrolytes were Simulated Body Fluid (SBF), Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM), and Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS), each of which differed in ion concentration using test methods: (i) cyclic voltammetry (CV) and (ii) water drop (WD) tests. CV measurements were conducted in a measuring cell with 40 ml electrolyte volume, while the temperature was kept constant at 37 °C. For the WD tests, a comb-pattern PCB was biased with 2 V and an electrolyte droplet was placed that it forms a thin layer between the adjacent oppositely biased conductor paths.
The results showed that the corrosion attack in the two solutions with lower phosphate ion concentration (DMEM and SBF) was less than in DPBS with HPO42- concentration that is eight times higher. In ENIG, the so-called Black Pad effect occured in DPBS, which leads to hypercorrosion of the nickel layer, so that higher corrosion rates were calculated in DPBS compared to DMEM and SBF. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analyses revealed that elements present in the electrolytes were enriched on the PCB surfaces by the CV tests. In chronoamperometric measurements, the WD tests revealed that the measured corrosion current was on average seven times higher for the ENIG PCBs than for the e-Sn coated PCBs. The resulting reduced surface insulation resistance (SIR) of the fiberglass-based PCB can accordingly affect the performance of the electronic components of AIMDs.
2022
Forschungsprojektarbeit, August 2022
Forschungsprojektarbeit, März 2022
Forschungsprojektarbeit, Februar 2022
2021
Project Work, August 2021
Bachelorarbeit, August 2021
In der Chirurgie haben sich seit einiger Zeit biodegradable Magnesiumwerkstoffe für den Implantateinsatz etabliert. Die Art und Geschwindigkeit des Abbaus im menschlichen Körper hängt dabei von vielen Faktoren ab. In dieser Arbeit lag das Hauptaugenmerk auf dem Temperatureinfluss, da Implantate im menschlichen Körper einer Kerntemperatur von 37 °C ausgesetzt werden. Dafür wurden elektrochemische Korrosionsuntersuchungen an der Magnesiumlegierung AM50, unter Verwendung eines Minizellsystems, und des Nährmediums DMEM, bei Raum- und Körpertemperatur durchgeführt. Ziel war es dabei Temperaturabhängigkeiten in den gemessenen Stromdichte-Potentialkurven und deren Kennwerte festzustellen. Für die Messungen bei Körpertemperatur wurde ein Heiztisch verwendet, der bei ersten Messversuchen zu starken Störungen führte. Aus diesem Grund war ein weiteres Ziel dieser Arbeit einen Versuchsstand mit Heiztisch aufzubauen und anhand von Messungen an Zinkproben zu optimieren.
Der Versuchsaufbau mit Heiztisch ergab nach mehreren angewandten Lösungskonzepten reproduzierbare Messergebnisse. Dieses Konzept wurde für die weiteren Messungen mit AM50 bei 37 °C beibehalten. Es wurden Korrosionsraten für AM50 im Bereich von 0,13 und 1,94 mm/Jahr ermittelt. Dabei kam es dennoch zu Streuungen, die einen Vergleich der Messungen untereinander und mit Literaturwerten erschwerte. Die Korrosionsstromdichten lagen bei 37 °C in eine Bereich von 1, 17·10-5 und 8, 49·10-5 A/cm2, wobei zumindest eine Tendenz festgestellt werden konnte, die für eine erhöhte Korrosionsgeschwindigkeit bei steigender Temperatur spricht.
Die Hypothese einer Steigerung der Korrosionsgeschwindigkeit durch erhöhte Temperatur konnte somit nur tendenziell bestätigt werden. Deshalb ist es zum einen notwendig weitere Messungen bei Raum- und Körpertemperatur in unterschiedlichen Nährmedien durchzuführen, um bestätigen zu können, dass es nicht erst ab Temperaturen weit über 37°C zu charakteristischen Veränderungen in der Auflösungsgeschwindigkeit kommt. Zum anderen den Messaufbau mit Heiztisch soweit zu optimieren, dass Störungen und Streuungen, verursacht durch den Heiztisch, sicher ausgeschlossen werden können.
Bachelorarbeit, Juli 2021
Der Einsatz einer Barrieremembran zur Regeneration intraoraler Knochendefekte während einer geführten Knochenregeneration etablierte sich als Standardverfahren in der dentalen und kraniomaxillofazialen Chirurgie. Die derzeit verfügbaren inerten und resorbierbaren Membranen weisen sowohl Vor- als auch Nachteile auf, weshalb Magnesium als vielversprechendes biologisch abbaubares Implantatmaterial zunehmend in den Fokus wissenschaftlicher Bemühungen rückt. Die schnelle und inhomogene in vivo Abbaurate von Magnesium in physiologischer Umgebung ist derzeit noch eine der größten Herausforderungen. Gegenstand dieser Arbeit ist, neben einem weitreichenden Überblick der derzeitig erhältlichen Barrieremembranen, die Untersuchung des in vitro Degradationsverhaltens von Reinmagnesiumfolien. Dazu wurden 24-stündige Immersionstests in DMEM unter annähernd physiologischen Bedingungen durchgeführt. Die Degradationsrate des Magnesiums wurde (A) anhand der Wasserstoffentwicklung der Folien während Immersion bestimmt und (B) anhand der Degradationstiefe näherungsweise abgeschätzt. Zusätzlich erfolgte nach Immersion eine Evaluierung der Folienoberflächen hinsichtlich Morphologie und Degradationsschichtdicke mittels LSM und REM. Inerte Membranen sind, aufgrund ihrer Fähigkeit zur Raumsicherung, die erste Wahl bei Defekten kritischer Größe, neigen jedoch zu postoperativen Komplikationen. Resorbierbare Membranen senken die Patientenmorbidität, zeigen hingegen deutliche Mängel in ihren mechanischen Eigenschaften. Bezüglich der Degradationsratenbestimmung von Magnesium erwies sich die Methode der Wasserstoffentwicklung als geeignetste Methode, mit einer anfänglich hohen Degradationsrate von 4 – 8 mm/Jahr, die nach 24 Stunden Immersion auf Werte von 0,8 – 1,3 mm/Jahr absinkt. Die Morphologie und die Degradationsschichtdicke verdeutlichen das inhomogene Abbauverhalten von Magnesium.
Masterarbeit, Juli 2021
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Korrosionsbeständigkeit nanostrukturierter Ti13Nb13Zr-Legierungen. Ziel ist, die Bewertung der Tauglichkeit solcher Materialien für den Einsatz als dentales Implantationsmaterial. Als Referenzmaterialien fungieren bereits im Einsatz befindliche mikrostrukturierte Legierungen derselben Zusammensetzung sowie nano- und mikrostrukturiertes Titan Grad 4.
Zur Charakterisierung des Korrosionsverhaltens dienen elektrochemische Messungen unter Verwendung der sog. „modified Carter’s Lösung“, einem für solche Tests üblichen Elektrolyten, welcher eine künstliche Speichellösung darstellt. Zusätzlich werden Tests in einer mit 1000 ppm Fluorid angereicherten modified Carter’s Lösung durchgeführt.
Die Stromdichte-Potential-Kurven sind für alle Materialien qualitativ vergleichbar. Erkennbar ist durchweg ein ausgeprägter Passivbereich mit Durchbruchspotentialen von 2,6 ± 0,25 V vs. NHE. Die gemessenen Korrosionspotentiale liegen in einem Bereich von -0,56 bis -0,20 V vs. NHE und die OCP-Werte im Bereich -0,62 bis -0,22 V vs. NHE. Die Korrosionsstromdichte aller Materialien bewegt sich auf einem niedrigen Level im Bereich von 5,89 ·10-7 bis 2,17 ·10-6 A/cm2. Aus den Korrosionswerten berechnete Korrosionsraten liegen in einem für Titan-Materialien typischen Bereich, dabei verursachen die Messungen keine detektierbaren Änderung (Korrosion) der Probenoberflächen und können als zerstörungsfreie Messungen betrachtet werden. Die pH-Werte der bei den Korrosionsmessungen verwendeten Elektrolyten steigen während der Messung bei allen Materialien nur geringfügig um 0,25 bis 0,45.
Fluoridierung des Elektrolyten mit 1000 ppm Fluorid wirkt nicht deutlich beschleunigend bzgl. der Korrosion von Ti13Nb13Zr-Legierungen und Titan Grad 4.
Bezüglich der Oberflächenenergie ergeben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den getesteten Titanwerkstoffen. Aus Kontaktwinkelmessungen berechnete Oberflächenenergien liegen in einem Bereich von 47,18 bis 53,77 mN/m.
Härtemessungen zeigen eine klar erkennbare Korngrößenabhängigkeit. Mit kleiner werdender Korngröße erhöht sich auch die Härte der Materialien.
Abschließend ist das Korrosionsverhalten der nanostrukturierten Ti13Nb13Zr-Legierung sowohl mit der mikrostrukturierten Variante als auch mit den Titan Grad 4-Referenzmaterialien gut vergleichbar. Kein Ergebnis der verschiedenen durchgeführten Messmethoden weist darauf hin, dass nanostrukturierte Ti13Nb13Zr-Legierungen hinsichtlich ihrer Korrosionseigenschaften weniger tauglich für den Einsatz als Dentalimplantat sein könnten, als entsprechende Referenzmaterialien.
Bachelorarbeit, Juli 2021
Bacherarbeit, Februar 2021
Resorbierbare Knochenschrauben aus Magnesium haben sich in der Chirurgie zur Verwendung bei der Osteosynthese etabliert. Sie sind mechanischen und korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt und müssen sich kontrolliert und homogen abbauen, selbst wenn Kräfte auf die Schrauben wirken. Ziel dieser Arbeit ist es herauszufinden, wann Knochenschrauben mechanisch beansprucht werden und den Einfluss von Kaltverformungen auf das Korrosionsverhalten zu untersuchen.
In einer Literaturrecherche wird die Verwendung von Knochenschrauben genauer betrachtet und besonders auf resorbierbare Magnesiumschrauben eingegangen. Es wird ausgeführt, wann und durch welche Ursachen diese belastet werden. Dazu werden die Schritte bei einer Operation mit einer Zugschraube zusammengefasst und es wird auf mögliche Fehler eingegangen.
Mittels Messung von elektrochemischen Polarisationskurven wird das Korrosionsverhalten von Magnesiumproben der Legierung AM50 analysiert. Die Versuche werden an unpolierten und polierten Proben durchgeführt, wobei an der Hälfte der betrachteten Proben vor der Korrosionsmessung mit einer Zugprüfmaschine Verformungen aufgebracht wurden. Es werden Probengruppen mit unterschiedlichen Enddehnungen durch Abbruch des Zugversuchs unterhalb der maximalen Gleichmaßdehnung erstellt und mit Härtemessungen nach Vickers verglichen.
Die Recherche hat ergeben, dass Belastungen auf das Implantat vor der Operation durch Regelungen für Medizinprodukte vernachlässigbar sind. Knochenschrauben sind vor allem beim Eindrehen während der Operation und anschließend bei der Frakturheilung im Körper mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt.
An den Ergebnissen der Korrosionsmessungen an unverformten und gebrochenen Proben ist ein Unterschied bezüglich der Korrosionsbeständigkeit erkennbar. Durch Einflüsse durch das Ausgangsmaterial, die Oberflächenbeschaffenheit und den unterschiedlichen Verformungsgrad der Proben wurden große Streuungen der Korrosionskennwerte beobachtet. Weitere Versuche sind notwendig, um Aussagen über den Einfluss der Kaltverformung treffen zu können.
Bachelorarbeit, Februar 2021
Forschungspartner:
Prof. Dr. Susanne Grässel,
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Experimentelle Orthopädie
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das in vitro Infiltrationsverhalten in osteoarthrotische Knorpelstrukturen eines Hydrogels auf der Basis von Phosphorylcholin untersucht. Die zentrale Herausforderung ist der Nachweis des Hydrogels innerhalb des Gewebes.
Hierfür wurden die Knorpelproben unterschiedlichen Präparationen und optischen Untersuchungsverfahren unterzogen. Das inkubierte und infiltrierte Gewebe wurde makro- und mikroskopisch untersucht und bewertet. Um das infiltrierte Gewebe detaillierter analysieren zu können, wurden Teile des Hydrogels zusätzlich mit einem fluoreszierenden Farbstoff (MTR) versetzt und die Verteilung im Knorpelgewebe anschließend mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops analysiert. Eine mögliche Infiltration des Hydrogels in die Zelle wurde mittels DAPI-Färbung untersucht, indem die mikroskopischen DAPI- und MTR-Bilder überlagert wurden. Zudem wurden sowohl infiltrierte und nicht-infiltrierte Knorpelstanzen mittels Mikro-Computertomographie (µCT) und nach einer komplexen Probenpräparation, mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht.
Anhand der makroskopischen Untersuchungen konnte eine leicht orange-rötliche Färbung innerhalb des infiltrierten Gewebes vor der Polymerisation festgestellt werden. Außerdem konnte während des Polymerisationsprozesses des Hydrogels ein eindeutiger Farbumschlag beobachtetet werden.
Der lichtmikroskopische Vergleich der infiltrierten, polymerisierten und nicht-infiltrierten Knorpelproben lieferte kein verwertbares Ergebnis. Jedoch konnte mithilfe der fluoreszenzmikroskopischen Analyse eine Infiltration des Hydrogels in das Gewebe nachgewiesen werden. Allerdings konnte eine verminderte Ablagerung des Gels innerhalb der territorialen Matrix beobachtet werden, die möglicherweise mit der Kollagenbeschaffenheit innerhalb der extrazellulären Matrix zusammenhängen. Ein Eindringen des Hydrogels in die Zelle konnte anhand der vorliegenden Bilddateien nicht ausgeschlossen werden. Da dies aber im Bereich der medizinischen Anwendung eine große Rolle spielt, sollte die Vitalität der Zellen nach einer erfolgreichen Infiltration separat untersucht werden.
Die durchgeführten µCT- und REM-Aufnahmen zeigen zwar Unterschiede zwischen hydrogelhaltigen und nicht-hydrogelhaltigen Präparaten, allerdings sind diese Unterschiede aufgrund der geringen Anzahl an Proben nicht aussagekräftig zu bewerten. Sie können jedoch als Grundlage für zukünftige Versuche dienen.
Generell konnte das Hydrogel innerhalb des Knorpelgewebes vor allem anhand der makro- und mikroskopischen Analysen nachgewiesen werden.
Bachelorarbeit, August 2021
In der Chirurgie haben sich seit einiger Zeit biodegradable Magnesiumwerkstoffe für den Implantateinsatz etabliert. Die Art und Geschwindigkeit des Abbaus im menschlichen Körper hängt dabei von vielen Faktoren ab. In dieser Arbeit lag das Hauptaugenmerk auf dem Temperatureinfluss, da Implantate im menschlichen Körper einer Kerntemperatur von 37 °C ausgesetzt werden. Dafür wurden elektrochemische Korrosionsuntersuchungen an der Magnesiumlegierung AM50, unter Verwendung eines Minizellsystems, und des Nährmediums DMEM, bei Raum- und Körpertemperatur durchgeführt. Ziel war es dabei Temperaturabhängigkeiten in den gemessenen Stromdichte-Potentialkurven und deren Kennwerte festzustellen. Für die Messungen bei Körpertemperatur wurde ein Heiztisch verwendet, der bei ersten Messversuchen zu starken Störungen führte. Aus diesem Grund war ein weiteres Ziel dieser Arbeit einen Versuchsstand mit Heiztisch aufzubauen und anhand von Messungen an Zinkproben zu optimieren.
Der Versuchsaufbau mit Heiztisch ergab nach mehreren angewandten Lösungskonzepten reproduzierbare Messergebnisse. Dieses Konzept wurde für die weiteren Messungen mit AM50 bei 37 °C beibehalten. Es wurden Korrosionsraten für AM50 im Bereich von 0,13 und 1,94 mm/Jahr ermittelt. Dabei kam es dennoch zu Streuungen, die einen Vergleich der Messungen untereinander und mit Literaturwerten erschwerte. Die Korrosionsstromdichten lagen bei 37 °C in eine Bereich von 1, 17·10-5 und 8, 49·10-5 A/cm2, wobei zumindest eine Tendenz festgestellt werden konnte, die für eine erhöhte Korrosionsgeschwindigkeit bei steigender Temperatur spricht.
Die Hypothese einer Steigerung der Korrosionsgeschwindigkeit durch erhöhte Temperatur konnte somit nur tendenziell bestätigt werden. Deshalb ist es zum einen notwendig weitere Messungen bei Raum- und Körpertemperatur in unterschiedlichen Nährmedien durchzuführen, um bestätigen zu können, dass es nicht erst ab Temperaturen weit über 37°C zu charakteristischen Veränderungen in der Auflösungsgeschwindigkeit kommt. Zum anderen den Messaufbau mit Heiztisch soweit zu optimieren, dass Störungen und Streuungen, verursacht durch den Heiztisch, sicher ausgeschlossen werden können.
Masterarbeit bei meidrix biomedicals GmbH in Esslingen am Neckar
2020
Masterarbeit, Mai 2020
Forschungspartner:
Prof. Dr. Martin Rosentritt
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Eine Dentalbrücke, welche zur Wiederherstellung eines funktionellen und ästhetischen Gebisses verwendet wird, ist ein festsitzender Zahnersatz. Zur in-vitro Testung neuer Dentalbrückenmaterialien werden Kausimulationen und Brückenbruchtests durchgeführt. Meist fehlt jedoch eine realitätsgetreue Darstellung der Einbettung der
Brücken.
In dieser Masterarbeit wurde zum einen ein bestehendes, realistischeres Modell erweitert und ein weiteres Vergleichs-Modell mit konventionellem Versuchsaufbau erstellt. Zum anderen wurde eine Literaturrecherche zu verschiedenen Studien mit vergleichbarem Versuchsparametern durchgeführt. Für die Validierung der entwickelten Modelle folgte die Erstellung eines Versuchsplans für weitere Studien. Aus der Literaturrecherche wurden Rückschlüsse auf Materialeigenschaften sowie Versuchsdurchführungen ermittelt und die Aussagekraft von ermittelten Werten eingeschätzt.
Schlagworte: Dentalbrücke, Zahnersatz, Literaturvergleich, Designentwicklung, Kausimulation
Masterarbeit, April 2020
Forschungspartner:
Prof. Dr. Susanne Grässel,
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Experimentelle Orthopädie
Osteoarthrose (OA) ist eine degenerative Krankheit, welche in artikulierenden Gelenken auftritt und zum Verschleiß des hyalinen Knorpels führt. Der Rückgang der mechanischen Eigenschaften des Knorpelgewebes soll durch die Einführung eines Hydrogel-Materials aufgehalten werden. In dieser Arbeit wurde eine Double Network Hydrogel auf der Basis von Phosphorylcholin auf dessen Eignung für die Infiltration von osteoarthrotischem Knorpel untersucht. Ziel war dabei die Betrachtung dieser vier Bereiche:
(1) das Quellverhalten des Hydrogels in wässriger Umgebung und die damit einhergehende Volumenänderung.
(2) die Auswirkung von polymerisiertem Hydrogel auf die Vitalität von Knorpelzellen (Chondrozyten) in direktem und indirektem Kontakt mit dem Hydrogel unter Zuhilfenahme verschiedener Zytotoxizitäts-Assays.
(3) der Nachweis von polymerisiertem Hydrogel nach in vitro Infiltration zylindrischer adulter humaner artikulärer Knorpelproben mittels Fourier-Transformation-Infrarot-Spektroskopie.
Und (4) die Evaluation eines Versuchsaufbaus für Druckversuche unter uniaxialer Belastung und die weiter-folgende Anwendung dieses Aufbaus an knochenähnlichem Material, sowie an dem Phosphorylcholin Hydrogel.
Das Quellverhalten ordnet das Hydrogel als ein high-swelling Material ein, das zu einer starken Volumenänderung tendiert. Das Hydrogel zeigt weder in direktem noch indirektem Kontakt eine toxische Wirkung auf die Vitalität der Chondrozyten in Zellsuspension. Eine erfolgreiche Infitration des Knorpelgewebes konnte nicht hinreichend festgestellt werden, wobei die Ergebnisse der Spektroskopie auf keine Anwesenheit des Hydrogels im Gewebe hindeuten. Sowohl der Versuchsaufbau als auch die Ergebnisse der Versuche mit knochenähnlichem Material weisen auf eine gute Eignung der Vorgehensweise hin.
Die Versuche mit dem Hydrogel sind durch die geringe Anzahl der Repetitionen nicht aussagekräftig zu bewerten, allerdings können die Ergebnisse als Grundlage für zukünftige Versuche angesehen werden.
Masterarbeit, April 2020
Aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität, guten mechanischen Eigenschaften und vor allem aufgrund ihrer Biodegradation und Bioaktivität sind Magnesiumwerkstoffe ein vielversprechendes Material für den Einsatz als resobierbare Barierremembran in der dentalen und kraniomaxillofazialen Chirurgie. Der derzeitige Einsatz von Magnesiumwerkstoffen als Implantatmaterial ist jedoch aufgrund der schnellen in vivo Degradationsrate von Magnesium noch limitiert. Zentrale Herausforderung ist daher die Kontrolle über die Degradationskinetik von Magnesiumwerkstoffen. Für eine erfolgreiche Modifizierung der in vivo Degradation ist jedoch ein grundlegendes Verständnis des in vitro Degradationsprozesses Voraussetzung.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das in vitro Degradationsverhalten von Reinmagnesiumfolien in DMEM untersucht. Für die Untersuchung des Degradationsprozesses wurden Immersionstest in DMEM bei 37 C unter CO2-Atmosphäre durchgeführt. Der pH des DMEM wurde über das offene CO2-HCO−3 -Puffersystem über die gesamte Versuchszeit auf einen physiologischen Wertebereich reguliert.
Für die Evaluierung der Degradationskinetik wurde die Degradationsrate anhand der Wasserstoffentwicklung sowie anhand des Volumenverlustes, welcher mittels μCT-Daten berechnet wurde, ermittelt. Beide Methoden weisen dabei jedoch Mängel auf, sodass geringere Degradationsraten ermittelt werden als eigentlich zu erwarten. Bei der Wasserstoffbestimmung besteht die Problematik zum einen darin, dass H2-Gas erst aus dem Elektrolyten entweicht, wenn dieser an H2 gesättigt ist. Dadurch wird ein geringeres Gasvolumen gemessen als eigentlich während der Korrosion der Magnesiumfolie entstanden ist. Zum anderen wird auch ein zu geringes H2-Gasvolumen detektiert, da Gasblasen an den Wänden des Versuchszubehörs wie Zellsieb und Trichter haften oder auch unter der Probe „gefangen“ sind.
Bei der Methode zur Bestimmung Degradationsrate anhand des Volumenverlustes wurden μCT-Aufnahmen der Magnesiumfolien vor und nach Immersion generiert. Für die Berechnung des Volumenverlustes wurde, basierend auf den unterschiedlichen Absorptionseigenschaften des Magnesiumsubstrates und der Degradationsprodukte, die
Degradationsschicht visuell entfernt. Da jedoch die Mg-Atome im Magnesiumsubstrat und die gelösten Mg-2+-Ionen, die in der Degradationsschicht integriert sind, eine gleiche oder ähnliche Absorption aufweisen, können diese nicht differenziert werden. Dadurch werden die gelösten Mg-2+-Ionen visuell nicht entfernt, sodass ein geringerer Volumenverlust berechnet wird. Des Weiteren können sehr dünne Bereiche der Degradationsschicht, die zudem leichte Elemente wie Sauerstoff oder Kohlenstoff enthalten, aufgrund ihrer geringen Absorption mittels μCT nicht detektiert werden, sodass ebenfalls ein geringerer Volumenverlust berechnet wird. Da aber mit zunehmender Immersionszeit dickere Degradationsschichten entstehen, nimmt der Fehler mit zunehmender Immersionszeit ab. Daher repräsentiert die anhand des Volumenverlustes ermittelte Degradationsrate von 0,9 mm Jahr nach 4 d (längste Immersionsdauer) das in vitro Degradationsverhalten der Magnesiumfolien in DMEM am besten. Nach Immersion in DMEM wurden die Degradationsschicht hinsichtlich Morphologie mittels LSM und REM untersucht sowie die elementarer Zusammensetzung mittels EDX analysiert. Anhand der optischen Methoden wurde eine rissige Oberfläche mit vulkanförmigen Strukturen, den kathodischen Zentren, beobachtet. Aufgrund der kathodischen Zentren, die die mikrogalvanische Korrosion triggern, fand ein sehr unregelmäßiger Materialabtrag
an der Oberfläche statt. Eine starke Minderung der strukturellen Integrität wurde jedoch nicht festgestellt. Mittels EDX-Analyse wurden die nach Auslagerung in DMEM typischen Korrosiosnprodukte Mg-Hydroxid, (Mg,Ca)-Carbonate und (Mg,Ca)-Phosphate nachgewiesen.
Des Weiteren wurde die Bioaktivität der Magnesiumfolien anhand des Bioaktivitätstest nach Kokubo et al. [?] evaluiert. Dafür wurden Magnesiumfolien und -zylinder in c-SBF ausgelagert. Anschließend wurde die elementare Oberflächenzusammensetzung mittels XPS und die Struktur der entstandenen Schicht mittels XRD analysiert. Die
XPS-Spektren weisen sowohl Calcium- als auch Phosphor-Peaks auf, was vermuten lässt, dass sich eine Calcium-Phosphat-Schicht gebildet hat. Mittels XRD konnte auf der Oberfläche nach einer Auslagerungszeit in c-SBF von 28 d eine kristalline Schicht mit einem dünnen amorphen Oberflächenfilm nachgewiesen werden. Dass es sich dabei um eine Apatit-Schicht handelt, konnte aufgrund der geringen Beugungslinienanzahl nicht gesagt werden.
Masterarbeit, April 2020
Heutzutage kommen zahlreiche Materialien als Implantat im menschlichen Körper zum Einsatz. Hierfür müssen die Implantatmaterialien verschiedene Anforderungen erfüllen, um keine Komplikationen beim Patienten zu verursachen. Einen wichtigen Aspekt stellt das Benetzungsverhalten des Implantats dar, durch das die ersten, ausschlaggebenden Reaktionen mit Blut oder Gewebeflüssigkeit bestimmt werden. Durch Oberflächenmodifikationen ist die Oberflächenenergie und damit das Benetzungsverhalten von Materialien einstellbar.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Versuchsstand zur Bestimmung der Oberflächenenergie anhand von Kontaktwinkelmessungen aufgebaut und eine geeignete Messmethode mit entsprechender Arbeitsanweisung entwickelt, um in Zukunft die Oberflächenenergie von Implantatmaterialien im Labor Biomaterialien an der OTH Regensburg untersuchen zu können. Hierfür wurde die Oberflächenenergie verschiedener Implantatmaterialien evaluiert. An Titan und Magnesium Proben wurden unterschiedliche raue Oberflächen eingestellt, um diese bezüglich der Rauheit und Benetzbarkeit zu vergleichen. Außerdem wurden Proben aus X2CrNiMo17-12-2
laserbehandelt und mit polierten Proben bezüglich Rauheit, Oberflächenenergie, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität verglichen. Die Ergebnisse aus allen Messungen wurden analysiert und diskutiert.
Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheit und dem Wasserkontaktwinkel beziehungsweise der Oberflächenenergie innerhalb des selben Materials festgestellt werden. Neben der Rauheit gibt es jedoch weitere Einflussfaktoren, weshalb der Zusammenhang beim Vergleich der unterschiedlichen Materialien in Bezug auf die Oberflächenenergie und Rauheit nicht direkt ersichtlich war. Durch die Laserbehandlung von X2CrNiMo17-12-2 konnte die Oberflächenrauheit erhöht, der Wasserkontaktwinkel reduziert und die Oberflächenenergie gesteigert werden. Die Korrosionsbeständigkeit wurde nicht signifikant verbessert oder verschlechtert. Das Material zeigt auch nach der Laserbehandlung kein zytotoxisches Verhalten.
Abschlussarbeit bei Gerresheimer Regensburg GmbH in Wackersdorf
Abschlussarbeit bei Asclepion Laser Technologies in Jena
2019
Masterarbeit, September 2019
Forschungspartner:
Prof. Dr. Susanne Grässel,
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Experimentelle Orthopädie
In der Zahnmedizin sind Brücken und Kronen etablierte Standardindikatoren zur okklusalen Rekonstruktion von unterschiedlichen dentalen Krankheitsbildern. Für Restaurationen, wie beispielsweise Brücken, ist es wichtig das Materialverhalten in vitro zu untersuchen, um Versagenswahrscheinlichkeiten bei Patienten zu minimieren. Bruchtests oder Verschleißuntersuchungen an sogenannten Kausimulatoren, sind in heutigen Studien häufig verwendete Prüfverfahren. Auf die anatomisch korrekte Wurzelgeometrie bzw. Befestigung im Alveolarknochen wird hierbei jedoch nicht eingegangen. Ziel der vorliegenden Abschlussarbeit war die Erstellung eines realitätsnahen CAD/CAM-fertigbaren Modells zum Testen von Seitenzahnrestaurationen. Dabei wurde eine dreigliedrige Brückenrestauration, deren abgeschliffene Brückenpfeiler (Prämolar 14 und Molar 16) und die gesamte Einspannung im Kieferknochen modelliert. Durch das Hinzufügen der mesial und distal anliegenden Zähne (Caninus 13 und Molar 17), inklusive deren Approximalkontakt zur Brücke, war eine realitätsnahe Stabilisierung der Restauration im Gesamtmodell umsetzbar. Um die Durchführbarkeit von Verschleißtests und Brückenbruchtests zu untersuchen, wurden in der vorliegenden Arbeit aus dem entwickelten Modell vier Proben gefertigt und anschließend unter thermo-mechanischer Belastung (6000 Zyklen 5-55 °C; 1200000 Zyklen 0-50 N) und linearer Druckbelastung (bis Bruch) geprüft. Damit ein direkter Vergleich der Modelle möglich ist, sind die Brückenrestaurationen aus den identischen CAD/CAM-Kompositblöcken durch das „CEREC MC XL“ (Dentsply Sirona Deutschland GmbH; Deutschland) hergestellt worden. Die Stabilisierungszähne und Brückenpfeiler wurden einerseits aus PMMA-Ronden über das „inLab MC X5“ (Dentsply Sirona Deutschland GmbH; Deutschland) aus PMMA-Ronden gefräst. Andererseits konnte diese, wie auch die Knocheneinspannungen, mittels SLA-Verfahren über den „Form 2“ (Formlabs Inc.; USA) aus dem Duroplast Resin Clear (Formlabs Inc.; USA) additiv gefertigt werden. Der erfolgreich durchgeführte Verschleißtest am „Regensburger Kausimulator“ wies bei allen Proben ähnliche Verschleißflächen auf. Die beim Bruchtest ermittelten Kraftwerte variieren von 566 N bis 740 N. Das entwickelte Gesamtmodell eignet sich aufgrund der erfolgreich durchgeführten Versuchsreihe zur weiteren Untersuchung von zahnmedizinischen Materialien um diese statistisch aussagekräftig zu bewerten.
Bachelorarbeit, August 2019
In dieser Bachelorarbeit wurden in Form einer Literaturrecherche Methoden zur Quantifizierung von Lochkorrosion erörtert und das Korrosionsverhalten von Implantatwerkstoffen untersucht. Aus elektrochemischen Messungen mit einer Minizelle und Immersionstests wurden verschiedene korrosionsrelevante Größen ermittelt. Darauf folgte eine Bewertung, welche dieser Daten für die Quantifizierung von Lochkorrosion geeignet sind.
Untersucht wurden die Magnesiumlegierung WE43 und der rostfreie Stahl 316L. Die elektrochemischen Messungen verwendeten als Elektrolyte die phosphatgepufferte Kochsalzlösung PBS und das Zell-Nährmedium Dulbecco´s Modified Eagle´s Medium D-MEM. Bei den Immersionsversuchen wurde nur PBS eingesetzt.
Beide untersuchten Materialien neigen zu Lochfraß. Die ersten Lochfraßpotentiale von WE43 liegen bei etwa -1,06 V vs NHE, die von 316L in einem Bereich von 0,35 bis 0,59 V vs NHE. WE43-Proben zeigen Durchbruchspotentiale zwischen -0,76 bis -1,22 V vs NHE, 316L-Proben zwischen 0,39 bis 0,92 V vs NHE. WE43 korrodiert also schneller unter Lochkorrosion, als 316L. Der Vergleich der Kurven zeigt außerdem, dass 316L eine echte Passivschicht bildet, WE43 dagegen bildet keinen wirklichen Passivbereich aus.
Die Rückwärtsscans sind alle im Vergleich zu den Hinscans verschoben, was ebenfalls auf Lochkorrosion schließen lässt. Zwischen den verwendeten Elektrolyten PBS und D-MEM ist im Rahmen der Messgenauigkeit kein signifikanter Unterschied festzustellen. Die aus dem Immersionstest in PBS ermittelten Messdaten pH-Wert, Wasserstoffentwicklung, Massenänderung und Rauhigkeitsänderung zeigen zwar, dass Korrosion stattfindet, sind allerdings zur Quantifizierung des spezifischen Korrosionsmechanismus Lochfraß nicht geeignet. Nach 72 Stunden Immersionszeit in PBS wurden die Proben unter dem Mikroskop begutachtet. Auf den WE43-Proben sind Löcher sichtbar, auf den 316L-Proben nach der kurzen Immersionszeit in PBS dagegen noch nicht.
Beispielhaft wurde der Lochfraßfaktor einer WE43-Probe gemäß der Norm DIN EN ISO 11463 bestimmt. Dieser liegt bei 1,130. Dieser Wert bestätigt das erfolgte Einsetzen von Lochfraß.
Bachelorarbeit, Juni 2019
In dieser Bachelorarbeit wird die Korrosionsgeschwindigkeit anhand der Wasserstoffentwicklung während der Bimetallkorrosion der biokompatiblen Magnesiumlegierung WE43 untersucht. Die metallischen Kontaktpartner in den Untersuchungen stellen die Werkstoffe Titan Grade 2 und 316L dar. Das Ziel ist es, den Einfluss dieser etablierten Implantatmaterialien auf die Wasserstoffbildung und damit den Ablauf der Kontaktkorrosion mit WE43 zu ermitteln. Zudem soll der Anteil der Eigenkorrosion von WE43 an der Gesamtkorrosion bestimmt werden. Um die Auswirkungen der Kontaktpartner ermitteln zu können, sind verschiedene Methoden angewendet worden. Nachdem geeignete Probekörper entworfen und präpariert worden sind, sind zum einen elektrochemische Untersuchungen an allen beteiligten Werkstoffen, und zum anderen Immersionsversuche durchgeführt worden. Während dieser Immersionsversuche ist der sich durch den Korrosionsprozess bildende Wasserstoff aufgefangen worden. Aus den entstandenen Wasserstoffvolumina ist schließlich auf die Korrosionsrate zurückgerechnet worden. Die Untersuchungen kommen zu dem Ergebnis, dass 316L der Kontaktpartner ist, der die Korrosion von WE43 am stärksten beschleunigt. Ebenfalls geht hervor, dass WE43 ein sehr korrosionsstabiler Werkstoff ist, dessen Eigenkorrosion im Vergleich zur Gesamtkorrosion zu vernachlässigen ist. Es hat sich allerdings auch gezeigt, dass die Oxidschichtbildung auf den Werkstoffen bei der Herstellung der Probekörper zu berücksichtigen ist. Bei weitergehenden Untersuchungen ist also darauf zu achten, etwaige Oxidschichten auf den zu untersuchenden Probekörpern sorgfältig zu analysieren und vor dem Beginn von Versuchen gegebenenfalls einen definierten Zustand der Oxidschichten einzustellen. Dennoch kann festgehalten werden, dass ein elektrisch leitender Kontakt von WE43 mit anderen metallischen Werkstoffen in vivo zu vermeiden ist. Es kommt nämlich zu sehr starker Wasserstoffentwicklung und Metallauflösung, die die Funktionsfähigkeit eines Implantats sehr rasch beeinträchtigen würde.
Keywords: Wasserstoffentwicklung, Bimetallkorrosion, Kontaktkorrosion, Immersionsversuch, Magnesium
Bachelorarbeit, Februar 2019
In folgender Bachelorbeit soll ein pH Monitoring während der Korrosion von Magnesium in verschiedenen Elektrolyten aufgebaut und durchgeführt werden. Magnesium und Magnesiumlegierungen stehen seit einigen Jahren im Fokus der Forschung der Medizintechnik. Sie vereinen das Degradationsvermögen von abbaubaren Polymeren und Keramiken, die mechanische Stabilität von metallischen Werkstoffen und eine gute Biokompatibilität. Eine zu hohe Korrosionsgeschwindigkeit kann lokal mit einer hohen Wasserstoffentwicklung, sowie einer Alkalisierung im Gewebe einhergehen. Die Herausforderung besteht darin, das Korrosionsverhalten von Magnesium so zu kontrollieren, dass kein Gewebe geschädigt wird. Um möglichen Schädigungen vorzubeugen, müssen daher der Ablauf der Korrosion und ihre Korrosionsprodukte molekularer Wasserstoff und 𝑂𝑂𝑂𝑂−-Ionen genau untersucht werden.
Zunächst werden daher die Grundlagen der pH-Messung mittels Literaturrecherche analysiert und erklärt. Anschließend werden zwei Messgeräte geprüft und in verschiedenen Elektrolyten eingesetzt. Bei den verwendeten Messgeräten handelt es sich um eine Optode der Firma PreSens (Mikrosensor) und um eine Elektrode der Firma VWR (pH 1100 H). Die Trägheit der Systeme – sowohl die Trägheit der pH-Geräte, als auch die der Elektrolyte – und die Veränderungen der Elektrolyten über die Zeit beeinflussen die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Deshalb werden diese im nächsten Schritt ermittelt. Anschließend wird die pH-Messung mit Korrosionsuntersuchungen an Reinmagnesium verknüpft. Durch die verwendeten Sensoren werden Informationen über die Geschwindigkeit der pH-Änderung erlangt. Außerdem wird auch die Relation der pH-Wert-Änderungen zur Entfernung von der Reaktionsoberfläche erforscht.
Die Ergebnisse zeigen die unterschiedliche Eignung der beiden Messsysteme in verschiedenen Bereichen auf. So wird die Möglichkeit der Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse eingegrenzt und konkretisiert. Geprüft wurden die Messgeräte in PBS, 0,9%iger NaCl-Lösung und DMEM. Die Korrosionsversuche bestätigen in PBS und DMEM die Annahme, dass der pH-Wert größer wird, je näher der Sensor an der Oberfläche der Magnesiumprobe platziert ist. An der Oberfläche steigt der pH-Wert in vitro auf bis zu 8,2 an. Deutlich erkennbar ist eine starke Anfangskorrosion, welche mit größer werdendem Abstand geringer wird. Die pH-Werte steigen rapide an und sinken dann langsam. Bei einem Abstand von 2mm zur Probe sind kaum mehr pH-Wert-Änderungen im Elektrolyten vorhanden. Die Ergebnisse in 0,9%iger NaCl-Lösung bestätigen die Hypothese nur zum Teil, was an der Funktionsweise des Mikrosensors liegt.
Stichworte: Magnesium, Korrosion, Elektrolyt, pH-Monitoring
Bachelorarbeit, Januar 2019
Forschungspartner:
Prof. Dr. Martin Rosentritt
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Arthrose ist eine degenerative Gelenkserkrankung, die dazu führt, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Gelenkgewebe (z.B. des artikulären Knorpels) und somit auch die Bewegungsfreiheit von Erkrankten drastisch verschlechtert. Ziel dieser Arbeit ist daher, eine Behandlungsmethode zu untersuchen, bei der die mechanischen Eigenschaften des erkrankten Knorpels erhalten bzw. verbessert werden. Die Methode besteht darin, den degenerierten Knorpel in vitro mit einem Hydrogel zu infiltrieren, welches nach Infiltration mittels UV-Strahlung auspolymerisiert wird. In dieser Arbeit wurde dabei auf folgende Gesichtspunkte der Fokus gelegt: Zum einen wurde eine mögliche zytotoxische Wirkung der UV-Strahlung bzw. der Hydrogel-Lösung auf die Knorpelzellen untersucht. Zum anderen sollte bewiesen werden, dass die Hydrogel-Lösung während der Infiltration in das Knorpelgewebe einwandert und nach der Bestrahlung polymerisiert im Knorpel vorliegt. Dazu wurden Knorpelchips von menschlichen arthrotischem Knorpel präpariert und mit Hydrogel-Lösung infiltriert. Anschließend wurden die infiltrierten Knorpelchips bestrahlt und zwei verschiedenen Vitalitätstests unterzogen. Zusätzlich wurden die Knorpelproben mittels Infrarotspektroskopie untersucht. Durch die Ergebnisse der beiden Vitalitätstests ließ sich eine schädigende Wirkung der UV-Strahlung auf die Knorpelzellen feststellen. Eine Aussage zur Zytotoxizität der Hydrogel-Lösung ließ sich nicht treffen. Des weiteren konnte mittels der IR-Spektroskope die unpolymerisierte Hydrogel-Lösung nach der Infiltration im Inneren des Knorpels nachgewiesen werden.
Abschlussarbeit bei Fraunhofer Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg
Abschlussarbeit bei Schott AG in Landshut
Abschlussarbeit bei Institut Strauman AG in CH-Basel
2018
Bachelorarbeit, Oktober 2018
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde eine Elektropolitureinheit für Stahlproben aus 316L aufgebaut und der Einfluss von spannungsarmem Glühen, sowie der Passivierung mit Zitronensäure geprüft. Dafür wurden verschiedene Versuchsreihen erstellt und die Charakteristika vor und nach dem Elektropolieren (EP) getestet. Durch optische Begutachtung und der Verwendung eines Lichtmikroskops wurde die Oberfläche analysiert und aufgezeigt, wie wichtig es ist im richtigen Potentialbereich zu polieren. Mithilfe eines Laser-Scanning-Mikroskops wurde die Oberflächenrauigkeit bestimmt, um die Änderung durch die elektrochemische Politur darzustellen. Zudem wurde durch eine Feinwaage der Massenverlust ermittelt, um etwaigen Einfluss der Vor- oder Nachbehandlung auf den Abtrag beim elektropolieren zu berechnen. Ebenso wurde die Änderung der Härte durch das EP getestet. Durch das Schleifen wurden Kaltverformungen und Eigenspannungen in die Oberfläche induziert, wodurch sie eine höhere Härte besitzen als die polierten. Nach dem EP wurde diese an der Oberfläche um 41,6% reduziert. Bei den Korrosionsmessungen mit einer elektrochemischen Minizelle wurde das Korrosionsverhalten der geschliffenen, zu den polierten Proben untersucht. Dabei hatten die Vor- und Nachbehandlungen einen großen Einfluss. Sie verbesserten sowohl das Korrosions- als auch Durchbruchspotential der Proben.
Bachelorarbeit, Oktober 2018
In der vorliegenden Bachelorarbeit wird das Kontaktkorrosionsverhalten des Magnesiumwerkstoffes AM50 sowohl mit Titan cp2 als auch mit dem Stahl 316L, die als typische metallische Implantatwerkstoffe gelten, untersucht. Ziel ist es, zwei geeignete Prüfstände aufzubauen und anschließend Kennwerte zur Beurteilung des Korrosionsverhaltens zu entwickeln.
Um die Voraussetzungen der Kontaktkorrosion zu erfüllen, müssen spezielle Probeneinbettungen erfolgen. Diese Probeneinbettungen unterscheiden sich je nach Versuchsaufbau. Nach dem Einbetten werden die Metalloberflächen gemäß materialspezifischen Schleif- und Polierprotokollen bearbeitet und mittels Laser-Scanning-Mikroskop charakterisiert.
Die umgesetzten Versuchsstände werden beschrieben. Zum einen wird ein Immersionsversuch, mit der Intention, den bei der Magnesiumkorrosion entstehenden Wasserstoff zu sammeln, erläutert. Zum anderen wird der Aufbau zu einer elektrochemischen Untersuchungsmethode mittels eines Potentiostaten, der zur galvanischen Strommessung zwischen den beteiligten Metallen als Null-Ohm-Amperemeter geschalten wird, beschrieben.
Bei den Messergebnissen stellt sich heraus, dass die Korrosion des AM50 bei einer elektrisch leitenden Verbindung des AM50 mit einem der anderen Versuchsmetalle und eingetaucht in einem Elektrolyten, beschleunigt wird. Zudem werden unterschiedliche Flächenverhältnisse von Anode zu Kathode realisiert, die eine Beschleunigung bei kleiner werdendem Anoden-zu-Kathoden-Verhältnis bestätigen.
Ein quantitativer Vergleich der Ergebnisse der beiden Versuchsaufbauten verbietet sich wegen der unterschiedlichen physikalisch-chemischen Rahmenbedingungen. Dennoch können aus den Ergebnissen beider Versuchsreihen kongruente Schlussfolgerungen gezogen werden.
Bachelorarbeit, August 2018
Forschungspartner:
Prof. Dr. Martin Rosentritt
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Viele Menschen in Deutschland sind von der Volkskrankheit Arthrose betroffen. Aufgrund degenerativer Prozesse verliert der Knorpel im betroffenen Gelenk seine Stabilität, was bei fortschreitender Krankheit zur Unbrauchbarkeit des Gelenks führt. Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Erforschung einer Behandlungsmethode bei der die mechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels wiederhergestellt werden. Hierbei wird der Knorpel mit einer Hydrogel-Lösung infiltriert und diese anschließend mittels einer UV-Lampe polymerisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden folgende Aspekte dieser Behandlungsmethode überprüft: Zeigt die Bestrahlung durch die UV-Lampe zellschädigende Wirkung? Welche Bestrahlung ist zur Polymerisation der Hydrogel-Lösung notwendig? Und weist diese Lösung toxische Eigenschaften auf? Zur Beantwortung dieser Fragen wurden menschliche arthrotische Knorpelchips mittels einer UV-Lampe bestrahlt und anschließend ein Vitalitätstest durchgeführt. Mit derselben Lampe wurde die Hydrogel-Lösung bis zur vollständigen Polymerisation bestrahlt, sowie dessen Stabilität bzgl. Licht und Temperatur überprüft. Weitere Knorpelchips wurden in der Hydrogel-Lösung für 24 Stunden gelagert und anschließend mittels der UV-Lampe polymerisiert und ein Vitalitätstest durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die zur Polymerisation der Hydrogel-Lösung notwendige Bestrahlung keine schädigende Wirkung entfaltet. Das Hydrogel ist sehr lichtempfindlich, wodurch auch schwächerer Lichteinfall als bei direkter Bestrahlung zur Polymerisation führt.
Schlagwörter: Arthrose, Knorpel, Hydrogel, UV-Licht, Polymerisation
Masterarbeit, Juli 2018
Im Rahmen dieser Masterarbeit wird das Korrosionsverhalten von Magnesiumfolien untersucht. Dies ist nötig, da Magnesiumwerkstoffe vorteilhafte Eigenschaften bei Einsatz als Implantatmaterial aufweisen: So sind die mechanischen Eigenschaften ähnlich denen menschlicher Knochen und eine ausreichende Biokompatibilität ist gewährleistet. Außerdem ist Magnesium biodegradierbar, was Komplikationen für den Patienten verringert. Für Hersteller wird das Inverkehrbringen jedoch aufgrund fehlender Standardisierung erschwert. Die Korrosion von Magnesium ist primär abhängig von potentiellen Verunreinigungen im Werkstoff und von vorhandenen Deckschichten, welche nur unter bestimmten Voraussetzungen stabil sind. Meist tritt dadurch Lochfraßkorrosion auf.
Zur Quantifizierung des Korrosionsverhaltens werden elektrochemische und immersive Methoden verwendet. Dabei werden sowohl stranggepresste Magnesiumproben, als auch Magnesiumfolien in 0,9 % NaCl pH=5, 0,9 % NaCl pH=7 und DMEM untersucht. Zur elektrochemischen Untersuchung wird das Mini-Cell-System genutzt und erstellte Stromdichte-Potentialgraphen, Korrosionsstromdichten und Korrosionspotentiale werden untersucht. Weitere Analysen werden mittels Laser-Scanning Mikroskop, μ-CT und Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie durchgeführt. Die entsprechenden Präparationsprotokolle und Versuchsmethoden sind detailliert dargestellt.
Aus dem Vergleich von klassischer Messzelle und MCS geht hervor, dass das MCS eine höhere Reproduzierbarkeit aufweist, da die klassische Zelle stark von der Probenpräparation abhängig ist und dort Unregelmäßigkeiten auftreten können. Beim MCS ist die mangelhafte Konvektion des Elektrolyten vor allem bei pH-Wertabhängigkeiten des untersuchten Werkstoffes entscheidend. Die untersuchten Magnesiumfolien weisen besonders in NaCl-Lösungen vergleichsweise anodische Korrosionspotentiale auf, die detektierten Korrosionsstromdichten streuen stark. Dies deutet auf Deckschichten hin, welche sich zudem von Probe zu Probe unterscheiden. Diese These kann durch mikroskopische und XPS-Analyse bestätigt werden. Bei Untersuchungen des Einflusses des verwendeten Elektrolyten ergeben sich in DMEM höhere Korrosionsstromdichten als in den NaCl-Lösungen. Mittels LSM sind analog mehr Anzeichen von Lochfraßkorrosion festzustellen. Daraus wird geschlossen, dass sich primär die Pufferfunktion des Elektrolyten auf das Korrosionsverhalten von Magnesium auswirkt. Dies ist vor allem aufgrund der mangelhaften Konvektion des Elektrolyten im MCS entscheidend. Bei immersiven Korrosionsuntersuchungen muss die Elektrolytmenge der untersuchten Probe und der Immersionszeit angepasst werden, da sich der Versuch aufgrund der durch Magnesiumkorrosion induzierten pH-Wertsteigerung selbst limitiert. Als Methode zur Quantifikation des Masseverlusts ist in diesem Fall das μ-CT gegenüber der Berechnung mittels Wasserstoffentwicklung vorzuziehen. Optische Verfahren bezeugen hier eine Bildung von kristallinen Schichten in DMEM und eine fortschreitende Degradation und Lochfraßkorrosion mit ansteigender Immersionszeit und Elektrolytmenge in NaCl-Lösungen. Final kann eine Synthese mehrerer Versuchsmethoden empfohlen werden, um das Korrosionsverhalten von Magnesiumwerkstoffen auch bei Untersuchung fortgeschrittener Korrosionsstadien zu quantifizieren.
Bachelorarbeit, Juni 2018
In der Bachelorarbeit wurden Mg-Werkstoffe in ihrem Korrosionsverhalten untersucht werden. Das Ziel war, den Korrosionsversuch in einer Durchflusszelle aufzubauen. Hierzu wurden zuerst verschiedene Korrosionsversuche an WE43 Proben durchgeführt werden, um dann die Auswahl für einen Integrationsversuch treffen zu können. Mithilfe einer Nutzwertanalyse und dem Vergleich der drei vorgestellten Korrosionsuntersuchungen (Immersion, Minizelle und klassische Zelle) wurde festgestellt, dass die Methoden der Immersion am besten und die der klassischen Zelle am zweitbesten als Grundlage für einen Durchflussversuch geeignet sind, woraufhin Konzepte zur Umsetzung entwickelt wurden. Die Mini-Zelle eignet sich hingegen nicht, da nur geringe Elektrolytvolumina verwendet werden und das Anlegen einer Strömung deswegen nur schwer umsetzbar ist.
Im Bereich der klassischen elektrochemischen Zelle wurden der Rührversuch und die Implementierung von Düsen in den bestehenden Aufbau als Konzepte vorgestellt. Im Bereich der Immersion wurden zwei Konzepte zur Umsetzung eines Durchflussversuches erarbeitet. Generell liegt der Fokus dieser Methode besonders auf der genauen Einstellung der Wandschubspannungen, die aufgrund der Strömung an der Probenoberfläche entstehen, sodass der mechanische Einfluss auf die Korrosion simuliert und untersucht werden kann. Hierfür eignet sich besonders der erarbeitete Entwurf des Kanalströmungsversuchs mit rechteckigem Querschnitt. Über die Geometrie des Kanals und die Viskosität des Elektrolyten kann die Wandschubspannung an der Probe über den Volumenstrom variiert werden. Außerdem wurden Berechnungsgrundlagen dargestellt, die für die Auslegung der Geometrie des Aufbaus benötigt werden.
Bachelorarbeit, Mai 2018
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde eine Elektropolitureinheit für Stahlproben 316L aufgebaut, sowie die für ein gutes Elektropoliturergebnis notwendigen Parameter evaluiert. Dazu wurden die notwendigen Schritte zur Vorbearbeitung ermittelt, sowie bei den Elektropolierversuchen insbesondere der Parameter der verwendeten Stromdichte untersucht. Dabei konnte eine optimale Stromdichte von 𝑖𝑖=0,3−0,37𝐴𝐴𝑐𝑐𝑐𝑐2 festgestellt werden. Durch Korrosionsmessungen mit einer elektrochemischen Minizelle, wurde das veränderte Korrosionsverhalten der elektropolierten Proben im Vergleich zu geschliffenen Proben nachgewiesen. Im Vergleich mit den geschliffenen Proben hat sich das Durchbruchspotential um Δ𝐸𝐸=0,8 𝑉𝑉 in den kathodischen Bereich verschoben und damit die Lochfraßbeständigkeit erheblich verbessert. Die Oberfläche vor und nach der Elektropolitur wurde durch die Messung der Rauheitswerte, XPS-Analyse, Kontaktwinkelmessung, sowie durch eine Vickers-Mikrohärteprüfung charakterisiert. Dabei wurde eine leichte Reduktion der Oberflächenrauigkeit festgestellt. Des Weiteren wurde mittels XPS-Analyse in der Oberflächenschicht eine deutlich erhöhte Chromkonzentration von 260% im Vergleich zum Ausgangsmaterial nachgewiesen. Die Hydrophilie der elektropolierten Oberflächen konnte ebenfalls belegt werden. Die schleifinduzierten Oberflächenspannungen konnten infolge der elektrochemischen Politur entfernt werden. Durch die Kaltumformung während des Schleifvorgangs wurde die Oberflächenhärte um 42,8 % erhöht. Des Weiteren wurden die Proben unter einem optischen Lichtmikroskop, sowie unter einem Rasterelektronenmikroskop bewertet. Um den Oberflächenabtrag infolge Elektropolitur zu bestimmen, wurde der Masseverlust mithilfe einer Feinwaage ermittelt und so die lineare Abhängigkeit des Oberflächenabtrags zur angelegten Stromdichte nachgewiesen.
Bachelorarbeit, April 2018
In dieser Bachelorarbeit sollen Methoden zur Beobachtung der pH-Wert-Änderung von korrodierenden Magnesium Werkstoffen getestet und in einen Versuch zur Korrosionsratenbestimmung implementiert werden. Magnesium und dessen Legierungen gelten als vielversprechende Materialien für den Einsatz als temporäre Implantate. Als sogenanntes biodegradierbares Material besitzen sie die Eigenschaft – idealerweise nach Erfüllen ihrer Funktion – vom Körper abgebaut zu werden. Zudem überzeugen sie durch eine gute Biokompatibilität und bieten, im Gegensatz zu biodegradierbaren Polymeren, ausreichend mechanische Stabilität um Fixierungs- und Stützfunktionen während der Ausheilung von Knochenbrüchen oder Läsionen übernehmen zu können. Zentrale Herausforderung ist die Kontrolle des Degradations- bzw. Korrosionsverhaltens, da bei starker bzw. zu rascher pH-Wert Erhöhung das Gewebe geschädigt werden kann. Ziel der pH-Wert Beobachtung ist es die zeitliche Änderung und räumliche Ausbreitung des pH-Werts von Reinmagnesium zu ermitteln. Des Weiteren soll die Einsetzbarkeit und Integration der Methoden in einen bestehenden Versuchsstand, mit dem sich Korrosionsraten bestimmen lassen, untersucht werden.
Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Zunahme des pH-Werts von bis zu 10,7 an der Oberfläche der Magnesium-Proben, was auf Lochfraßkorrosion hindeutet. Im weiteren Verlauf der Messung sinkt der pH jedoch relativ schnell wieder bis er den Ausgangswert von 7,4 erreicht. Mit steigendem Abstand zur Probenoberfläche nimmt die pH-Wert-Änderung im Elektrolyten jedoch merklich ab und ist bereits bei 2 mm kaum mehr vorhanden. Diese Erkenntnisse lassen darauf schließen, dass die Pufferwirkung des Elektrolyten, die auch in Körperflüssigkeiten vorhanden ist, starke pH-Wert-Änderungen durch die Korrosion des Magnesiums, insoweit kompensieren können, dass eine verträgliche und physiologische Degradation möglich ist. Zur detaillierten Klärung der Grundfrage, sind weitere Test mit erhöhter Probenanzahl notwendig. Die Richtigkeit dieser Theorie ist damit noch nicht vollständig bewiesen. Die Einsetzbarkeit der verwendeten Methoden für anderweitige Korrosionsmessungen ist jedoch stark limitiert und kann nur mit einer umfassenden Optimierung des Versuchsstands gewährleistet werden.
Abschlussarbeit bei Julius Zorn GmbH (Juzo) in Aichach
Abschlussarbeit bei Kelheim Fibres GmbH in Kelheim
2017
Masterarbeit, November 2017
Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Korrosionsraten von Magnesium- bzw. Magnesiumlegierungsproben über verschiedene Methoden zu bestimmen. Im Fokus stehen Folien, Scaffolds und Bulkmaterial. Die Ermittlung der Raten erfolgt sowohl über elektrochemische, als auch über Langzeitimmersionsversuche. Da sich die Folien und Scaffolds nur schwerlich durch konventionelle elektrochemische Tests untersuchen lassen, werden diese durch Immersionsversuche überprüft. Einerseits wird die Menge an entstehendem molekularen Wasserstoff gemessen. Andererseits wird die Wechselwirkung des Elektrolyten mit den Folien und Scaffolds mittels μCT überprüft. Über die Auswertung der CT-Aufnahmen mit einer speziellen Software soll eine quantitative Abschätzung der Korrosionrate, bzw. des Schichtauf und -abbaus evaluiert werden. Der daraus berechnete Masseverlust stellt eine alternative Methode zur Bestimmung der Korrosionsrate dar, insbesondere bei auftretenden Lochfraß oder entstandenen Korrosionsprodukten die sich ablagern. Neben den Immersionsversuchen wird die Korrosionsrate des Bulkmaterials auch über elektrochemische Methoden ermittelt werden. Dies ist mit Hilfe der Berechnung über die Korrosionsstromdichte über Tafelgeraden oder über den Polarisationswiderstand möglich. Abschließend werden die Korrosionsraten, die durch die verschiedenen Verfahren ermittelt wurden, verglichen. Als Resultat der Versuche zeigte sich ein deutlicher Einfluss des pH-Wertes auf das Korrosionsverhalten der Proben. Dies sollte in weiteren Versuchen genauer untersucht werden. Außerdem konnten bereits sehr gute Ergebnisse für die Korrosionsratenberechnung mittels CT für drei der getesteten Proben erzielt werden.
Bachelorarbeit, Oktober 2017
Forschungspartner:
Prof. Dr. Martin Rosentritt
UKR Universitätsklinikum Regensburg
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Herstellung eines Double – Netzwerk – Hydrogel und ersten Versuchen zur Infiltration von Knorpelgewebe. Neben einer ausführlichen Literaturrecherche bezüglich der Hauptaspekte Knorpel, Osteoarthrose, Hydrogel und mechanischer Testverfahren wird sowohl ein Protokoll zur Probenpräparation, Infiltration als auch der Lichtpolymerisation entwickelt und erstellt. Nach einer visuellen Bewertung des puren Hydrogels wurden Messungen in Form von Vitalitätstest und Toxizitätstest an den infiltrierten Proben durchgeführt. Zudem wurde die Masse der Präparate bestimmt und mit Hilfe von Papain zersetzt.
Die genaue Zusammensetzung des Hydrogels wird beschrieben und berechnet. Das Double – Netzwerk – Hydrogel hat zwei Hauptakteuer: das Monomer Methacryloyloxyethyl Phosphorylcholin und das Vernetzungsmittel Ethylenglykoldimethcarylat. Es wurden zwei Versuche durchgeführt. Beim Ersten werden Hydrogele mit drei unterschiedlichen Monomerkonzentrationen (0,2 w/v %, 0,4 w/v %, 0,6 w/v %) hergestellt. Diese Testreihe verlief nicht erfolgreich, da es bei keinem Gel zum Start einer Polymerisation kam und somit kein gelartiges Gemisch entstand. Im zweiten Versuch wurde mit einem 60 % Monomeranteil ein Gel erstellt. Diesmal war die Polymerisation erfolgreich und nach einer Bestrahlungsdauer von zehn Minuten hatte sich ein Hydrogel gebildet. Daher kann angenommen werden, dass 0,2 w/v %, 0,4 w/v % und 0,6 w/v % zu geringe Monomeranteile sind, um ein Hydrogel zu bilden.
Bachelorarbeit, August 2017
In dieser Bachelorarbeit werden elektrochemische Korrosionsuntersuchungen mit Hilfe einer klassischen Messzelle und einer Minizelle durchgeführt.
Für die Messungen werden die Werkstoffe Titan cp2 und 316L verwendet. Ziel der Arbeit ist es zu ermitteln, ob die Wahl der Messzelle und der Scanrate Einfluss auf das Messergebnis haben. Außerdem soll herausgefunden werden, mit welchen Parametern die Messzellen vergleichbare Ergebnisse liefern. Des Weiteren wird das Korrosionsverhalten der beiden metallischen Implantatmaterialien untersucht.
Beide Werkstoffe werden messzellenspezifisch präpariert. Nach dem Einbetten werden die Proben geschliffen und poliert. Vor den Messungen werden die Proben mit einem Lasermikroskop auf ihre Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächen-rauheit untersucht. Sowohl mit der Minizelle als auch mit der klassischen Zelle werden die elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen mit einer Scanrate von 1mV/s und 10mV/s gemessen. Als Elektrolyt fungiert eine 0,9% NaCl-Lösung.
Bei den Messungen stellt sich heraus, dass Titan cp2 korrosionsstabiler als 316L ist. Titan cp2 zeigt im Rückwärtsscan keinerlei Neigung zu Lochfraß. Dagegen erscheint 316L als lochfraßgefährdet und somit weniger korrosionsresistent.
Die Messzellen unterscheiden sich vor allem im Aufwand der Probenpräparation und der bevorzugt verwendeten und empfohlenen Messgeschwindigkeit. Die Ergebnisse dieser Bachelorarbeit machen deutlich, dass reproduzierbare Messungen mittels klassischer Zelle mit einer Scanrate von 1mV/s erhalten werden. Die Minizelle dagegen hat nur mit einer höheren Scanrate von 10mV/s vergleichbare Ergebnisse erbracht. Die Wahl der geeigneten Scanrate könnte im Zusammenhang mit dem Elektrolytvolumen stehen, da die Messzellen unterschiedliche Elektrolytvolumina erfordern.
Schlagwörter: Korrosion, Minizelle, Klassische Zelle, Scanrate, Titan cp2, 316L
Bachelorarbeit, August 2017
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden die Eigenschaften von Magnesium und dessen Legierungen in Hinblick auf den Einsatz als degradierbare Biomaterialien analysiert.
Mg-Werkstoffe vereinen das Degradationsvermögen von resorbierbaren Polymeren und die mechanische Stabilität von metallischen Legierungen, darüber hinaus zeigen sie gute Biokompatibilität und sind deshalb vielversprechende Werkstoffe für den Einsatz als medizinische temporäre Implantatmaterialien in der Orthopädie sowie als Knochenersatzmaterialien und in der Kardiologie. Zentrale Herausforderung ist die Kontrolle des Degradations- bzw. Korrosionsverhaltens.
Ergebnis der Korrosionsmessung mittels Voltammetrie ist, dass die Legierung WE43 eine geringere Korrosionsstromdichte jcorr und einen höheren Polarisationswiderstand als Reinmagnesium (Mg 99,95%) aufweist. Dies spricht für eine langsamere Degradation der Legierung in einem Elektrolyten. Beide Materialien weisen eine Tendenz zur Lochfraßkorrosion und eine starke Wasserstoffentwicklung auf.
Im Bioaktivitätstest zeigen sowohl die Legierungen WE43 und AM50 als auch das Reinmagnesium neben der schnellen Korrosion im physiologischen Milieu die Anhaftung von Calcium und Phosphat auf ihrer Oberfläche, was für eine Bildung von Apatit spricht. Deshalb können beide Materialien als bioaktiv eingeschätzt werden, sie besitzen also die Fähigkeit als Implantat in Knochen ohne Abkapselung direkt mit dem Knochengewebe zu verwachsen.
Schlagworte: Biodegradierbare Metalle, Magnesiumwerkstoffe, Korrosionsmessungen, Immersionsversuch, Bioaktivitätsevaluation
Bachelorarbeit, April 2017
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden Korrosionsuntersuchungen an den Werkstoffen 316L, Titan Grade 2, Reinmagnesium und WE43 durchgeführt. Nachdem einige Literaturwerte dargestellt worden sind, werden einzelne Protokolle zur Probenpräparation, Versuchsaufbau und Durchführung der elektrochemischen Messungen vorgestellt. Die Reproduzierbarkeit, sowie ein Vergleich der unterschiedlichen Werkstoffe werden im Anschluss untersucht. Des Weiteren werden die pH-Werte des Elektrolyten und die Probenoberflächen durch Rauigkeitswerte, mikroskopische Aufnahmen und Linienprofilen jeweils vor und nach der Korrosionsuntersuchung miteinander verglichen. Um den Einfluss der Oberfläche genauer zu untersuchen, findet ein Vergleich von polierten mit geschliffenen 316L-Proben statt.
Schlagwörter: Korrosionsuntersuchung, elektrochemische Messungen, Implantatwerkstoffe, Reproduzierbarkeit, mikroskopische Oberflächenuntersuchung, Rauigkeit, pH-Wert
Abschlussarbeit bei Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen
Abschlussarbeit bei FIT AG in Lupburg
Abschlussarbeit bei Gerresheimer Regensburg GmbH in Wackersdorf
Abschlussarbeit bei EndoLab Mechanical Engineering GmbH in Riedering bei Rosenheim