Crazing als elementarer mikromechanischer Prozess: Einleitung und Wachstum von Mikrorissen im Knochen
Final Report Abstract
Die wichtigsten im Projektverlauf gefundenen Ergebnisse können in den folgenden Punkten zusammengefasst werden: Es wird festgestellt, dass die aus der Vermessung von TEM-Aufnahmen bestimmten Werte für Länge, Breite und Dicke der Mineralplättchen für alle im Projektverlauf untersuchten Präparate in einem sehr engen Bereich liegen. Die Hydroxylapatit- Nanopartikel sind Plättchen mit folgenden charakteristischen Abmessungen: Länge 55 nm, Breite 23 nm, Dicke 5 nm. Diese Werte werden weder durch Alter, Geschlecht oder einen klinischen Osteoporose-Befund signifikant beeinflusst. Die gemessenen Werte liegen jeweils innerhalb von Intervallen, der sich aus der Auswertung der verfügbaren Literatur ergeben. Dabei wurden Ergebnisse aus verschieden Messverfahren berücksichtigt. Bei den in der Literatur teilweise als nadelförmig vorliegenden Kristalliten handelt es sich wahrscheinlich tatsächlich um senkrecht in der Beobachtungsrichtung stehende Plättchen. Unabhängig vom Präparationsweg und vom experimentellen Vorgehen wird die Existenz crazeartiger Deformationszonen in deformierten und gebrochenen Knochenpräparaten nachgewiesen. Die Ufer der Mikrorisse werden von mineralisierten Kollagenfibrillen mit einem Durchmesser von 100 nm überspannt. Es kann daher angenommen werden, das es sich bei dem als Crazing bezeichneten mikromechanischen Prozess um ein universelles Phänomen handelt, welches in den initialen Phasen der Mikrorissbildung und –ausbreitung auftritt. Crazes wachsen senkrecht zur Richtung der aufgebrachten (Zug-)Belastung, wobei die Craze-Ufer von Fibrillen überbrückt werden. Öffnet sich der Craze zu einem Mikroriss, reißen die überdehnten Fibrillen und legen sich auf die entstehende Bruchfläche. Im Knochen wird die Crazebildung in starkem Maße von der fibrillären Struktur beeinflusst: Der mikromechanische Mechanismus der Fibrillierung und Nanohohlraumbildung wird durch die mineralisierten Kollagenfibrillen moduliert, die daher als wichtige, eigenschaftsbestimmende Strukturelemente aufgefasst werden können. Die Crazebildung wird in starkem Maße durch die Anisotropie des Knochens beeinflusst: Bündel aus mineralisierten Kollagenfibrillen sind innerhalb der komplexen, hierarchischen Architektur des Knochens verschieden orientiert. Daher hängt die konkrete Struktur der Crazes stark von der Orientierung der Fibrillen relativ zur Hauptlastrichtung ab. Zumindest in den initialen Phasen der Mikrorissbildung und –ausbreitung, d.h. in den frühen Stadien der Knochenermüdung und des Knochenbruchs spielen solche crazeartigen Prozesse eine entscheidende Rolle. Dieser universelle Mechanismus trägt als energiedissipativer Prozess in hohem Maße zur Zähigkeit des biologischen Werkstoffes Knochens bei. Daraus ergibt sich die Fragestellung, auf welche Weise z.B. durch Alterung oder Erkrankung induzierte Veränderungen der Knochenqualität die Crazebildung und damit letztlich die mechanischen Eigenschaften beeinflussen.
Publications
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Crazing as a fundamental micromechanical process in bone. Polychar World Forum on Advanced Materials, Dubrovnik, 2012, Book of Abstracts p. 291
J. Klehm, J. Brandt, S. Henning
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Macromol. Symp. 315, 84-97 (2012) “Hierarchically Structured Materials for Bone Regeneration: Biomimetic Morphology, Micro-Mechanics and Properties”
S. Henning, H.R. Iman Khasim, G.H. Michler, J. Brandt
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Crazing als elementarer mikromechanischer Prozess: Einleitung und Wachstum von Mikrorissen im Knochen. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien 2013, 26. - 28. September 2013, Erlangen: Abstracts
J. Klehm, S. Henning, J. Brandt
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Crazeartige Prozesse im Knochen: Zur Mikrodeformation hybrider Nanofasern. BioNanoMat. 2014; 15 (S1) S54
J. Klehm, J. Brandt, S. Henning
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Mikromechanische Untersuchungen zur Mikrorissbildung im Knochen in TEM und ESEM. Frühjahrstagung der DPG 2015, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
J. Klehm, J. Brandt, S. Henning
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Bone Fracture: Parallels to Polymer Fatigue. Macromolecular Symposia, Volume 366, Issue 1,
Special Issue: Nanostructured and Biorelated Materials – 2014, August 2016, Pages 52-59
J. Klehm, S. Henning, R. Adhikari, J. Brandt
