Visualisierung der fortschreitenden Kristallisation and Mineralisation von bioaktiven Gläsern

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Aldo Boccaccini; Professorin Dr. Delia Brauer; Araceli de Pablos Martin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382920195

Bioaktive Gläser sind bekannt für ihre ausgezeichnete Eignung zur Knochenregeneration oder im Tissue Engineering. Außerdem können Ionen, z.B. Kupfer- oder Silberionen, in bioaktive Gläser eingebaut werden, um zusätzliche therapeutische Wirkung, wie verbesserte Bildung von Blutgefäßen oder antibakterielle Eigenschaften, zu erreichen. Trotz ihrer ausgezeichneten Biokompatibilität und Bioaktivität sind weitere Untersuchungen nötig, um den klinischen Einsatz von bioaktiven Gläsern zu erweitern. Ein Hauptpunkt hier ist ihr Kristallisationsverhalten. Gläser können durch Sinterung geformt werden, um entweder Beschichtungen oder komplexe dreidimensionale (3D) Strukturen wie poröse Konstrukte (Scaffolds) herzustellen. Ein großer Nachteil von typischen bioaktiven Gläsern ist jedoch ihre ausgeprägte Kristallisationstendenz bei erhöhten Temperaturen. Diese hemmt beispielsweise für das am meisten verwendete bioaktive Glas, 45S5, Sintern und viskoses Fließen, sodass daraus hergestellte poröse Scaffolds nur geringe mechanische Stabilität aufweisen. Um das Sintern von bioaktiven Gläsern zu verbessern, müssen die folgenden Fragen beantwortet werden: Wie beeinflussen Kristallisation und die Art der sich bildenden Kristallphasen das Sintern? Wie wird dies über Glaszusammensetzung und struktur beeinflusst? Und wie wirkt sich die Kristallisation auf in vitro Bioaktivität und Zellkompatibilität aus? Es ist zwar bekannt, dass die Kristallisation von bioaktiven Gläsern nicht zwangsläufig schlechte Eigenschaften bedingt. Aber wir benötigen ein verbessertes Verständnis der ablaufenden Vorgänge, um die Kristallisation steuern zu können und bioaktive Glassysteme zu erhalten, die sich so gut sintern lassen, dass stabile Scaffolds erhalten werden können, die außerdem hoch bioaktiv sind. Das Hauptziel dieses Projekts ist somit, das Kristallisationsverhalten von bioaktiven Gläsern zu untersuchen, wobei auf Gläser aus unterschiedlichen Herstellungsverfahren (Schmelz- und Sol-Gel-Synthese) und veränderte Zusammensetzungen eingegangen werden soll. Neuartig an unserer Herangehensweise ist der Einsatz von Röntgenmikroskopie (XRM) zusätzlich zu etablierten Methoden wie Elektronenmikroskopie (REM und TEM) und Röntgendiffraktometrie. XRM bietet dabei große Vorteile, z.B. die zerstörungsfreie Probenpräparation sowie die Möglichkeit, Proben in 3D mit Nanometer-Auflösung zu charakterisieren. Dies ermöglicht es, Veränderungen während der fortschreitenden Kristallisation an ein und derselben Probe nach unterschiedlichen Stufen der Temperaturbehandlung zu beobachten. Der Fortschritt der Kristallisation von der Keimbildung zur finalen Stufe der Kristallisation wird hier mittels Kombination der o.g. Methoden verfolgt. Die XRM-Ergebnisse liefern hierbei neue Einsicht in die 3D-Struktur dieser Materialien und helfen uns, offene Fragen zu Kristallisationsverhalten, Sinterung und Hochtemperatur-Verarbeitung sowie deren Einfluss auf die in vitro Bioaktivität zu beantworten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen