Mehrskalige Simulation von kalzifizierten Polymer-Hydrogelen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Sandra Klinge
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420794479

Hydrogele, eine bedeutende Gruppe von hydratisierten Polymeren, besitzen ein hohes Potential bei der Anwendung zur Knochenbruchregeneration. Ihre hervorragende Eignung ist auf die Bioaktivität, die Affinität für biologisch aktive Proteine und der Kompatibilität mit dem Knochengewebe zurückzuführen. Neben den genannten Vorteilen besitzen Hydrogele auch einen wesentlichen Nachteil: Sie verlieren ihre Festigkeit wenn sie quellen. Um das Problem zu umgehen, wurden bereits verschiedene Methoden entwickelt, wie z.B. die Kalzifikation oder allgemein Mineralisation. Diese Methode wurde durch den Prozess des Knochenwachstums inspiriert. Dabei löst ein Enzym (alkalische Phosphatase) Phosphat aus organischen Molekülen und steuert die Knochenmineralisation. Ein analoges Verfahren induziert die homogene Mineralisation des Hydrogels und verbessert seine Materialfestigkeit. Die neusten Ergebnisse im Bereich der optischen und mechanischen Mikroskopie haben gezeigt, dass die Mineralisation zu verschiedenen Arten der Mikrostruktur in Abhängigkeit von der Wahl des Basis-Polymers führt. Daher wird erwartet, dass die computergestützte Modellierung einen wesentlichen Beitrag zur gezielten Untersuchung des effektiven Verhaltens und der Materialparameter leisten kann. Bruchenergie und Diffusion sind dabei zwei wichtige Aspekte. Die Bruchenergie zeigt das Maß der Materialduktilität und stellt gleichzeitig einen schwachen Punkt der kalzifizierten Hydrogele heraus. Die bisherigen Versuche diese Eigenschaft zu optimieren, haben keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt. Ein neuer Ansatz ist allerdings, dass die hohe Duktilität der natürlichen Vorbildmaterialien das Ergebnis einer hierarchischen Mikrostruktur ist. Die Untersuchung der Diffusion in einer makromolekularen Lösung ist durch viele medizinische Anwendungen aber auch durch ihre Schlüsselrolle in der Proteingruppierung und interstitiellem Transport motiviert. Letztendlich widmet sich das Projekt dem Design der Mikrostruktur wofür zwei wesentliche Schritte vorgesehen werden: eine Analyse der Mechanismen, welche die Entwicklung der Mikrostruktur steuern und anschließend ihre Optimierung. Die Untersuchung des Diffusionsvermögens und der Mineralisation verlangen vertiefte Kenntnisse über die Prozesse auf der Nanoskala, die kaum oder nur sehr schwer experimentell zu beobachten sind. Dieser Aspekt untermauert die Notwendigkeit die Prozesse mittels Computersimulationen zu untersuchen. Das Spektrum der Methoden deren Anwendung im Projekt vorgesehen ist, schließt die mehrskalige Finite-Elemente-Methode, die Phasenfeldmethode, die Modellreduktions-Strategie und das Finite-Differenzen-Verfahren ein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen