FOR 5250:  Mechanismenbasierte Charakterisierung und Modellierung von permanenten und bioresorbierbaren Implantaten mit maßgeschneiderter Funktionalität auf Basis innovativer In-vivo-, In-vitro- und In-silico-Methoden

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Medizin
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449916462

Das Ziel der Forschungsgruppe besteht darin, eine ganzheitliche Lösung für die Herstellung, Charakterisierung und simulationsgestützte Auslegung von additiv gefertigten Implantaten für die Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde unter Berücksichtigung der physiologischen Bedingungen der individuellen Knochensituation zu entwickeln und validieren. Hierbei sollen insb. Situationen adressiert werden, in denen eine standardisierte Lösung kein zufriedenstellendes Ergebnis liefert. Dies verlangt einen ganzheitlichen Qualifizierungsansatz und eine interdisziplinäre Betrachtung durch die Werkstofftechnik, Medizintechnik und Simulationstechnik. Das Forschungsziel wird in diesem interdisziplinären Konsortium auf Basis neuartiger und mechanismenbasierter Prüfmethoden (in vitro, in vivo) in Verknüpfung mit innovativen multi-skaligen Simulations- und Modellierungsmethoden (in silico) zur Beschreibung der mechanischen, biologischen und korrosiven Vorgänge und Mechanismen sowie deren Wechselwirkungen erreicht. Aufgrund der vorhandenen Vielfalt und Komplexität des Forschungsthemas ist eine interdisziplinäre Bearbeitung durch in ihren Fachgebieten ausgewiesene Wissenschaftler/innen unter Förderung von Nachwuchswissenschaftler/innen unabdingbar. Die Komplexität der zu untersuchenden Fragestellungen wird dabei schrittweise erhöht. So wurde im Rahmen der Förderperiode 1 (FP-1: 1. bis 4. Jahr) das mechanisch-biologische Verhalten von permanenten Titanimplantaten charakterisiert, wohingegen in Förderperiode 2 (FP-2: 5. bis 8. Jahr) zusätzlich der Einfluss von korrosiven Vorgängen bioresorbierbarer Magnesiumimplantate untersucht werden soll. Insgesamt können folgende übergreifende Ziele definiert werden: 1) Berücksichtigung der patientenindividuellen Knochenlinie und eventueller Knochendefekte beim Implantatdesign (u. a. Vermeidung von Knochenaugmentationen) 2) Minimierung von Belastungsabschirmungen im Implantat-Knochen-Kontakt für eine erfolgreiche Gewebeintegration durch eine gitterstrukturierte Anpassung der lokalen Steifigkeit an das Hartgewebe 3) Charakterisierung des Einflusses der Gitterstrukturierung auf die Strukturgrößen Mikrostruktur, Defekte und Topografie sowie Korrelation dieser Strukturgrößen mit dem Eigenschaftsprofil 4) Modifikation der Oberflächenmorphologie und -eigenschaften durch Oberflächenvorbe-handlungen (u. a. Sandstrahlen) und -beschichtungen (u. a. PEM-Beschichtungen), um die Gewebeintegration zu stimulieren 5) Zeit- und ressourceneffiziente Simulation und Modellierung des mechanischen, biologischen und korrosiven Eigenschaftsprofils über Multi-Skalenansätze durch Verknüpfung der Skalierungsebenen mittels künstlicher neuronaler Netze 6) Entwicklung einer zeit- und ressourceneffizienten experimentellen und simulationsgestützten Charakterisierungsmethodik zur Erhöhung der Qualität und folglich ebenfalls der Langzeitstabilität sowie Beschleunigung der Entwicklungs- und Qualifizierungsphase zukünftiger Implantate.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Entwicklung neuer funktionalisierter Polymer-Multischicht-Beschichtungssysteme und Adaptierung auf additiv gefertigte, abbaubare Implantate mit komplexen Innen- und Außenkonturen (Antragstellerinnen / Antragsteller Andreeva, Tonya ;  Krastev, Rumen )
• Entwicklung und Charakterisierung von additiv gefertigten patientenindividuellen Dentalimplantaten (Antragstellerinnen / Antragsteller Greuling, Andreas ;  Stiesch, Meike )
• In-silico-Design von Implantaten auf der Basis eines Multiskalenansatzes (Antragsteller Junker, Philipp )
• In-vitro-Zytokompatibilitäts- und In-vivo-Kleintier-Versuche für die translationale mechanistisch-biologisch-medizinische Beurteilung additiv gefertigter bioresorbierbarer Magnesiumimplantate (Antragsteller Barbeck, Mike ;  Jung, Ole )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Walther, Frank )
• Mechanismenbasierte Charakterisierung des Ermüdungs- und Korrosionsermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TPMS-Gitterstrukturen unter physiologischen Bedingungen (Antragsteller Walther, Frank )
• Sensorunterstützte Prozessentwicklung für die laseradditive Fertigung von Implantaten mit komplexen Außengeometrien und Innenstrukturen (Antragsteller Kaierle, Stefan )
• Untersuchung, Entwicklung und Korrelation geeigneter Ex-vivo und In-vivo-Modelle im Rahmen der Darstellung der Biokompatibilität von additiv gefertigten permanenten und bioresorbierbaren Materialien im Großtier (Antragsteller Smeets, Ralf )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Frank Walther