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 in der Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde unter Berücksichtigung der physiologischen Bedingungen der individuellen Knochensituation zu entwickeln und zu validieren. Hierbei sollen insbesondere Situationen adressiert werden, in denen eine standardisierte Lösung kein zufriedenstellendes Ergebnis liefert. Dies verlangt einen ganzheitlichen Qualifizierungsansatz und eine interdisziplinäre Betrachtung durch die Werkstofftechnik, die Medizintechnik und die Simulationstechnik. Das Forschungsziel soll in diesem interdisziplinären Konsortium auf Basis neuartiger und mechanismenbasierter In-vitro- und In-vivo-Prüfmethoden in Verknüpfung mit innovativen multi-skaligen Simulations- und Modellierungsmethoden (in silico) zur Beschreibung der mechanischen, biologischen und korrosiven Vorgänge sowie deren Wechselwirkungen realisiert werden. Aufgrund der vorhandenen Vielfalt und Komplexität des angestrebten Forschungsthemas ist eine interdisziplinäre Bearbeitung durch in ihren Fachgebieten ausgewiesene Wissenschaftler/innen unter Förderung von Nachwuchswissenschaftlern/innen unabdingbar. Die Komplexität der zu untersuchenden Fragestellungen wird dabei schrittweise erhöht. So soll im Rahmen der Förderperiode 1 (FP-1: 1. bis 4. Jahr) das mechanisch-biologische Verhalten von permanenten Titan-Implantaten charakterisiert werden, wohingegen in Förderperiode 2 (FP-2: 5. bis 8. Jahr) zusätzlich der Einfluss von korrosiven Vorgängen bioresorbierbarer Magnesium-Implantate untersucht werden soll. Insgesamt können folgende übergreifende Ziele definiert werden:1) Berücksichtigung der patientenindividuellen Knochenlinie und eventueller Knochendefekte beim Implantat-Design (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 Hartgewebe3) Charakterisierung des Einflusses der Gitterstrukturierung auf die Strukturgrößen Mikrostruktur, Defekte und Topografie sowie Korrelation dieser Strukturgrößen mit dem Eigenschaftsprofil4) Modifikation der Oberflächenmorphologie und -eigenschaften durch Oberflächenvorbe-handlungen (u. a. Sandstrahlen) und -beschichtungen (u. a. PEM-Beschichtungen), um die Gewebeintegration zu stimulieren5) Zeit- und ressourceneffiziente Simulation und Modellierung des mechanischen, biologischen und korrosiven Eigenschaftsprofils über Multi-Skalenansätze durch Verknüpfung der Skalierungsebenen mittels künstlicher neuronaler Netze6) Entwicklung einer zeit- und ressourceneffizienten experimentellen und simulationsgestützten Charakterisierungsmethodik zur Erhöhung der Qualität und folglich ebenfalls der Langzeitüberlebensrate sowie Beschleunigung der Entwicklungs- und Qualifizierungsphase zukünftiger Implantate.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Entwicklung neuer funktionalisierter Polymer-Multischicht-Beschichtungssysteme und Adaptierung auf additiv gefertigte Implantate mit komplexen Innen- und Außenkonturen (Antragsteller Krastev, Rumen )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Walther, Frank )
• Mechanismenbasierte Charakterisierung des Ermüdungs- und Korrosionsermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TPMS-Gitterstrukturen unter physiologischen Bedingungen (Antragsteller Walther, Frank )
• Prozessentwicklung und sensorgestützte Prozessüberwachung und -regelung von laseradditiv gefertigten Implantaten mit komplexen Außengeometrien und Innenstrukturen (Antragsteller Hermsdorf, Jörg )
• TP-4: Entwicklung und Charakterisierung von additiv gefertigten patientenindividuellen Dentalimplantaten (Antragstellerinnen / Antragsteller Greuling, Andreas ;  Stiesch, Meike )
• TP-6: In-vitro-Zytokompatibilitäts- und In-vivo-Kleintier-Versuche additiv gefertigter Implantate im Kontext der Darstellung, Erweiterung und Entwicklung eines validen Ex-vivo-Prüfstands für die ganzheitliche mechanisch-biologische Beurteilung von Biomaterialien (Antragsteller Barbeck, Mike ;  Jung, Ole )
• TP-7: In-silico-Design von Implantaten auf der Basis eines Multiskalenansatzes (Antragsteller Junker, Philipp ;  Wriggers, Peter )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Frank Walther