Entwicklung einer bioinspirierten Gradientenmikrostruktur von Lithiumsilikat-Glaskeramik für zahnmedizinische Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Dominique de Ligny; Professor Dr.-Ing. Ulrich Lohbauer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459555007

Die ausgeklügelten hierarchischen Strukturen, die in der Natur vorkommen, weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Funktional abgestufte Werkstoffe sind Beispiele dafür, dass die maßgeschneiderte Mikrostruktur die Rissausbreitung verhindert. Solche Anordnungen finden sich auch in Dentalwerkstoffen. Die detaillierten Kenntnisse aus dem ursprünglichen Projekt ermöglichen es uns nun, innovative neue Glaskeramiken für Zahnersatz zu entwickeln, indem wir den Kristallanteil, ihre Form und insbesondere ihre räumliche Verteilung maßschneidern. Für die Herstellung von Glaskeramiken mit zahnmedizinischen Eigenschaften werden zwei verschiedene Methoden angewandt. Bei der ersten Methode wird das Glas einem thermischen Gradienten ausgesetzt, der den Keimbildungsprozess oder das Kristallwachstum räumlich beeinflusst. Erste Finite-Elemente-Simulationen des thermischen Verlaufs und die Überwachung der Temperatur in jedem Teil des Glases während der thermischen Behandlung werden dazu beitragen, das Experiment zu planen und schneller gute Bedingungen zu erreichen. Die für die thermische Gradientenmethode verwendeten Glaszusammensetzungen werden auf der Grundlage unserer jüngsten Erkenntnisse über die Auswirkungen der Keimbildungstemperatur und -zeit auf Lithiumsilikatgläser ausgewählt. Bei der zweiten Methode werden funktional abgestufte Mikrostrukturen durch die Kombination verschiedener Glaszusammensetzungen oder die Verwendung unterschiedlicher Partikelgrößen maßgeschneidert. Dies ist aufgrund unserer neuen Erkenntnisse über die Abhängigkeit des Kristallisationsmechanismus und der kinetischen Parameter vom Lithiumgehalt möglich. Die chemische Abhängigkeit wird in die Finite-Elemente-Simulationen einbezogen, um das endgültige Glaskeramikdesign und die voraussichtlichen Eigenspannungen vorherzusagen, die durch die thermische Vorgeschichte, die Teilkristallisation und die Abweichung der Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht werden. Die abgestufte Mikrostruktur dieser neuen Klasse von Dentalglaskeramiken wird mittels REM beobachtet. Die Kristallmorphologie und die räumliche Spannungsverteilung werden durch Raman- und Lumineszenzspektroskopie mit Hilfe von XRD überwacht. Für die optimierten maßgeschneiderten Mikrostrukturen wird die ortsaufgelöste Röntgenbeugung mit Hilfe der Synchrotron-Tomographie eingesetzt, um eine hochauflösende 3D-Darstellung der Phasenverteilung zu erhalten. Die abgestuften Mikrostrukturen werden direkt mit der Härtekartierung in Verbindung gebracht. Weitere Beobachtungen der Rissausbreitung und ein indirekter Ansatz zur Biegefestigkeit werden verwendet, um festzustellen, wie der Gradient die Rissausbreitung wirksam verhindert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen