Untersuchungen zur Natur der primären Oberflächenkristallisation in bioaktiven Gläsern der Zusammensetzung SiO2-P2O5-CaO-Na2O-K2O-CaF2.

• Antragsteller: Dr.-Ing. Carsten Blaeß
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506582091

Die Prozessierbarkeit bioaktiver Gläser wird maßgeblich von deren hoher Neigung zur Oberflächenkristallisation limitiert. Der klinische Einsatz von individuell gefertigten dreidimensionalen Knochenersatzimplantaten aus bioaktivem Glas ist deshalb bisher nur punktuell etabliert. Zudem, da sich Prozessierbarkeit und Bioaktivität, im Speziellen die Löslichkeit in Körperflüssigkeit, diametral gegenüberstehen. Ein vielversprechender Kompromiss scheint das fluoridhaltige Glas „F3“ (mol%: 44,8SiO2–2,5P2O5–36,5CaO–6,6Na2O–6,6K2O–3,0CaF2) zu sein. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass dessen Sinterfähigkeit von der Korngröße abhängt. Die konkurrierende, primär nachweisbare Oberflächenkristallisation wird dem Combeit (Na6−2xCac+xSi6O18 (0 ≤ x ≤ 1)) zugeordnet. Diese Kristallphase ist ebenfalls typisch für die klinisch eingesetzten Bioglass® 45S5 und Biosilicate® und verhindert dort ein kristallisationsfreies Sintern. Die primäre Oberflächenkristallisation ist dadurch die größte Gefahr für die chemische und physikalische Homogenität des Sinterkörpers hinsichtlich Entmischung, Verarmung der Restglasphase und unregelmäßiger Restporosität. Ein sich entlang der ehemaligen Korngrenzen ausbildendes kristallines Gerüst birgt aber gleichermaßen das Potential sinternde, additiv gefertigte Grünkörper bei definierter Porosität einzufrieren und so den Verlust der strukturellen Integrität der Probenkörper zu verhindern oder sogar eine komplexe, hierarchische und feinteilige Hohlraumarchitektur zu erzeugen. Um die grundlegenden Einflussfaktoren dieser Phänomene und deren applikatives Potential, ebenfalls für vergleichbar kristallisierende Glaszusammensetzungen, zu ergründen, ist es notwendig den Mechanismus und die Kinetik der primären Oberflächenkeimbildung im Glas F3 genauer zu untersuchen. Der zugrundeliegende Keimbildungsmechanismus und die technologischen Möglichkeiten zu dessen Beeinflussung, beispielsweise im Rahmen der Pulverherstellung oder -aufbereitung, sind bisher weitgehend unbekannt. Da sich die Primärkristallphase nach den bisherigen Erkenntnissen am wahrscheinlichsten an der Zusammensetzung des Combeit orientiert, erscheint die Variation des Natriumgehalts im Glas sowie auf der Glasoberfläche am zielführendsten zu sein. Der Einfluss der oberflächlichen Natrium-Konzentration auf die Kristallisation, das Sinterverhalten und die resultierende Mikrostruktur der Sinterkörper soll durch den Vergleich von oberflächlich chemisch ausgelaugten bzw. angereicherten, wie auch von gebrochenen, feuerpolierten und getemperten Oberflächen erfolgen. Für die geplanten Arbeiten sollen DTA, Mikroskopie, XRD, XPS, Spektroskopie (IR, Raman) und NMR genutzt werden. Die geplanten Untersuchungen finden dabei sowohl an Pulvern als auch an Volumenkörpern statt.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Gastgeber: Professor Edgar Dutra Zanotto, Ph.D.