E-Book, Englisch, Deutsch, 595 Seiten, eBook
Rossmann / Tropea Bionik
2005
ISBN: 978-3-540-26948-9
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur-, Ingenieur- und Geisteswissenschaft
E-Book, Englisch, Deutsch, 595 Seiten, eBook
ISBN: 978-3-540-26948-9
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
In vielen Wissenschafts- und Technikzweigen ist der praktische Nutzen der Bionik anerkannt. Die Lösung technischer Probleme mit Hilfe biologisch motivierter Prinzipien wird erfolgreich praktiziert. Außen vor blieb jedoch bisher die Verständigung zwischen den beteiligten Wissenschaftszweigen.Dieses Buch gibt einen aktuellen Überblick über die unterschiedlichen Forschungsfelder, angefangen von Optimierungsstrategien in der Robotik über Adaptive Beinprothesen, Informationsverarbeitung in natürlichen und künstlichen Systemen, Optimierungsstrategien in der Industrie bis hin zu Philosophischen Aspekten der Bionik. Somit unterstützt es erstmals einen Diskurs zwischen den Disziplinen und ermöglicht einen Austausch zwischen Forschern unterschiedlicher Fachgebiete. Die Beiträge sind allgemein verständlich geschrieben und wagen einen Blick in die Zukunft spannender Forschungsaufgaben.
Torsten Rossmann, geb. 1966, ist Geschäftsführer des Biotechnik-Zentrums (BitZ) an der Technischen Universität Darmstadt. Er studierte Biologie, Geologie/Paläontologie und Maschinenbau. In mehr als 50 Fachartikeln hat er sich mit dem Bau und der Funktion der Lebewesen beschäftigt. Mit dem Aufbau und der Leitung des BitZ findet sein ausgeprägtes fachübergreifendes Interesse eine Herausforderung. Cameron Tropea, geb. 1954, ist derzeit Leiter des Fachgebietes Strömungslehre und Aerodynamik im Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt, wo er sich vor allem mit Forschung im Bereich der Fluidzerstäubung, der Aerodynamik und der Strömungsmesstechnik befasst. Seine Beschäftigung mit der Bionik umfasst die Aerodynamik des Vogelfluges sowie das Aufprallverhalten von Flüssigkeitstropfen auf strukturierten Oberflächen.
Zielgruppe
Research
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1;Vorwort der Herausgeber;7
2;Vorwort von Prof. Werner Nachtigall;9
3;Inhalt;11
4;1. Bionik;15
4.1;1.1. Bionik im natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereich;15
4.1.1;Sprachlich beschriebene Dynamik und rekurrente Fuzzy-Systeme;16
4.1.1.1;1. Motivation;16
4.1.1.2;2. Logik und Fuzzy-Logik;17
4.1.1.3;3. Sprachliche Modellierung intraspezifischer Konkurrenz;18
4.1.1.4;4. Mathematische Modellierung intraspezifischer Konkurrenz;19
4.1.1.5;5. Fuzzy-Systeme, rekurrente Fuzzy-Systeme und Automaten;21
4.1.1.6;6. Chaos bei der intraspezifischen Konkurrenz;23
4.1.1.7;7. Anwendungen rekurrenter Fuzzy-Systeme;24
4.1.1.8;8. Sequentielle Mustererkennung in Stranggießanlagen;25
4.1.1.9;9. Fazit;28
4.1.2;Adaptronik – ein technischer Ansatz zur Lösung bionischer Aufgaben;30
4.1.2.1;1. Bionik und Adaptronik als wissenschaftliche Disziplinen;30
4.1.2.2;2. Schnittstellen von Bionik und Adaptronik: Beispiele;34
4.1.2.3;3. Zusammenfassung;42
4.1.3;Microelectronics meets Bionics;44
4.1.3.1;1. The status of Microelectronics;44
4.1.3.2;2. Bionic-electronics;48
4.1.3.3;3. Artificial Neural Network;60
4.1.3.4;4. Future contribution of Microelectronics in Bionics;62
4.1.4;Wirbelbildung hinter schlagenden Tragflächen;64
4.1.4.1;1. Einleitung;64
4.1.4.2;2. Material und Methode;69
4.1.4.3;3. Erste Ergebnisse und Ausblick;72
4.1.5;Infobionik – Entwurf einer menschzentrierten Benutzerschnittstelle;75
4.1.5.1;1. Einführung;75
4.1.5.2;2. Motivation und Einordnung;77
4.1.5.3;3. Vision;80
4.1.5.4;4. Grundlagen;83
4.1.5.5;5. Probleme;86
4.1.5.6;6. Verwandte Ansätze;90
4.1.5.7;7. Ausblick;91
4.1.6;Neurobionik – Prothetik, Biohybride und intelligente Algorithmen;93
4.1.6.1;1. Einleitung;93
4.1.6.2;2. Neuroprothetik;94
4.1.6.3;3. Hybridtechnologie;97
4.1.6.4;4. Intelligente Algorithmen aus der Natur;98
4.1.7;Animal attachments: Minute, manifold devices. Biological variety – Basic physical mechanisms – A challenge for biomimicking technical stickers;105
4.1.7.1;1. Introduction;105
4.1.7.2;2. Classical descriptions, mainly in insects;106
4.1.7.3;3. Examples of recent investigations;114
4.1.7.4;4. General biological aspects and technical use;120
4.1.8;Bionik im Bauwesen;135
4.1.8.1;1. Einleitung;135
4.1.8.2;2. Arten der Bionik;137
4.1.8.3;4. Ein Beispiel für die Anwendung von Evolutionären Algorithmen anhand der Optimierung von Fassadensystemen – ein bionischer Ansatz;147
4.1.9;Laufbewegungen bei Roboter, Tier und Mensch: Analyse, Modellierung, Simulation und Optimierung;156
4.1.9.1;1. Einführung;157
4.1.9.2;2. Grundlagen der vier- und zweibeinigen Fortbewegung;157
4.1.9.3;3. Dynamik des Laufens bei Robotern;160
4.1.9.4;4. Dynamik des Laufens bei Tier und Mensch;163
4.1.9.5;5. Integration von Sensorik und Motorik;165
4.1.9.6;6. Zusammenfassung und Ausblick;166
4.1.9.7;Literatur;168
4.1.10;Ein bionisches neuronales Netz zur Periodizitätsanalyse;170
4.1.10.1;1. Motivation;170
4.1.10.2;2. Das auditorische System;171
4.1.10.3;3. Ein neuronales Netz zur zeitlichen Periodizitätsanalyse;173
4.1.10.4;3.3. Modellierung des auditorischen Systems bis zum PAN-Modell;177
4.1.10.5;3.4. Die PAN-Simulation;180
4.1.10.6;4. Simulation mit dem PAN-Modul;192
4.1.10.7;5. Ergebnisse;193
4.1.10.8;6. Ausblick – Bionische Neuronale Netze;195
4.2;1.2. Bionik im gesellschafts- und wirtschafts- wissenschaftlichen Bereich;199
4.2.1;Zirkulierende Körperstücke, zirkulierende Körperdaten: Hängen Biopolitik und Bionik zusammen?;200
4.2.1.1;1. Bionik und – „Biopolitik“?;200
4.2.1.2;2. Ambivalenz der Bionik;201
4.2.1.3;3. Was ist unter Biopolitik zu verstehen?;203
4.2.1.4;4. Und die Bionik?;213
4.2.1.5;5. Antwort und Schluss;215
4.2.2;Was ist TechnoWissenschaft? – Zum Wandel der Wissenschaftskultur am Beispiel von Nanoforschung und Bionik;217
4.2.2.1;1. Einführung;218
4.2.2.2;2. Wissenschaftskultur;219
4.2.2.3;3. Perspektivenwechsel;221
4.2.2.4;4. TechnoWissenschaftskultur;222
4.2.2.5;5. Das Interesse der TechnoWissenschaft;224
4.2.3;Bionik und Interdisziplinarität;227
4.2.3.1;1. Einführung;227
4.2.3.2;2. Interdisziplinarität und Philosophie;228
4.2.3.3;3. Horizontale Zirkulationen in der Bionik – wissenschaftstheoretische Aspekte;235
4.2.3.4;4. Traditionslinien der Zirkulationstheorie – das Beispiel der Nachahmungsthese;241
4.2.3.5;5. Vertikale Zirkulationen in der Bionik – am Beispiel der Chaosbionik;244
4.2.3.6;6. Perspektiven;249
4.2.4;Technologie- und marktorientierte Entwicklung von Bionik-Produkten;254
4.2.4.1;1. Problemstellung;254
4.2.4.2;2. Technologie- und Marktorientierung als Leitidee des Innovationsmanagements;256
4.2.4.3;3. Einordnung der Bionik in das Technologie- und Innovationsmanagement;257
4.2.4.4;4. Kompetenz im Management von Bionik-F&E-Netzwerken;259
4.2.4.5;5. Technologiemanagement im Innovationsfeld Bionik;262
4.2.4.6;6. Produkt- und Prozessentwicklung in der Bionik;266
4.2.4.7;7. Fazit;271
4.2.5;Industriedesign für nachhaltige Produkte, was bringt Bionik?;273
4.2.5.1;1. Gestaltung/Industriedesign;273
4.2.5.2;2. Nachhaltiges Wirtschaften;277
4.2.5.3;3. Industriedesign ist komplexe Optimierung;279
4.2.5.4;4. Designqualität, was ist das?;281
4.2.5.5;5. Produktbeispiele mit bionischem Aspekt;285
4.2.5.6;6. Gibt es Bionik-Design-Produkte?;288
4.3;1.3. Didaktik und Methodik der Bionik;289
4.3.1;Lectus CV – „Bionik trifft Adaptive Ergonomie“;290
4.3.1.1;1. Eine Vision;290
4.3.1.2;2. Das Konzept;291
4.3.1.3;3. Fazit;295
4.3.2;Interdisziplinarität: „Kritisches“ Bildungsprinzip in Forschung und Lehre;296
4.3.2.1;1. Vorbemerkung zum „Credo“ der Bionik: Natur-Technik- Interdisziplinarität;296
4.3.2.2;2. Interdisziplinarität – Zur Karriere eines Begriffs;300
4.3.2.3;3. Blicke auf das Begriffsfeld: Typen und Auffassungen von Interdisziplinarität;303
4.3.2.4;4. Zwischen Kritik und Funktion: Zur wissenschaftssystematischen Ortsbestimmung von Interdisziplinarität;305
4.3.2.5;5. Die „kritische“ Bildungsfunktion von Interdisziplinarität in Forschung (Wissenschaftsentwicklung) und Lehre (Bildung der Studierenden);310
4.3.2.6;6. Anfragen zur interdisziplinären Theorie und Praxis an das Bionik-Projekt;314
4.3.3;Naturorientierte Innovationsstrategie – Entwickeln und Konstruieren nach biologischen Vorbildern;317
4.3.3.1;1. Einleitung;317
4.3.3.2;2. Natürliche Konstruktionen als Vorbilder;319
4.3.3.3;3. Zielbestimmung/Lösungsfindung unter bionischen Aspekten;322
4.3.4;Die Untersuchung des Lokomotionsapparates von Fischen mit der ‘Transduktions-Methode’;327
4.3.4.1;1. Einführung;327
4.3.4.2;2. Bewegungen von Fischen und Fisch-Antrieben;330
4.3.4.3;3. Der innere Aufbau eines Fisch-Körpers;331
4.3.4.4;4. Beschreibung der Transduktions-Methode;334
4.3.4.5;5. Zusammenfassung;339
4.3.5;"Biomechanical Animal Design" – ein neues Praktikums-Modell;341
4.3.5.1;1. Einführung;341
4.3.5.2;2. Ablauf des Praktikums "Biomechanical Animal Design";343
4.3.5.3;3. Zusammenfassung;350
4.3.5.4;4. Fazit;350
5;2. Biomedizintechnik;352
5.1;Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren;353
5.1.1;1. Einführung;354
5.1.2;2. Verschleiß von Gelenkprothesen;357
5.1.3;3. Ermüdung von Dentalimplantaten;365
5.1.4;4. Ausblick;371
5.2;Tieftemperaturkonservierung lebender Bioproben – Kryotechnologieplattform für die Biotechnologie und Medizin;375
5.2.1;1. Wunschtraum der Medizin;375
5.2.2;2. Langzeitlagerung von Zellen;377
5.2.3;3. Kryokonservierung ist kein natürlicher Prozess;378
5.2.4;4. Anforderungen der Biotechnologie und Medizin;381
5.2.5;5. Notwendigkeit moderner Kryotechnologieplattformen;382
5.2.6;6. Beispiele für eine neue Kryotechnologie-plattform;383
5.2.7;7. Modernste Kryobank im Saarland;388
5.2.8;8. Lebendsammlungen – Wirtschafts- und Forschungsressourcen von morgen;390
5.2.9;9. Ausblick;392
5.3;Mikro-Elektromechanische-Systeme in der Medizintechnik - Projektkanon am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK);395
5.3.1;1. Einleitung;396
5.3.2;2. Minimal-Invasive Chirurgie – Geschichte und Hintergründe;396
5.3.3;3. Simulatoren in der MIC – Selbstverständliches wird wieder entdeckt;398
5.3.4;4. Schläuche und Drähte als Schienen – Kathetertechnologie ist Zukunft;399
5.3.5;5. Tasten im Körper;400
5.3.6;6. Miniaturroboter zur Dick- und Dünndarmuntersuchung;401
5.3.7;7. Druckmessung – Bedeutung für den Menschen;403
5.4;Tumortherapie mit Ionenstrahlen;411
5.4.1;1. Einleitung;411
5.4.2;2. Physikalische Vorteile von Ionenstrahlen;412
5.4.3;3. Erhöhte biologische Wirksamkeit;416
5.4.4;4. PET Verifikation;419
5.4.5;5. Klinische Ergebnisse Darmstädter Kohlenstoff Therapie;419
5.4.6;6. Perspektive und weltweite Einbindung der Ionentherapie;421
5.5;Analyse und Repräsentation akustischer Signale im Hörsystem;424
5.5.1;1. Periodizität, eine wichtige Eigenschaft von Kommunikationssignalen;424
5.5.2;2. Die Frequenzanalyse im Innenohr;427
5.5.3;3. Die zeitliche Analyse im Hörsystem;428
5.5.4;4. Orthogonalität von Tonotopie und Periodotopie im Colliculus inferior;433
5.5.5;5. Repräsentation zeitlicher Information im Hörcortex;436
5.5.6;6. Bedeutung der zeitlichen Analyse für die Musikwahrnehmung;437
5.5.7;7. Schlussfolgerung;438
5.6;Mit Stammzellen und Tissue Engineering zu Netzhautimplantaten;440
5.6.1;1. Stammzellbiologie und Tissue Engineering gehören zusammen;441
5.6.2;2. Ohne Stammzellen kein Lebendzellersatz;442
5.6.3;3. Embryonale oder adulte Stammzellen?;442
5.7;Funktionelle Behandlung von Kreuzbandverletzungen als Beispiel für angewandte bionische Medizin;451
5.7.1;1. Einleitung;451
5.7.2;2. Funktionelle Anatomie;452
5.7.3;3. Unfallmechanismus und Diagnostik;453
5.7.4;4. Funktionelle Behandlung;455
5.7.5;5. Rehabilitation;457
5.7.6;6. Ausblick: Allografts, bioaktive Substanze und Navigation;458
5.7.7;7. Diskussion;460
5.8;Ion channels as functional components in sensors of biomedical information;463
5.8.1;1. Introduction;463
5.8.2;2. Biosensing properties of ion channels;464
5.8.3;3. Heart beat and cyclic nucleotides:;464
5.8.4;4. ATP and insulin secretion;465
5.8.5;5. The activity of ion channels can be measured;465
5.8.6;6. Ion channel activity assay;469
5.8.7;7. Ion channels and bio-engineering;470
5.8.8;8. Viral channels as toolbox;473
5.8.9;9. The viral K+ channel Kcv is a very small homolouge of eukaryotic K+ channels;474
5.8.10;10. Just a few changes in the primary amino acid structure result in dramatic changes in the performance of the Kcv channel protein;475
5.8.11;11. Outlook;476
5.9;Neuronale Mechanismen der Entstehung von Tinnitus;479
5.9.1;1. Was ist Tinnitus?;480
5.9.2;2. Wo entsteht Tinnitus?;480
5.9.3;3. Wie lässt sich ein subjektiver Tinnitus objektiv nachweisen?;484
5.9.4;4. Wie entsteht die Tinnitusaktivität?;490
5.9.5;5. Spielen Lernvorgänge für die Manifestierung von Tinnitus eine Rolle?;491
5.9.6;6. Modell zur zentralen Tinnitusentstehung;492
5.9.7;7. Simulation des Tinnitusmodells;494
6;3. Biomechanik;498
6.1;Magnetrezeption bei Brieftauben;499
6.1.1;1. Einführung;500
6.1.2;2. Die Magnetfeldrezeption unter magnetischen Gesichtspunkten;503
6.1.3;3. Struktur möglicher Magnetsinnesorgane;505
6.1.4;4. Rezeptorphysiologische Prozesse bei der Magnetfeldrezeption;507
6.1.5;5. Die Modellstruktur im Taubenschnabel (Abb. 1);508
6.1.6;6. Subzelluläre Komponenten und Struktur der Magnetithaltigen Dendriten;509
6.2;Mechanical stress as the main factor in skull design of the fossil reptile Proterosuchus (Archosauria);514
6.2.1;1. Introduction;514
6.2.2;2. Methods;515
6.2.3;3. Description;518
6.2.4;4. Discussion;522
6.3;Biodynamische Modellierung des Menschen – Anwendung ingenieurwissenschaftlicher Methoden auf das biologische System Mensch;526
6.3.1;1. Strukturdynamik – was ist das?;526
6.3.2;2. Schwingungen in der Natur – Ansätze für die Bionik;527
6.3.3;3. Biodynamik – Schwingungsverhalten des Menschen;527
6.4;Neue Prüfkonzepte für Primärstabilität und Dauerfestigkeit mandibulärer Osteosynthesesysteme sowie für mathematische Modelle des Kausystems;540
6.4.1;1. Einleitung;541
6.4.2;2. Stand der Technik;541
6.4.3;3. Entwicklung eines multifunktionalen Prüfaufbaus;542
6.4.4;4. Stabilitätsvergleich von Osteosynthesesystemen (Reintitan vs. Formgedächtnismaterial);548
6.4.5;5. Ergebnisse;550
6.4.6;6. Diskussion;552
6.4.7;7. Zusammenfassung;553
6.4.8;8. Ausblick;554
6.5;Prinzipien und Merkmale gelungener Bewegungen;558
6.5.1;1. Einleitung;558
6.5.2;2. Qualitative Merkmale gelungener Bewegungen;559
6.5.3;3. Optimierungsfunktionen;560
6.5.4;4. Ökonomie- und Effizienzkriterien;562
6.5.5;5. Simulationen auf der Grundlage der Optimierungsfunktionen und Segmentarbeit;563
6.5.6;6. Biomechanische Prinzipien;566
6.5.7;7. Zusammenfassung und Ausblick;570
6.6;Langfristige Verankerung künstlicher Gelenke – kann das gut gehen?;572
6.6.1;1. Anatomie und Physiologie der Gelenke;573
6.6.2;2. Endoprothesen;577
6.6.3;3. Primär- und Sekundärstabilität;578
6.6.4;4. Prothesenkonstruktionen und ihre Berechnung;579
6.6.5;5. Ausblick;588
7;Autorenverzeichnis;590
Bionik im natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereich.- Sprachlich beschriebene Dynamik und rekurrente Fuzzy-Systeme.- Adaptronik — ein technischer Ansatz zur Lösung bionischer Aufgaben.- Microelectronics meets Bionics.- Wirbelbildung hinter schlagenden Tragflächen.- Infobionik — Entwurf einer menschzentrierten Benutzerschnittstelle.- Neurobionik — Prothetik, Biohybride und intelligente Algorithmen.- Animal attachments: Minute, manifold devices. Biological variety — Basic physical mechanisms — A challenge for biomimicking technical stickers.- Bionik im Bauwesen.- Laufbewegungen bei Roboter, Tier und Mensch: Analyse, Modellierung, Simulation und Optimierung.- Ein bionisches neuronales Netz zur Periodizitätsanalyse.- Bionik im gesellschafts- und wirtschaftswissenschaftlichen Bereich.- Zirkulierende Körperstücke, zirkulierende Körperdaten: Hängen Biopolitik und Bionik zusammen?.- Was ist TechnoWissenschaft? — Zum Wandel der Wissenschaftskultur am Beispiel von Nanoforschung und Bionik.- Bionik und Interdisziplinarität.- Technologie- und marktorientierte Entwicklung von Bionik-Produkten.- Industriedesign für nachhaltige Produkte, was bringt Bionik?.- Didaktik und Methodik der Bionik.- Lectus CV — „Bionik trifft Adaptive Ergonomie“.- Interdisziplinarität: „Kritisches“ Bildungsprinzip in Forschung und Lehre.- Naturorientierte Innovationsstrategie — Entwickeln und Konstruieren nach biologischen Vorbildern.- Die Untersuchung des Lokomotionsapparates von Fischen mit der ‘Transduktions-Methode’.- "Biomechanical Animal Design" — ein neues Praktikums-Modell.- Biomedizintechnik.- Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren.- Tieftemperaturkonservierung lebender Bioproben — Kryotechnologieplattform für die Biotechnologie und Medizin.- Mikro-Elektromechanische-Systeme in der Medizintechnik - Projektkanon am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK).- Tumortherapie mit Ionenstrahlen.- Analyse und Repräsentation akustischer Signale im Hörsystem.- Mit Stammzellen und Tissue Engineering zu Netzhautimplantaten.- Funktionelle Behandlung von Kreuzbandverletzungen als Beispiel für angewandte bionische Medizin.- Ion channels as functional components in sensors of biomedical information.- Neuronale Mechanismen der Entstehung von Tinnitus.- Biomechanik.- Magnetrezeption bei Brieftauben.- Mechanical stress as the main factor in skull design of the fossil reptile Proterosuchus (Archosauria).- Biodynamische Modellierung des Menschen — Anwendung ingenieurwissenschaftlicher Methoden auf das biologische System Mensch.- Neue Prüfkonzepte für Primärstabilität und Dauerfestigkeit mandibulärer Osteosynthesesysteme sowie für mathematische Modelle des Kausystems.- Prinzipien und Merkmale gelungener Bewegungen.- Langfristige Verankerung künstlicher Gelenke — kann das gut gehen?.
Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren (S. 351-352)
Eckart Exner, Clemens Müller, Harald Schmidt
Institut für Materialwissenschaften, Technische Universität Darmstadt
Zusammenfassung
Reintitan und einige Titanlegierungen werden als Ersatz für mechanisch hochbelastete Teile in den menschlichen Körper eingebaut. Die positiven Eigenschaften wie exzellente Biokompatibilität und hoher Korrosionswiderstand werden in einigen Anwendungen durch unzureichende mechanische Stabilität eingeschränkt. Diese Problematik wird an zwei Beispielen aufgezeigt: Bei Gelenkprothesen führt häufig der Verschleiß bei Reibung gegen den als Gegenkörper eingesetzten Kunststoff zum Ausfall. Durch Ionenimplantation von Stickstoff und Kohlenstoff wird der Verschleißwiderstand wesentlich erhöht. Im Zahnersatz wird ein Unterbau aus Titan aus ästhetischen Gründen und zum Verschleißschutz durch eine Keramikauflage verblendet. Kritisch für den Einsatz ist, ob diese Maßnahmen andere Eigenschaften, und zwar vor allem die Ermüdungslebensdauer und den Korrosionswiderstand, in nicht zulässigem Maß verändern. Forschungsergebnisse, die in Zusammenarbeit verschiedener Institutionen gewonnen wurden, lassen Schädigungsmechanismen besser verstehen und liefern die Grundlage zu Verbesserungen und neuen Anwendungen von Titanwerkstoffen in der Humanmedizin.
Abstract
Titanium for joint and dental prosthesis: wear and fatigue as life-time limiting factors. Titanium and some of its alloys are used in replacements of highly loaded parts of the human body. Advantageous properties like excellent biocompatibility and high corrosion resistance are often impaired by insufficient mechanical stability. This problem is shown for two examples. In joint replacements, when a titanium alloy is sliding against a polymer used as partner material, excessive wear may limit the lifetime. Scratching can be significantly reduced by ion implantation, particularly with nitrogen or carbon. In tooth replacements, a titanium substrate is covered by a ceramic layer not only to improve the metal against wear but also for aesthetic appearance. In these applications such measures may alter other relevant properties like fatigue life and corrosion resistance to a nontolerable degree. Research carried out in cooperation of a number of institutions helps to understand damaging mechanisms and provides the fundamental knowledge for improvements and new applications of titanium materials in medical technology.
1. Einführung
Tabelle 1 zeigt einen Überblick über die Entwicklung der Humanimplantation. In den letzten 25 Jahren hat die Entwicklung medizinischer Instrumente und der Ersatz von Teilen des menschlichen Körpers (Organen, Knochen und Zähnen) entscheidende Fortschritte gemacht. Abb. 1 zeigt einige typische Implantate im menschlichen Körper. Titan hat sich in vielen Fällen als erste Wahl unter möglichen Werkstoffen erwiesen [1 - 5]. Konkurrenten sind vor allem rostfreie Stähle, Kobaltlegierungen und neuerdings auch keramische Materialien. Die gegenüber Knochen sehr hohe Steifigkeit (hoher Elastizitätsmodul) dieser Materialien, die vor allem bei Patienten mit Metallallergie problematische Biokompatibilität von Stählen und Kobaltlegierungen und die hohe Sprödigkeit der Keramik sind wesentliche Gründe, dass Titan oft der Vorzug gegeben wird, beispielsweise für künstliche Herzklappen, die weltweit pro Jahr etwa 60.000 Patienten eingepflanzt werden, für Elektroden von Herzschrittmachern oder für Stabilisierungselemente der Wirbelsäule.
Arthritis, meistens rheumatisch oder degenerativ bedingt, Nekrose und Krebs können Finger-, Ellbogen-, Hüft- oder Kniegelenke zerstören, und oft ist der chirurgische Weg mit dem vollständigen Ersatz der betroffenen Gelenkteile die beste oder sogar einzige Möglichkeit, die Schmerzen zu beseitigen und ein hohes Maß an Beweglichkeit zu erhalten. Auch im Kauapparat verlangt der Teil- oder Vollersatz von Zähnen oder Kieferteilen eine Kombination von speziellen Eigenschaften, die neben den Edelmetallen auch Titan aufweist. Bevorzugte Einsatzgebiete des Titans und einiger seiner Legierungen liegen deshalb im orthopädischen Bereich und im Zahnersatz. Titan und Titanlegierungen erfüllen zwei wesentliche Voraussetzungen zum Dauereinsatz im menschlichen Körper: Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität. Eine nur wenige Nanometer (ein Milliardstel eines Meters) dicke Oxidschicht an der Oberfläche schützt das Metall vor dem Angriff von Körperflüssigkeiten aller Art und führt dazu, dass das Wirtsgewebe das Implantat nicht oder nur sehr langsam abstößt und nicht von ihm beschädigt wird. In vielen Fällen wird sogar eine gute Anbindung oder das Einwachsen von Knochengewebe in geeignete Oberflächenstrukturen beobachtet.
