Hierarchische Struktur-Funktions-Modellierung muskuloskelettaler mineralisierter Gewebe

• Antragsteller: Dr. Alf Gerisch; Professor Dr. Kay Raum
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Biophysik ; Mathematik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 127651561

Muskuloskelettale mineralisierte Gewebe (MMTs) sind natürliche Beispiele von Materialien, die einzigartige Kombinationen von Festigkeit und Bruchresistenz realisieren. MMTs sind in der Lage, sich an unterschiedliche funktionelle Ansprüche durch variable hierarchische Strukturen einer gemeinsamen Aufbaueinheit, der mineralisierten Kollagenfaser, optimal anzupassen. Dieses Projekt kombiniert multiskalare und multimodale experimentelle Untersuchungen verschiedener Gewebeeigenschaften mit numerischen Modellierungs- und Homogenisierungsmethoden, um von der nanoskopischen bis zur makroskopischen Ebene das elastische Verhalten von MMTs zu beschreiben. Dieser bottom-up Ansatz erlaubt es, Komposition, Struktur, und Materialeigenschaften des Gewebes auf den jeweiligen Hierarchieebenen zu entkoppeln und damit deren relativen Einflüsse auf das makroskopische Verhalten zu studieren. In den letzten beiden Förderperioden wurden experimentelle Daten von MMTs auf verschiedenen Hierarchieebenen (Nanometer bis Zentimeter) systematisch in Abhängigkeit von Gewebeart, anatomischer Position, Alter in humanen und ovinen Proben untersucht. Dies führte zur Entdeckung neuer Orientierungsmuster in lamellären Knochengeweben. Außerdem diente eine systematische Untersuchung in mineralisierten Truthahnsehnen (MTLT) zur Entwicklung eines hierarchischen uni-axialen Mineralfaserverbunds. Basierend auf den experimentellen Daten konnten wir dieses Modell weiter verbessern und validieren. Durch eine globale Sensitivitätsanalyse konnten zudem die wichtigsten Einflußparameter identifiziert werden. Außerdem wurde ein weiterer Verfestigungsmechanismus in altem Gewebe beobachtet, der nicht durch die etablierten Homogenisierungsmethoden erklärt werden kann. Durch die Implementierung von mikroskopischen und mesoskopischen elastischen Daten in ein makroskopisches muskuloskelettales Finite-Elemente basiertes Belastungsmodell konnten Erkenntnisse über belastungsabhängige Umbauprozesse gewonnen werden.Die zwei wichtigsten Erkenntnisse der letzten Förderperioden definieren unsere zukünftige Forschungshypothesen an MMTs. Zum einen führt ein Zusammenwachsen von Mineralkristallen in altem Gewebe zu einer Versteifung, die sich nicht einfach mit konventionellen Indentationsmethoden messen bzw. durch etablierte Homogenisierungsmethoden erklären lassen. Zum anderen sollen die durch neue hochauflösende Verfahren gefundenen Orientierungsmuster in lamellären Knochen systematisch untersucht und in unsere Modell implementiert werden, um deren Einfluß auf die mechanische Funktion auf den nächsten Hierarchieebenen zu klären. Außerdem werden Projekte, die mit Partnern innerhalb und außerhalb des SPP1420 an verschiedenen natürlichen und künstlichen mineralisierten biomimetischen Materialien initiiert worden sind, weitergeführt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Internationaler Bezug: Frankreich, Schweden
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Quentin Grimal; Professorin Hanna Isaksson, Ph.D.; Professor Dr. Jens Lang; Privatdozentin Francoise Peyrin, Ph.D.