Festigkeit folgt Form

Dreimal so hohe Festigkeit bei gleicher Materialdichte können Leichtbaumaterialien haben, wenn sie geschickt konstruiert werden. Dies ist eines der Ergebnisse des vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projektes an der TU Wien über die Eigenschaften zellulärer Materialien. Voraussetzung für diese Entdeckung war eine Technik, die es ermöglicht, Computermodelle unmittelbar in experimentelles Probenmaterial umzusetzen. Der Einsatz dieser Technik zur Herstellung von Ersatzmaterial für Knochen bildet einen zukünftigen Schwerpunkt des Projekts.

Natur wie Technik haben den Vorteil zellulär aufgebauter Materialien längst entdeckt: Bei geringem Gewicht bieten sie hohe Festigkeit. Den entscheidenden Einfluss der Zell-Geometrie auf diesen Vorteil hat das ForscherInnen-Team um Jürgen Stampfl und Heinz Pettermann an der Maschinenbaufakultät der TU Wien untersucht. Dabei ermittelten sie, wie die Wahl der Zell-Geometrie die Festigkeit des Materials bei gleichem Gewicht erhöht.

Aus dem Computer – auf den Labortisch

Entscheidend für den Erfolg war das „Rapid Prototyping“ – eine Technik, die es erlaubt, virtuelle Computermodelle von Materialstrukturen rasch in reale Modelle umzuwandeln. Dazu Stampfl: „Rapid Prototyping ist eine ebenso faszinierende wie eingeschränkte Methode. Wir können am Computer Strukturen, die es bisher weder in Natur noch Technik gab, entwerfen und deren Belastbarkeiten berechnen sowie unmittelbar im realen Experiment testen. Das Herstellungsverfahren beruht jedoch auf der Methode der Stereolithographie, was die Auswahl des Grundmaterials – und damit die Anwendung der Modelle – einschränkt.“

Für die Stereolithographie werden die Computermodelle zunächst in dünne, virtuelle Scheiben umgerechnet. Diese dienen einem speziellen Softwareprogramm als Vorlage für die Steuerung zahlreicher Mikrospiegel, über die Licht auf eine lichtempfindliche Harzschicht projiziert wird. Dort, wo Licht auf das Harz trifft, härtet das ursprünglich flüssige Material aus. So lassen sich beliebige Strukturen mit hoher Auflösung fertigen, deren mechanische Eigenschaften unmittelbar experimentell geprüft werden können.

Ausgehend von Strukturen mit einer einfachen zellulären Grundeinheit, die einem hohlen Würfel von vier Millimetern Kantenlänge glich, zeigte sich ein beeindruckendes Ergebnis: Bei unterschiedlicher Anordnung – aber gleichem spezifischem Gewicht – der Grundeinheiten variierte die Belastbarkeit um den Faktor drei. So haben unregelmäßige Strukturen, wie sie in der Natur vorkommen, zwar eine geringere Festigkeit, sie sind jedoch wesentlich unempfindlicher gegenüber Fehllasten, wie sie beispielsweise bei einem Sturz auftreten können.

Knochen aus dem Computer

Das nächste Ziel des Projektteams ist die Entwicklung künstlichen Knochenmaterials. Denn auch Knochen ist eines der vielen Naturmaterialien, das zellulär aufgebaut ist. Wichtig für Stampfls Arbeit ist dabei eine Abwandlung des Rapid Prototyping. Diese dient der Herstellung von Gussformen, die anschließend mit einem Keramikgel gefüllt werden. Nach Aushärten des Gels und dem Entfernen der Gussform erhält man eine Keramikstruktur mit definierter Porengröße.

„Als Keramikgel verwenden wir Hydroxyapatit, einen Grundbaustein unserer Knochen. Damit können wir ein beliebig geformtes Gerüst herstellen, dessen Material von knochenbildenden Zellen als Wachstumsunterlage genutzt wird. Ob und wie dieses Knochenersatzmaterial in der Praxis Anwendung findet, können wir heute aber noch nicht sagen“, erläutert Stampfl. Bereits jetzt konnte in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (Golm, Deutschland) und mit dem Ludwig Boltzmann Institut für Osteologie (Wien) gezeigt werden, dass Osteoblasten – jene Zellen, die Knochen bilden – diese Matrix besiedeln und darin langfristig überleben.

Der Präsident des FWF, Prof. Georg Wick, erklärt: „Wenn Ergebnisse aus einer Wissenschaftsdisziplin, wie der Werkstoffkunde, in einer anderen, wie der Medizin, Anwendung finden, ist das Synergie par excellence. Und gerade das zeichnet die Grundlagenforschung aus, die den Schwerpunkt unserer Förderungen darstellt.“

Kontakt:
Dr. Jürgen Stampfl
Institut für Werkstoffkunde und Materialprüfung
Technische Universität Wien
Favoritenstr. 9 – 11
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T +43/1/58 801-30862
E jstampfl@pop.tuwien.ac.at

Aussender:
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