Entwicklung von Apatitkeramiken mit oxidkeramischen Zusätzen zum Einsatz als Knochenersatzwerkstoffe in der Orthopädie:
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Aachen
Shaker
2004
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Seite
1. Zusammenfassung 4
2. Einleitung und Zielsetzung 8
3. Theoretische Grundlagen und Literaturübersicht 10
3.1 Biowerkstoffe 10
3.1.1 Zukunftspotentiale von Biowerkstoffen 10
3.1.2 Begriffsklärungen 12
3.1.3 Biokeramiken 15
3.2 Werkstoffbeschreibungen 16
3.2.1 Calciumphosphate und Calciumphosphat-Keramiken 16
3.2.2 Oxidkeramiken 30
3.3 Thermisches Umwandlungsverhalten der Calciumphosphatver- 39
bindungen
3.3.1 Umwandlungsverhalten der reinen Calciumphosphate 39
3.3.2 Umwandlungsverhalten der Calciumphosphat-Mischkeramiken 41
3.4 Grundlagen der Bruchmechanik 46
3.4.1 Linear elastische Bruchmechanik (LEBM) 46
3.4.2 Biegefestigkeit 47
3.4.3 Zuverlässigkeit 47
3.4.4 De Maximum Likelihood Methode 49
3.5 Medizinische Grundlagen 51
3.5.1 Einteilung und Aufbau des Knochens 51
3.5.1.1 Zelltypen und Abläufe im Knochen 54
3.5.2 Mechanische Eigenschaften des menschlichen Knochens 57
3.5.3 In-vitro-Testverfahren (Zeilkulturtestverfahren) 59
4. Experimenteller Teil 61
4.1 Thermodynamische Berechnungen mit FACT 61
4.2 Eingesetzte Rohstoffe 62
4.2.1 Apatitpulver 62
4.2.2 Oxidkeramikpulver 63
4.3 Aufbereitung und Probenherstellung 63
4.3.1 Synthese des Fluorapatits 63
4.3.2 Pulveraufbereitung 64
4.3.3 Formgebung 65
4.4 Charakterisierungsmethoden 66
4.4.1 Chemismus und Phasencharakterisierung 66
4.4.2 Granulometrie und Pulvermorphologie 66
4.4.3 Verdichtungsverhalten 67
4.4.4 Gefügecharakterisierung 68
4.4.5 Mechanische Werkstoffkennwerte 70
4.5 Durchführung der in vitro-Testverfahren 74
4.5.1 Versuchsaufbau, Probenpräparation und Zellkultursysteme 74
4.5.2 Adhäsionsversuche 74
4.5.3 Gesamtproteinbestimmung 75
4.5.4 Bestimmung der Alkalischen Phosphatase im Zellpellet 75
4.5.5 Osteokalzin-Nachweis 76
4.5.6 Alkalische Phosphatase-Färbung 76
4.5.7 Statistik 76
5. Ergebnisse 78
5.1 Ergebnisse der thermodynamischen Berechnungen 78
5.1.1 Reine Apatitkeramiken 78
5.1.2 Mischkeramiksysteme 82
5.1.2.1 Systeme mit Aluminiumoxid 82
5.1.2.2 Systeme mit Zirkonoxid 86
5.1.2.3 Systeme mit Yttriumoxid 91
5.2 Ergebnisse der keramischen Werkstoffentwicklung 94
5.2.1 Aluminiumoxid 94
5.2.2 Unstabilisiertes Zirkonoxid 99
5.2.3 Yttriumoxid 1°°
5.2.4 Darstellung dichter Hydroxylapatit-Keramik 105
5.2.5 Darstellung von dichter Fluorapatit-Keramik 111
5.2.6 Mischkeramiken 121
5.2.6.1 Ermittlung der Phasen-und Zersetzungsbeständigkeit 121
5.2.6.1.1 Atmosphärisches Sintern 121
5.2.6.1.2 Uniaxiales Heißpressen 123
5.2.6.2 Ergebnisse der feinkeramischen Aufbereitung 128
5.3 Mechanische Eigenschaften 138
5.3.1 Vickershärte, Risszähigkeitswerte und Elastizitätsmoduli 138
5.3.2 Festigkeitswerte und Weibull-Statistiken 139
5.4 Ergebnisse der medizinischen Untersuchungen 144
5.4.1 Ergebnisse der Adhäsionsversuche 144
5.4.2 Ergebnisse der Gesamtproteinbestimmung 146
5.4.3 Alkalische Phosphatase im Zellpellet 147
5.4.4 Färbungen 149
6. Diskussion 150
6.1 Thermodynamische Berechnungen 150
6.2 Keramische Werkstoffentwicklung 152
6.3 Mechanische Eigenschaften 155
6.4 Medizinische Untersuchungsergebnisse 157
7. Schlussfolgerung und Ausblick 158
8. Literaturverzeichnis 161
9. Anhang 174
9.1 Symbol-, Abkürzungs-und Begriffsverzeichnis 174
9.2 Medizinische Begriffserklärungen 176
9.3 Thermodynamische Daten 177
9.4 Herstellerangaben zu den eingesetzten Rohstoffen 179
9.5 Übersicht über die keramische Probenaufbereitung, Analytik 182
sowie das angewendete in-vitro Zellkulturverfahren
9.6 Auflistung keramischer Eigenschaftswerte 184
Lebenslauf 195
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