DFG project G:(GEPRIS)535548918
P2 “Schmelz”: Natürlicher Zahnschmelz und Wasserglas-basierte Komposite - Untersuchung der Beziehung von Struktur und Funktion zweier komplementärer Systeme im Hinblick auf ihre Ermüdungsfestigkeit
| Coordinator | Professorin Dr.-Ing. Claudia Fleck ; Dr.-Ing. Oliver Görke ; Privatdozentin Dr. Manja von Stein-Lausnitz |
| Grant period | 2024 - |
| Funding body | Deutsche Forschungsgemeinschaft |
| | DFG |
| Identifier | G:(GEPRIS)535548918 |
⇧ FOR 5657: Bioinspiration gegen Ermüdung: Verbesserung der strukturellen Eigenschaften von Werkstoffen durch Abstraktion natürlich gewachsenen Ermüdungswiderstands ⇧
Note: Zahnschmelz ist das härteste Material im menschlichen Körper und bildet die äußere Schicht der natürlichen Zahnkrone. Er weist eine komplexe hierarchische Struktur auf, besteht zu 95 % aus Hydroxylapatit (HA)-Nanofaserkristalliten, welche zu Stäben gebündelt und in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Zwischen Kristalliten und Prismen findet sich eine geringe Menge organischer Matrix. Die Mikro- und Nanoarchitektur des Zahnschmelzes und die Anordnung der anorganischen Nanokristalle tragen wesentlich zu seiner Ermüdungsbeständigkeit bei, die eine lebenslange Funktion ermöglicht. Dennoch können unter bestimmten Bedingungen Rissbildung und -ausbreitung den natürlichen Zahnschmelz schädigen, jedoch ist im Hinblick auf die Literatur über das Langzeit-Ermüdungsverhalten wenig bekannt. Natriumsilikat ("Wasserglas", WG) ist ein anorganisches Material, welches die (visko-) elastischen Eigenschaften je nach Wassergehalt und dem Verhältnis Na2O/SiO2 ändert. Es ist ein vielseitiges Material und kann in Kombination mit (Bio-)Polymeren zur Herstellung organisch-anorganischen Modellstrukturen bzw. Nano-Kompositen verwendet werden. Ziel dieses Projekts ist es, die Architektur des natürlichen Zahnschmelzes auf WG-basierte nano- bis zur makro-skalige Verbundwerkstoffstrukturen zu übertragen, wobei die Vielseitigkeit des WG bei der Formgebung genutzt werden soll. Wir werden spin-coating-, robocasting-, elektrospinning- und Elektrowriting-Techniken kombinieren, um vielseitige Formgebungsverfahren zur Herstellung von Kompositen zu evaluieren. Dabei spielt die Grenzfläche zwischen polymerer und anorganischer Phase eine wesentliche Rolle. Wir werden die umfangreichen Erfahrungen im Dental-Bereich mit der Verarbeitung von polymeren Adhäsiv-Materialien unter feuchten Bedingungen nutzen. Durch die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens sowohl von natürlichem Zahnschmelz, als auch von WG-basierten Kompositen sollen strukturelle Strategien und Merkmale identifiziert werden, die in ähnlicher oder vollkommen anderer Weise zur Ermüdungsfestigkeit beitragen. Um den relativen Beitrag der hierarchischen Nano- und Mikrostruktur zur Langzeit-Ermüdungsfestigkeit von natürlichem Zahnschmelz und von 2D-/3D-Kompositen auf WG-Basis zu verstehen, werden wir Ermüdungstests an Makro-Proben in einem Kausimulator und an Mikro- und Nanostrukturen mit zyklischer Nanoindentation im zentralen Ermüdungslabor durchführen. Als wichtige Parameter bei der Verarbeitung, Beschichtung, Nachbehandlung und Ermüdungsprüfung der WG-basierten Komposite werden der Wassergehalt, die chemische Zusammensetzung und die Temperatur berücksichtigt. Auf diese Weise werden wir zusammen mit den anderen FOR-Mitgliedern dazu beitragen, zuverlässige Verfahren für die Ermüdungsprüfung von biologischen und bioinspirierten Kompositen zu entwickeln.
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