Hierarchische Struktur-Funktions-Modellierung muskuloskeletaler mineralisierter Gewebe

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Hierarchische Struktur-Funktions-Modellierung muskuloskeletaler mineralisierter Gewebe

Kooperationsprojekt mit Darmstadt und Paris zu muskuloskeletalen mineralisiertem Gewebe

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Teilprojekt des Schwerpunktprogramms SPP1420 "Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials" startete im September 2009 und ist ein gemeinschaftliches Projekt mit der AG Numerik an der TU Darmstadt und dem Laboratoire d'Imagerie Parametrique in Paris.

Muskuloskeletale mineralisierte Gewebe (MMTs) sind Beispiele für natürliche Materialien, die einzigartige Kombination von Festigkeit und Bruchresistenz realisieren. Eine besondere Eigenschaft von MMTs ist, dass diese vielseitige elastische Funktion durch variable strukturelle Organisation einer einzigen Aufbaueinheit, der mineralisierten Kollagenfaser, auf mehreren Hierarchieebenen erreicht wird.

Im ersten Förderzeitraum wurden multimodale Methoden zur Charakterisierung von Struktur, Zusammensetzung und elastischen Eigenschaften von der Nano- bis zur Makroskale für verschiedene MMTs angewendet. Mathematische Modelle, basierend auf diesen Daten, und Homogenisierung erlaubten uns die Ableitung elastischer Eigenschaften auf Mikro-, Meso- und Makroskale. Struktur- und Materialeigenschaften können nun entkoppelt betrachtet und ihr jeweiliger Einfluss auf das elastische funktionale Verhalten auf jeder Skale untersucht werden.

Die weitere Verbesserung der experimentellen Methoden auf der Mikro- und Submikroskale, mit dem Ziel, die Robustheit der Daten zu erhöhen, steht im Fokus der zweiten Antragsperiode. Weiterhin werden Modellbildung und Simulation auf verschiedene MMTs und künstliche, hierarchisch strukturierte Materialien systematisch angewendet.

Unsere Ziele sind die Bereitstellung von validierten Daten zu MMTs und künstlichen Strukturen auf multiplen Skalen und zugehörige Modellierungswerkzeuge sowie die Ableitung verallgemeinerter Konstruktionsprinzipien für das in-silico Design hierarchisch strukturierter (biomimetischer) Materialien mit gewünschten elastischen Eigenschaften.


Bildnachweis: Raum K, Grimal Q, Laugier P, Gerisch A. Multiscale structure-functional modeling of lamellar bone. POMA Vol. 9, pp. 020005 (March 2011); (15 pages)