rositz - dgzfp forscht/rw rositz 2013.pdf · biofunktionalisierung von implantatwerkstoffen durch...
Post on 19-Oct-2020
2 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
Biofunktionalisierung von Implantatwerkstoffen durch Laserstrukturierung
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
ROSITZ
Jugend forscht 2013
Franka Fiedler
Michael Seifert
Lukas Müller
Schule:
Angergymnasium JenaJena
-
Biofunktionalisierung von Implantatwerkstoffen
durch Laserstrukturierung
Teilnahme am Regionalwettbewerb
Jugend forscht Ostthüringen
im Fachbereich Physik
vorgelegt von:
Franka Fiedler
Lukas Müller
Michael Seifert
Jena, 03.01.2013
-
2
Kurzfassung
Ein schmerzfreies und einschränkungsarmes Leben wird heutzutage als selbstverständlich
angesehen. Aber die bislang verwendeten Implantate können diesen Standard nicht
gewährleisten. Dieses Problem bot einen interessanten Forschungsansatz und warf die Frage
auf, ob eine Strukturierung von Titanimplantaten deren Eingliederung in den menschlichen
Organismus optimiert.
Die Arbeit wurde vom Institut für Materialwissenschaften und Werkstofftechnologie der
Friedrich Schiller Universität Jena begleitet. Dort wurde uns das Experimtentieren mit einem
CO2-Laser ermöglicht. Dabei wurden Titanplatten verschieden strukturiert. Die Auswertung
erfolgte mittels eines Lichtmikroskops.
Es sollte aufgezeigt werden, dass es möglich ist, mit dem Laser eine Titanoberfläche beliebig
zu strukturieren und damit eine Verbesserung der Implantaten zu realisieren. Diese
Verbesserungen sollten auch in der industriellen Produktion einsetzbar sein.
Titan stellte sich als geeigneter Implantatwerkstoff heraus, aufgrund seiner hervorragenden
mechanischen und vergleichsweise guten biologischen Eigenschaften. Um jedoch den
Integrationsprozess in den Organismus zu optimieren, müssen die biologischen Eigenschaften
verbessert werden. Oberflächenvergrößerung durch Strukturierung erzielt eine hinreichende
Biokompatibilität. Die Oberflächenstrukturierung ist für die feste Eingliederung von
Implantaten in den Körper von Vorteil. Sie garantiert eine bessere Verträglichkeit des
Implantats mit dem Körper.
Unsere Experimente haben gezeigt, dass eine beliebige Strukturierung der Oberfläche mit
dem Laser möglich ist. Um den Integrationsprozess zu beschleunigen, bietet sich eine
rillenförmige Strukturierung (der Oberfläche des menschlichen Knochens entsprechend) oder
eine, welche die Oberfläche maximiert, an. Dadurch wird das Anwachsen der Zellen
beschleunigt und damit die Genesungszeit nach der Operation für den Patienten verkürzt.
Bei der Wahl eines geeigneten Gases bietet sich Sauerstoff als Reaktivgas an, da es den
Materialabtrag erhöht. Außerdem wird hier die Ausbildung einer Titanoxidschicht gefördert,
die die Gefahr einer Abwehrreaktion des Körpers auf das Implantat verringert.
Ebenfalls hat sich das Prinzip der Verwendung einer selbstklebenden Polymerfolie bewährt,
da eine wesentlich sauberere Strukturierung erreicht wurde.
Die Steigerung der Biokompatibilität durch Oberflächenstrukturierung ist bloß eine durch
theoretische Überlegungen gut begründete Annahme. Eine praktische Bestätigung am
menschlichen Organismus war im Rahmen dieser Facharbeit nicht möglich. Wie eine solche
Strukturierung (eine knochenähnliche oder eine, die auf eine maximale Oberfläche
ausgerichtet ist) in der Praxis besser angenommen wird, ist noch experimentell genauer zu
untersuchen. Trotz allem sind keine Nachteile gegenüber einem Titanimplantat, dessen
Oberfläche nicht strukturiert wurde, erkennbar.
Dieses Verfahren kann jedoch nicht die endgültige Lösung des Implantatproblems sein. Es
besteht nach wie vor die Möglichkeit, dass der Körper das Implantat abstößt; die
Wahrscheinlichkeit könnte lediglich verringert werden. Das Implantat wäre nach wie vor kein
vollkommener Ersatz des ursprünglichen Körperteils. Das beschriebene Verfahren wäre nur
die Verbesserung der bisherigen Methode.
-
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Theoretische Grundlagen 4
2.1 Biokompatibilität 4
2.1.1 Biotolerant 4
2.1.2 Bioinert 4
2.1.3 Bioaktiv 4
2.1.4 Mögliche Reaktionen des Körpers auf das Implantat 5
2.2 Strukturierung von Titan mit CO2-Lasern 5
2.2.1 Titan als Implantatwerkstoff 5
2.2.1.1 Vorkommen 5
2.2.1.2 Eigenschaften 5
2.2.1.3 Titanverwendung in der Medizin 6
2.2.2 Der CO2-Laser 6
2.2.2.1 Aufbau 6
2.2.2.2 Funktion 7
2.2.2.3 Materialabtrag mit dem CO2-Laser 8
2.2.2.4 Erzeugung kurzer CO2-Laserimpulse 8
2.2.3 Programmierung des CO2-Lasers 9
3 Experimentelle Ergebnisse 9
3.1 Experiment vom 21.11. 2011 9
3.2. Experiment vom 18.04.2012 13
4 Diskussion der Ergebnisse 15
5 Zusammenfassung und Ausblick 17
6 Quellenverweise 18
7 Literaturverzeichnis 19
8 Eidesstattliche Erklärung 22
9 Danksagung 23
-
3
1 Einleitung
„Nach einer Starteuphorie wurde der Laser spöttisch als hervorragende Problemlösung
bezeichnet, der nur das lösbare Problem fehle.“ (Prof. Dr. i. R. Bernd Wilhelmi)
Zum Zeitpunkt der Entwicklung des Lasers war diese neuartige Technologie ihrer Zeit
voraus. Mit der Verbesserung des Lasers haben sich jedoch immer mehr
Einsatzmöglichkeiten aufgetan. Eine davon ist die Bearbeitung von Oberflächen. Diese
Anwendung findet auch immer mehr in der Medizin Verbreitung.
Auf Grund des allgemein angestiegenen Lebensstandards in Verbindung mit dem
voranschreitenden demographischen Wandel wird an die Medizin die Forderung gestellt,
ein bis ins hohe Alter schmerzfreies und einschränkungsfreies Leben zu sichern. In Folge
der gewachsenen Ansprüche spielen Implantate eine immer größere Rolle.
Implantate sollen eine hohe Lebensdauer und gute Verträglichkeit mit dem Organismus
aufweisen – sie sollen einen gleichwertigen Ersatz für das entsprechende Körperteil
bieten.
Derzeit sind die Implantate diesen Anforderungen nur bedingt gewachsen. Eine geringe
Lebensdauer von etwa 10 bis 15 Jahren in Verbindung mit der gestiegenen
Lebenserwartung führen zu zusätzlich notwendigen Operationen, da die Implantate
regelmäßig erneuert werden müssen. Ein weiteres Problem stellt der langwierige
Integrationsprozess des Implantats in den Organismus dar. Außerdem besteht die
Möglichkeit, dass der Körper das Implantat abstößt. Dies erhöht die physische, psychische
und finanzielle Belastung auf die Patienten.
Hier erkannten wir Verbesserungspotenzial. Als eine Möglichkeit die Implantat-
eigenschaften zu optimieren, stellte sich die Strukturierung der Werkstoffoberflächen
heraus. Diese Überlegungen bildeten die Basis für unsere Forschungsarbeit. Die Resultate
der dafür durchgeführten Recherche und Experimente möchten wir in unserer Arbeit
vorstellen.
-
4
2 Theoretische Grundlagen
Die Arbeit wurde vom Institut für Materialwissenschaften und Werkstofftechnologie der
Friedrich Schiller Universität Jena begleitet. Dort wurde uns das Experimtentieren mit einem
CO2-Laser ermöglicht. Dabei wurden Titanplatten verschieden strukturiert. Die Auswertung
erfolgte mittels eines Lichtmikroskops.
Es sollte aufgezeigt werden, dass es möglich ist, mit dem Laser eine Titanoberfläche beliebig
zu strukturieren und damit eine Verbesserung der Implantaten zu realisieren. Diese
Verbesserungen sollten auch in der industriellen Produktion einsetzbar sein.
Um ein ausreichendes Verständnis zur Thematik gewährleisten zu können, war die
Auseinandersetzung mit einigen Fachbegriffen und Materialien nötig.
2.1 Biokompatibilität
Biokompatibilität bezeichnet die Eigenschaft eines Werkstoffes, bei direktem Kontakt mit
lebendem Gewebe keine Störung des zugehörigen Stoffwechsels auszuüben. Ein
biokompatibler Werkstoff ist in der Implantologie von entscheidender Wichtigkeit, da sich
hier besagter direkter Kontakt über einen besonders langen Zeitraum erstreckt.
Eine Beschichtung mit einem biokompatiblen Material oder eine Strukturierung der
Oberfläche kann dazu dienen, einen nicht oder ungenügend biokompatiblen Stoff
entsprechend aufzuwerten („Oberflächenkompatibilität“). Der Stoff wird biofunktionalisiert.
Eine strukturelle Biokompatibilität wird erreicht, wenn hierbei eine Angleichung in Form und
Struktur an das Empfängergewebe erfolgt. Eine knochenähnliche Oberfläche kann durch eine
rillenförmige Strukturierung der Oberfläche des Titanwerkstücks erzeugt werden. Außerdem
wird durch diese Strukturierung die Oberfläche vergrößert, was die Angriffsfläche für die
Zellen vergrößert, welches den Einwachsprozess des Implantats in den Organismus erleichtert
und die spätere mechanische Stabilität des Implantates im Körper verbessert.
Ist der Stoff biokompatibel, so erfolgen beim direkten Kontakt mit dem Empfängergewebe
keine negativen Reaktionen.
Man unterscheidet den Begriff der Biokompatibilität in biotolerante, bioinerte und bioaktive
Werkstoffe. [1], [2]
2.1.1 Biotolerant
Ist der Werkstoff biotolerant, so treten während der Anwendung des Implantats im
Empfängergewebe keinerlei negative Modifikationen wie toxische Reaktionen oder eine
Beeinträchtigung des Zellgewebes auf. [1], [2]
2.1.2 Bioinert
Unter dem Begriff „bioinert“ ist das Ausbleiben einer Interaktion zwischen Werkstoff und
Empfängergewebe bezüglich chemischen, biologischen oder toxischen Reaktionen zu
verstehen. Zwar ist dieser Zustand nie vollständig gegeben, da immer eine gewisse
Wechselwirkung auftritt, jedoch ist von einem bioinerten Werkstoff die Rede, wenn die
Interaktion (wie ein Eintrag körperfremder Substanzen) innerhalb eines bestimmten Rahmens
stattfindet. [1], [2]
2.1.3 Bioaktiv
Eine Bioaktivität ist gegeben, wenn eine Adhäsion des Knochens an das anliegende Implantat
möglich ist. Die Umwandlung eines bioinerten in einen bioaktiven Werkstoff kann durch eine
Beschichtung erreicht werden. Im Falle einer erfolgreichen Adhäsion kann in Abhängigkeit
des Werkstoffs die Umwandlung des Implantatwerkstoffs beziehungsweise dessen bioaktiver
-
5
Beschichtung in organisches Knochenmaterial erfolgen. Diese Synthese ist im Gegensatz zu
bioinerten Verbindungen in der Lage, mechanische Kräfte zu übertragen. [1], [2]
2.1.4 Mögliche Reaktionen des Körpers auf das Implantat
Nach dem Einsetzen des Implantats gibt es mehrere mögliche Reaktionen des Organismus auf
den eingesetzten Fremdkörper.
Es kann zur gewünschten Reaktion kommen und die Zellen wachsen an das Implantat an. In
diesem Fall wird das Implantat vollständig in den Körper integriert.
Es kann aber auch zu nicht gewünschten Reaktionen kommen:
Eine davon ist die direkte Reaktion durch das umliegende Gewebe auf das Implantat, wobei
es sich entzünden kann. Außerdem kann der Körper das Implantat als Abwehrreaktion
abkapseln. Das bedeutet, dass das Implantat nicht einwächst, damit keine ausreichende
Bindung zum umliegenden Gewebe hat und damit hohen Belastungen nicht standhalten kann.
In Folge von Korrosion können indirekte Auftreten, welche eine Anreicherung von
Metallionen im Körper bewirken können. Wird eine kritische Konzentration dieser Ionen
überschritten (10-3
mol/l), setzt eine toxische oder allergische Reaktion ein [3]
2.2 Strukturierung von Titan mit CO2-Lasern
2.2.1 Titan als Implantatwerkstoff
2.2.1.1 Vorkommen
Titan zählt zu den häufigsten Elementen der festen Erdkruste. In der Natur kommt es in
zahlreichen Mineralien und Gesteinen vor. Zumeist ist es nur in geringen Mengen enthalten.
Beispiele für Titanminerale sind Ilmenit, Rutil, Anatas, Brookit, Perowskit, Titanit. Jedoch
können nur Rutil (TiO2) und Ilmenit (FeTiO3) als Ausgangsstoffe für die Gewinnung des
reinen Metalls von Titan genutzt werden. Der überwiegende Teil der abgebauten Titanerze
dient der Herstellung von Titandioxid. [4], [5], [6]
2.2.1.2 Eigenschaften
Das als Werkstoff verwendete Titan wird technisches Titan genannt, da es nicht im reinen
chemischen Zustand vorliegt, sondern geringe Mengen anderer Metalle enthält – es wird als
Legierung verwendet. Die von uns verwendete Titanlegierung ist Ti6Al4V.
Technisches Titan weist eine hohe Festigkeit bei relativ geringer Dichte auf. Diese hohe
Festigkeit behält es bis zu Temperaturen von 200 - 500 °C bei. Beim Vergleich von Titan mit
Stahl fällt auf, dass sich die Festigkeit von Titan im Bereich von vergüteten Stählen befindet,
wobei das spezifische Gewicht von Titan nur 4,507g/cm3 beträgt, was etwa 56% der
Stahldichte entspricht. Somit wird die gleiche Festigkeit bei etwa halbem Gewicht erzielt.
Titan weist eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit und eine starke chemische
Reaktivität gegenüber Sauerstoff auf. Durch die schnelle Reaktion mit Sauerstoff wird an der
Luft vom Werkstoff eine oxidische Schutzschicht ausgebildet. Diese ist vorteilhaft, da sie die
Korrosions- und Erosionsbeständigkeit erhöht. Außerdem wird das Werkstück gegenüber
verdünnter Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltigen Lösungen, kalter Salpetersäure und den
meisten organischen Säuren und Laugen beständig. Hinzu kommt, dass diese Oxidschicht
Titan biokompatibel macht.
Titan ist nicht toxisch und weist eine knochenähnliche Elastizität auf. Wegen seiner
antimagnetischen Eigenschaft agiert es selbst im Umfeld starker Wirbelstromfelder völlig
unempfindlich, während sich andere gängige Materialien stark aufheizen.
Die Schmelztemperatur von Titan beträgt ca. 1660 °C und die Siedetemperatur ca. 3290 °C.
Die Differenz der beiden Werte ist sehr groß, was bei der Strukturierung von Werkstücken
mit dem CO2-Laser zu beachtet ist. Eine präzise Strukturierung erfordert hohe
-
6
Strahlungsintensitäten, da der Werkstoff vorrangig verdampft und möglichst wenig
aufgeschmolzen werden soll. Da Titan beim Erhitzen unter Anwesenheit von Sauerstoff
verbrennt, müssen kurze Strahlungsimpulse verwendet werden, damit das Werkstück nicht
entflammt. [4], [5], [6]
2.2.1.3 Titanverwendung in der Medizin
Titan verhält sich im menschlichen Körper bioinert und findet daher breite Anwendung als
Implantatwerkstoff. Die Titanoxidschicht hat passivierende Eigenschaften, was das Element
besonders verträglich macht. Außerdem ermöglicht sie das feste Anwachsen von Knochen am
Implantat, was den dauerhaften Einbau in den menschlichen Körper ermöglicht.
Titan lässt sich gut als Werkstoff bearbeiten. Durch die sehr gute Korrosionsbeständigkeit
zersetzt es sich nicht im Körper.
Anwendung findet Titan häufig als Biomaterial für Implantate in der Medizin (orthopädisches
Implantat) und Zahnheilkunde. Jährlich werden ca. 200.000 Zahnimplantate allein in
Deutschland in den menschlichen Körpern implantiert. Zusätzlich zu Zahnimplantaten findet
Titan Verwendung bei Zahnkronen und Zahnbrücken. Hierbei fallen erheblich niedrigere
Kosten im Vergleich zum Beispiel zu Goldlegierungen an. Auch in der chirurgischen
Orthopädie, zum Beispiel bei metallischen Beinprothesen, Hüftgelenksprothesen, Hüftkopf-
und Kniegelenkersätzen wird Titan verwendet. Hinzu kommt die Mittelohrchirurgie:
Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und Paukenröhrchen werden aus Titan gefertigt. [7]
2.2.2 Der CO2-Laser
Der Laser ist ein für die Materialbearbeitung äußerst geeignetes Werkzeug. Man ist mit ihm in
der Lage, sehr genau sehr kleine und komplexe Strukturen (bis in den
Mikrometermeterbereich) zu erzeugen, was mit herkömmlichen mechanischen Werkzeugen
unmöglich wäre. Er hat außerdem im Gegensatz zu diesen praktisch keinen Verschleiß, ist
effizient und besitzt einen hohen Automatisierungsgrad, was eine wichtige Voraussetzung für
eine mögliche spätere Massenproduktion oberflächenstrukturierter Implantate ist. So ist er
nicht nur im technischen, sondern auch im wirtschaftlichen Sinn eine geeignete Möglichkeit
zur Oberflächenstrukturierung. Der CO2-Laser wird aufgrund seiner Effizienz und seiner
hohen Leistung eingesetzt. [8]
2.2.2.1 Aufbau
Der Aufbau des CO2-Lasers setzt sich aus drei Hauptkomponenten, dem Resonator, dem
aktiven Medium und der zugeführten Pumpenergiezufuhr zusammen (Abb. 1). Der Resonator
besteht aus 2 Spiegeln, wobei einer nahezu 100% reflektiert und der andere einen Teil der
Strahlung transmittiert. Das aktive Medium besteht beim CO2-Laser ein Gasgemisch aus
Kohlendioxid, Helium und Stickstoff. Dieses wird durch elektrische Energiezufuhr angeregt,
wodurch das Laserprinzip zum Tragen kommt. [8], [9]
Abb. 1: Schematischer Aufbau des Lasers
Quelle: Gräf: Vorlesungsskript Laser in der Materialbearbeitung FSU Jena
-
7
2.2.2.2 Funktion
Die Grundlage des Laserprinzips ist die Absorption von Energie durch das aktive Medium
und die darauffolgende Emission von Lichtquanten. Man unterscheidet in spontane und
stimulierte Emission.
Bei der spontanen Emission fallen durch Absorption von Energie angeregte Teilchen (Abb. 2)
spontan wieder in einen energetisch niedrigeren Zustand zurück. Dabei wird die
Energiedifferenz in Form eines Photons abgegeben (Abb. 3). Diese Form der Emission ist
praktisch nicht nutzbar, da sie nicht vorhersagbar stattfindet (deshalb spontane Emission). Sie
tritt beim Laser zwar auch in geringer Form auf, ist aber eher Stör- als Nutzfaktor.
Die stimulierte Emission ist die Voraussetzung für die Funktion des Lasers. Sie wurde 1916
erstmals von Albert Einstein vorhergesagt und konnte 1928 von Rudolf Ladenburg
experimentell nachgewiesen werden. Dabei kommt die sogenannte Besetzungsinversion zum
Tragen. Sie stellt einen Zustand dar, bei dem sich mehr Teilchen in einem angeregten
Energieniveau befinden als im Grundniveau. Im aktiven Medium treffen Photonen auf diese
angeregten Teilchen. Durch Wechselwirkungen mit den Photonen fallen die angeregten
Teilchen auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück und die Energiedifferenz wird in Form
eines Photons abgegeben, welches dem ersten Photon in seinen Eigenschaften (Richtung,
Kohärenz, Frequenz, Polarisation) gleicht. (Abb. 4)
Beim CO2-Laser wird das Prinzip wie folgt realisiert:
Das aktive Medium setzt sich hier, neben Kohlendioxid, auch aus Stickstoff und Helium
zusammen. Nun werden die Stickstoffmoleküle in einer Gasentladung angeregt. Sie
übertragen ihre Energie mittels Stößen auf die CO2-Moleküle. Dadurch kommt es zur
Besetzungsinversion, einem Zustand, „indem sich mehr Atome in einem, angeregtem Zustand
befinden, als im Grundzustand.“
N2* + CO2 CO2*+N2 +ΔE * = angeregt
Die Energiedifferenz wird in Form eines Photons abgegeben. Wenn diese Photonen auf ein
weiteres angeregtes Teilchen trifft, wie ein angeregtes CO2-Molekül, wird dabei ein weiteres
Photon mit gleichen Eigenschaften emittiert. Das Molekül geht dabei in einen relativ
langlebigen Energiezustand über.
Dieser Zustand wird aufgehoben, wenn angeregte CO2-Moleküle auf im Gasgemisch
befindliche Heliumatome treffen, ihre kinetische Energie durch Stöße an diese abgeben und
wieder in ihren Ausgangszustand zurückfallen.
Durch die gleichen Eigenschaften der emittierten Photonen, welche zwischen den Spiegeln
reflektiert werden, wird vom Laser ein annähernd paralleler Photonenstrahl ausgesandt. [10]
Abb. 2: Absorption von
Energie
Quelle: Gräf: Vorlesungsskript
Laser in der
Materialbearbeitung FSU Jena
Abb. 3: spontane Emission
Quelle: Gräf: Vorlesungsskript
Laser in der
Materialbearbeitung FSU Jena
Abb. 4: induzierte Emission
Quelle: Gräf:
Vorlesungsskript Laser in der
Materialbearbeitung FSU
Jena
-
8
2.2.2.3 Materialabtrag mit dem CO2-Laser
Mit dem Laser ist man in der Lage Metalle oder andere Werkstoffe beispielsweise zu
schneiden oder zu strukturieren. In beiden Fällen wird Material abgetragen. Dabei wird der
Laserstrahl auf die zu bearbeitende Fläche fokussiert, wodurch den Atomen um diesen
Bereich durch die Laserstrahlung Energie zugeführt wird. Dabei wird die Energie von den
Elektronen absorbiert, welche die Energie durch Stöße an das Metallgitter weitergeben.
Aufgrund ihrer erhöhten Energie fangen die Teilchen an stärker zu schwingen. Wenn die
zugeführte Energie groß genug ist, lösen sich Atome aus dem Metallgitter; sie werden
verdampft. Um den Materialabtrag effizienter zu gestalten, kann man zusätzlich Gase auf die
zu bearbeitende Oberfläche leiten. [11]
2.2.2.4 Erzeugung kurzer CO2-Laserimpulse
Bei vielen technischen Anwendungen des Lasers wird allerdings nicht mit einem
kontinuierlichen Laserstrahl gearbeitet, sondern mit gepulster Laserstrahlung. Ein Vorteil
dieser gepulsten Laserstrahlung ist zum einen die höhere erreichbare Spitzenleistung bei
gleichbeliebender mittlerer Leistung und zum anderen die Reduzierung der thermischen
Belastung für das Werkstück.
Da bei Titan Schmelz- und Siedepunkt sehr weit auseinander liegen (Ts=1668°C; Tv=3287°C)
hätte eine kontinuierliche Laserstrahlung ein starkes Aufschmelzen des Werkstücks um die zu
bearbeitende Oberfläche zur Folge (Abb. 5). Dies würde zu einer unpräzisen Strukturierung
führen. Eine gepulste Strahlung verhindert dies und sorgt außerdem für präzisere Strukturen.
Pulse können beispielsweise durch Modulatoren erzeugt werden (Abb. 6 und 7). Ein
Modulator besteht aus 2 optischen Platten (Zinkselenid), deren Innenseite verspiegelt ist und
deren Außenseite annähernd 100% der Strahlung transmittiert. Der Abstand der Platten wird
mittels Spulen gesteuert.
Dadurch kann zwischen minimaler und maximaler Transmission geschaltet werden
Legt man die maximale Transmission des Modulators zeitgleich zum Leistungshoch eines
ankommenden Laserpulses, entsteht ein sehr kurzer und energiereicher Strahlungspuls (Abb.
8). Dadurch erreicht man eine hohe Intensität bei einer geringen thermischen Belastung des
Werkstücks, weshalb man das zu bearbeitende Werkstück exakter und mit geringeren
Schmelzrändern strukturieren kann. [9]
Abb. 5: Einfluss der Pulsdauer auf den
definierten Materialabtrag
Quelle: A. Wetzig: Laser in Fein- und
Materialbearbeitung Fraunhofer Institut IWS
Dresden
Abb. 6: Prinzip Wirkungsweise eines
Modulators
Quelle: Gräf Vorlesungsskript: Einsatz von
Lasern in der Fertigungstechnik FSU Jena
d = Abstand der Platten
I0 = Ausgangsintensität
It = Intensität der transmittierenden Strahlung
-
9
Abb. 7: Modulator Abb. 8: gepulste Laserstrahlung im Energie-Zeit-
Diagramm
Schwarz: Laserpuls
Rot: durch Modulator beeinflusster Laserpuls
Quelle: Gräf: Vorlesungsskript Laser in der
Materialbearbeitung FSU Jena
2.2.3 Programmierung des CO2-Lasers
Mit dem Laser lassen sich beliebige Strukturen erzeugen. Um eine gewünschte Struktur
realisieren zu können, ist eine Programmierung erforderlich. Das Werkstück wird auf eine
bewegliche Oberfläche arretiert, während die Laserdüse unbeweglich ist. Die Steuerung
dieser Oberfläche ist zwar von Hand möglich; beim Arbeitsvorgang wird diese vom
Computer übernommen. Für die Programmierung verwendet man ein fiktives
Koordinatensystem, dessen Koordinatenursprung von der Düse ausgeht. In den Quelltext gibt
man Befehle ein, wie sich die Unterlage relativ zur Laserdüse verschieben soll. Außerdem
bestimmt man den Versatz und die Geschwindigkeit sowie den zeitlichen Abstand der Pulse
an. Für die Programmierung sind gewisse Befehle erforderlich. Diese setzten sich aus einer
Ordnungsnummer und einer zugeordneten Aktion zusammen. Die Ordnungsnummer besteht
aus einem N und einer fortlaufenden Zahl beginnend mit 100.
3 Experimentelle Ergebnisse
Die Experimente wurden im Laserlabor des Instituts für Materialwissenschaft und
Werkstofftechnologie (IMT) der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt
3.1 Experiment vom 21.11.2011
Vorbetrachtung:
Bei diesem Experiment sollten kreisrunde Bohrungen mit dem CO2-Laser auf der Oberfläche
eines Titanwerkstücks erreicht werden. Diese sollten wenig Schmelzanteil und keine Spritzer
aufweisen. Der Abstand zwischen den einzelnen Bohrungen sollte gleichmäßig sein.
-
10
Tabelle 1: Verwendete Parameter
verwendetes Gas: Argon (Schutzgas) bzw. Sauerstoff
(Reaktivgas)
Druck: 1,2 bar
Abstand zwischen Düsenunterkante und
Fokus:
0,7mm (Fokus wurde auf die Oberfläche
gelegt)
Pulslänge: 7µs
Pulse/Bohrung: 5
Anzahl Löcher: 4x4
Sonstiges: Verwendung selbstklebender Polymerfolie
Oberflächenbetrachtung Titan
Die Oberfläche der unbearbeiteten Titanproben ist durch eine relativ geringe Rauigkeit
charakterisiert. Dies wird erst bei starker Vergrößerung offensichtlich. Erhebungen und
Tiefen entsprechen oft nur wenigen Mikrometern. Die Werkstücke sind angeraut, wodurch
bereits eine geringe Oberflächenvergrößerung erreicht wurde (Abb. 9).
Abb. 9: Oberfläche eines unbearbeitenden Titanwerkstücks; 20x Vergrößerung
Bearbeitung: Ohne Folie: Sauerstoff und Argon im Vergleich
(Abb. 10 und 11)
Form:
Bei der Verwendung von Sauerstoff bildet sich eine kreisrunde Form der Bohrungen. Daraus
ergibt sich, dass es mit Sauerstoff prinzipiell möglich ist, die Strukturen so zu erzeugen, wie
man sie dem Laser vorgibt.
Der Schmelzrand um die Bohrung ist sehr groß und vielschichtig. Die Spritzer erstecken sich
in einem Gebiet mit einem maximalen Abstand von bis zu etwa 2,25 mm vom Bohrloch
entfernt. Das kommt dadurch zustande, da sich der Schmelzanteil, der sich im Bohrloch
bildet, durch das Arbeitsgas ausgetrieben und um das Loch herum abgelagert wird.
Bei der Verwendung von Argon ist die Form der Bohrungen nicht rund, da die Schmelze
stellenweise an der Innenseite der Bohrungen in das Loch gelaufen ist.
-
11
Da Sauerstoff als Reaktivgas mehr Intensität als das Schutzgas Argon besitzt, ist der
Materialabtrag größer. Der Schmelzrand ist wie bei Sauerstoff sehr groß und vielschichtig.
Die Spritzer haben mehr eine „klecksartige“ Gestalt; sie sind nicht so zahlreich und auch nicht
so weit vom Loch entfernt wie bei der Sauerstoffprobe. Das entsteht vermutlich dadurch, dass
beim Sauerstoff das Material besser verdampft wird, was durch die kreisrunden Löcher belegt
werden kann, währenddessen bei Argon mehr Schmelze entsteht, die teilweise zurück ins
Loch läuft.
Aus diesen Beobachtungen ergibt sich, dass unter den gegebenen Voraussetzungen keine
saubere Strukturierung der Titanplatte möglich ist. Die Schmelzränder und die Spritzer bzw.
Kleckse sind bei Argon und Sauerstoff zu groß, sodass diese bei aufwendigeren
Strukturierungen bis zu benachbarten Löchern reichen und somit die Strukturierung zerstören
würden.
Größe:
Unter Verwendung von Sauerstoff ergibt sich ein Durchmesser der Bohrungen von etwa 150
μm und die Schmelzrandbreite beträgt circa 50 bis 100 μm.
Unter Verwendung von Argon ergibt sich ein Durchmesser der Bohrungen von etwa 80 μm
und eine Schmelzrandbreite bis zu etwa 50 μm. Bei gleichbleibenden Parametern des CO2-
Lasers ist der Wert des Durchmessers der Bohrungen bei Sauerstoff etwa doppelt so groß wie
bei Argon. Dies ist damit zu begründen, dass bei Argon die Schmelze zurück in das Loch
läuft und sich dadurch der Durchmesser verkleinert.
Abb. 10: Bohrung mit Sauerstoff ohne
Verwendung einer Schutzfolie; 20x
Vergrößerung
Abb. 11: Bohrung mit Argon ohne
Verwendung einer Schutzfolie; 20x
Vergrößerung
Argon mit Folie
Durch die Verwendung einer Schutzfolie haben die Bohrungen eine kreisähnliche Form;
Schmelzrückstände sind bei allen Vertiefungen erkennbar, allerdings in unterschiedlichem
Ausmaße und an unterschiedlichen Stellen. Diese sind jedoch wesentlich geringer als ohne
Folie. Spritzer um die Bohrungen sind nicht vorhanden.
Die unterschiedliche Helligkeit der Bohrungen kann auf unterschiedliche Tiefe der jeweiligen
Bohrgründe hinweisen. (Diese Tatsache könnte auch durch die Beleuchtung des
Lichtmikroskops verfälscht werden.)
Die Schmelze ist teilweise in die Bohrungen hineingelaufen. (Abb. 12)
Die Abmessungen der Löcher betragen 50 – 70 µm.
-
12
Sauerstoff mit Folie
Versuch 1: (Abb. 13)
Die Form der Bohrungen ist kreisrund bis oval mit minimalen Unregelmäßigkeiten.
Im Vergleich zu den Experimenten mit Argon ist der Schmelzrand sehr gering, aber noch
vorhanden. Es traten keine Spritzer auf. Die Blaufärbung ist durch die Bildung einer
Titanoxidschicht zu erklären. Der Oberflächendurchmesser beträgt etwa 70 – 80 µm.
Versuch 2:
Die Parameter im Vergleich zu Versuch 1 sind nicht verändert worden. Die Form der
Bohrungen ist ideal (kreisrund). Die Schmelze ist weniger ausgeprägt; Schmelzränder sind
kaum bis gar nicht ausgeprägt. Spritzer sind wie bei Versuch 1 nicht vorhanden. Sichtbar wird
auch, dass die Blaufärbung, die in Versuch 1 sehr deutlich war, stark reduziert wurde.
Abb. 12: Bohrung mit Argon und Verwendung
einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung
Abb. 13: Bohrung mit Sauerstoff und
Verwendung einer Schutzfolie, 20x
Vergrößerung
Allgemein
Es ist gelungen die Bohrungen in einem gleichmäßigen Raster anzuordnen. Die vereinzelten
hellen Stellen auf der Titanoberfläche könnten Klebereste der Folie sein.
Fazit
Zur Auswertung des Experiments lässt sich folgendes zusammenfassen:
Die Verwendung der selbstklebenden Polymerfolie hat bessere Resultate erzielt, da hier eine
bessere und kontrolliertere Absorption am Start des Bohrprozesses stattfindet. Die
Schmelzränder waren geringer und Spritzer waren nicht vorhanden. Das hat die Ursache, dass
das herausgelöste Material sich auf der Folie ablagerte. Beim Abziehen der Folie vom
Titanwerkstück wurde dieses entfernt. Die Tiefe der Bohrungen mit Folie könnte etwas
geringer sein, da der erste Puls teilweise in der Folie absorbiert wird und somit nicht mehr
vollständig zum Materialabtrag in der Titanprobe zur Verfügung steht.
Im Vergleich der Arbeitsgase erweist sich Sauerstoff als besser geeignet. Die Form der
Bohrungen mit Sauerstoff ist runder als bei Argon.
Sauerstoff als Reaktivgas fördert die Reaktion mit dem Titanwerkstück, somit wurden beim
Durchmesser und vermutlich der Tiefe höhere Werte erreicht.
Für nachfolgende Experimente bietet es sich an, mit Sauerstoff und Folie weiterzuarbeiten.
-
13
3.2 Experiment vom 18.04.2012 Vorbetrachtung
Bei diesem Experiment sollten Gräben mit dem CO2-Laser auf der Oberfläche eines
Titanwerkstücks gezogen werden, die gerade Kanten, wenig Schmelzanteil, keine Spritzer
und eine ausreichende Tiefe aufweisen.
Verwendete Parameter:
Verwendetes Gas: Graben 1-7: Sauerstoff
Graben 8: Argon
Druck: 1 bar
Abstand zwischen Düsenunterkante und
Fokus:
0,7mm (Fokus wurde auf die Oberfläche
gelegt)
Pulslänge: 10µs
Gesamtlänge eines Grabens 5mm
Sonstiges: Verwendung selbstklebender Polymerfolie
Durchführung
Um Grabenstrukturen zu erzeugen, wurden Bohrungen so aneinandergereiht, dass sie sich
überlappen. Um eine ausreichende Breite und dabei einen gleichmäßigen Abtrag zu erzielen,
wurde eine weitere Reihe parallel zur ersten reißverschlussartig versetzt.
Beobachtung
Mit Hilfe der Gräben 1-3 sollten die nötigen Parameter für den geeigneten Versatz in x-
Richtung ermittelt werden. (Dabei wurde die eine Seite als x-Richtung definiert und die
Normale zur x-Richtung als y-Richtung festgelegt.) Dementsprechend wurde die
Geschwindigkeit des Objektträgers erhöht; dadurch wurde der Abstand der Bohrungen
vergrößert (Abb. 14, 15 und 16).
Bei Graben 4 wurde der Versatz in y-Richtung mit 60 µm festgelegt, was eine
reißverschlussartige Aneinanderreihung der Bohrungen ergab (Abb. 17). Bei den Gräben 5
wurde die Geschwindigkeit des Objektträgers verringert, sodass eine größere Überlappung der
einzelnen Bohrungen entstand (Abb. 18). In Graben 6 wurde die Programmierung von Graben
5 übernommen; die Anzahl der Durchläufe wurde erhöht um eine größere Tiefe der zu
erzeugenden Struktur zu realisieren. Um einen ebenen Grabengrund zu erreichen, wurde ein
letzter Durchlauf mit stark verringerter Geschwindigkeit hinzugefügt. Dadurch wurde ein
optimales Ergebnis erzielt (Abb. 19). Um nochmals den Vergleich zu Argon zu ziehen, ist der
letzte Graben mit diesem Gas durchgeführt wurden. Bei gleichen Rahmenbedingungen wurde
ein geringerer Abtrag und damit eine geringere Oberflächenvergrößerung erzielt (Abb. 20).
-
14
Abb. 14: Graben 1 mit Sauerstoff unter
Verwendung einer Schutzfolie; 10x Vergrößerung
Abb. 15: Graben 2 mit Sauerstoff unter
Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung
Abb. 16: Graben 3 mit Sauerstoff unter
Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung
(Hinweis: Die weißen Stellen in der unteren
Bildmitte könnten Rückstände der Schutzfolie
sein)
Abb. 17: Graben 4 mit Sauerstoff unter
Verwendung einer Schutzfolie; 10x Vergrößerung
Abb. 18: Graben 5 mit Sauerstoff unter
Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung
Abb. 19: Graben 6 mit Sauerstoff unter
Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung
Wendestelle
-
15
Abb. 20: Graben 7 mit Argon unter Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung
Fazit
Es ist gelungen, eine Strukturierung sowohl in x-Richtung, als auch in y-Richtung zu
schaffen. Die Wendestelle des Lasers, also der Übergang von x- in y-Richtung hatte keine
negativen Auswirkungen auf die Strukturierungen; auch hier waren die Kanten glatt. Daher ist
eine beliebige Strukturierung mittels CO2-Laser möglich und kann zur Steigerung der
Biokompatibilität verwendet werden.
Als geeigneter Werkstoff hat sich Titan herausgestellt, dessen Eigenschaften sich mit den
Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit und Biokompatibilität decken.
Es empfiehlt sich für die Strukturierung Sauerstoff als Reaktivgas zu verwenden.
4 Diskussion der Ergebnisse Unsere Forschungsarbeit ergab, dass Titan ein geeigneter Implantatwerkstoff ist. Damit das
Material in den Organismus eingesetzt werden kann, muss es biokompatibel sein. Um eine
reibungslose Transplantation zu ermöglichen, sollte ein höheres Maß an Biokompatibilität
gewährleistet sein. Dafür muss das Titanwerkstück biofunktionalisiert werden. Eine geeignete
Methode ist hierfür die Oberflächenstrukturierung.
Eine weitere wäre beispielweise die Beschichtung des Materials mit einer knochenähnlichen
Substanz wie Hydroxylapatit. Die Vor- und Nachteile beider Varianten sind noch nicht
hinreichend erforscht. Allerdings bietet die Oberflächenstrukturierung gegenüber der
Beschichtung den Vorteil, dass hier nur eine Grenzfläche zwischen organischem
Zellenmaterial und der bearbeiteten Titanoberfläche vorhanden ist. Bei der Beschichtung gäbe
es zwei: Eine zwischen dem metallischen Werkstoff und der Keramik, sowie zwischen der
Keramik und den Zellen. Eine höhere Anzahl von Grenzflächen erhöht die Gefahr von zu
hohen Spannungen, welche zu Rissen und zur Lockerung des Implantats führen können,
aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Stoffe (z.B.
unterschiedliche Elastizitätsmodule (ETi: 120GPa, EKnochen 20GPa, EKnochenzement 1GPa)).
Zusätzlich würde die durch die Strukturierung vergrößerte Oberfläche gemäß der Gleichung
bei konstanter Kraft eine kleinere Spannung bewirken. Diese Fakten sprechen für eine
Oberflächenstrukturierung im Gegensatz zur Möglichkeit der Beschichtung. Dazu bietet sich
der Einsatz eines Lasers an. Um die Effizienz des Materialabtrags zu steigern, sollte man mit
möglichst kurzen Laserimpulsen arbeiten. Man sollte allerdings auch beachten, dass bei zu
großen Leistungen sich Titan entzünden kann.
-
16
Unsere Annahme, dass eine beliebige Oberflächenstrukturierung möglich ist, konnte bestätigt
werden. Um eine möglichst geeignete Oberfläche zu erhalten, kann man zwei Strategien
verfolgen. Einerseits bietet sich eine rillenförmige Strukturierung an (siehe 2.2.3
Programmierung I), da diese der Oberfläche eines Knochens ähnelt. Anderseits, wenn man
das Prinzip der maximalen Oberflächenvergrößerung verfolgt, ist eine Art Schachbrettmuster
möglich (siehe 2.2.3 Programmierung II). Man sollte allerdings bei beiden Varianten
beachten, dass die Breite der Strukturierungen des Werkstücks eine ausreichende Größe hat,
damit das Gewebe optimal einwachsen kann.
Bei der Wahl eines geeigneten Gases bietet sich Sauerstoff als Reaktivgas an, da es den
Materialabtrag erhöht. Außerdem wird hier die Ausbildung einer Titanoxidschicht gefördert,
die die Gefahr einer Abwehrreaktion des Körpers auf das Implantat verringert.
Ebenfalls hat sich das Prinzip der Verwendung einer selbstklebenden Polymerfolie bewährt,
da eine wesentlich sauberere Strukturierung erreicht wurde.
Die Steigerung der Biokompatibilität durch Oberflächenstrukturierung ist bloß eine durch
theoretische Überlegungen gut begründete Annahme. Eine praktische Bestätigung am
menschlichen Organismus war im Rahmen dieser Facharbeit nicht möglich. Wie eine solche
Strukturierung (eine knochenähnliche oder eine, die auf eine maximale Oberfläche
ausgerichtet ist) in der Praxis besser angenommen wird, ist noch experimentell genauer zu
untersuchen. Trotz allem sind keine Nachteile gegenüber einem Titanimplantat, dessen
Oberfläche nicht strukturiert wurde, erkennbar.
Dieses Verfahren kann jedoch nicht die endgültige Lösung des Implantatproblems sein. Es
besteht nach wie vor die Möglichkeit, dass der Körper das Implantat abstößt; die
Wahrscheinlichkeit könnte lediglich verringert werden. Das Implantat wäre nach wie vor kein
vollkommener Ersatz des ursprünglichen Körperteils. Das beschriebene Verfahren wäre nur
die Verbesserung der bisherigen Methode.
-
17
5 Zusammenfassung und Ausblick
Ein schmerzfreies und einschränkungsarmes Leben wird heutzutage als selbstverständlich
angesehen. Aber die bislang verwendeten Implantate können diesen Standard nicht
gewährleisten. Dieses Problem bot einen interessanten Forschungsansatz.
Titan stellte sich als geeigneter Implantatwerkstoff heraus, aufgrund seiner hervorragenden
mechanischen und vergleichsweise guten biologischen Eigenschaften. Um jedoch den
Integrationsprozess in den Organismus zu optimieren, müssen die biologischen Eigenschaften
verbessert werden. Oberflächenvergrößerung durch Strukturierung erzielt eine hinreichende
Biokompatibilität. Die Oberflächenstrukturierung ist für die feste Eingliederung von
Implantaten in den Körper von Vorteil. Sie garantiert eine bessere Verträglichkeit des
Implantats mit dem Körper.
Es bietet sich eine rillenförmige Strukturierung oder eine, welche die Oberfläche maximiert,
an. Dadurch wird das Anwachsen der Zellen beschleunigt und damit die Genesungszeit nach
der Operation für den Patienten verkürzt.
In Zukunft werden immer mehr Implantate benötigt. Die Anforderungen, denen sie gerecht
werden müssen, wachsen stetig. Dieser Trend wird weitere Forschungen und neue Verfahren
mit sich bringen. Die von uns angefertigte Arbeit ist ein Teil dieser Entwicklung. Der nächste
Schritt bestünde darin, diese theoretischen Grundlagen und Überlegungen durch praktische
Belege zu untermauern. Erst dann wird es möglich sein, die geeignetste
Oberflächenstrukturierung als Massenproduktion in der Implantatindustrie zu etablieren.
Das Ziel muss es sein, sie so gut in den menschlichen Körper einzugliedern, dass der
Unterschied zum originalen Körperteil nicht mehr erkennbar ist. Deswegen wird die
Forschung auf diesem Gebiet noch viele Jahre andauern.
-
18
6 Quellenverweise
[1] Wintermantel, E.; Ha, S.-W.: Medizintechnik mit biokompatiblen Werkstoffen und
Verfahren, Springer Verlag, Berlin 2002
[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Biokompatibilit%C3%A4t
[3] Abke, J.: Verbesserung der Biokompatibilität metallischer Implantate durch konvalente
Anbindung einer quervernetzten Kollagenschicht. Dissertationsarbeit Uni Regensburg 2003
[4] Autorenkollektiv: Brockhaus Enzyklopädie in vierundzwanzig Bänden. Neunzehnte,
völlig neu bearbeitete Auflage (Zweiundzwanzigter Band Tep-Ur), Mannheim 1993
[5] Autorenkollektiv: Der Jugendbrockhaus. 5., aktualisierte Auflage (Band 3 Pic-Z),
Mannheim 2004
[6] Kemnitz, Erhard und Simon, Rüdiger (Hrsg.): Basiswissen Schule. Chemie. Mannheim
2007
[7] Frosch, K.-H.: Perfekte Partner: Titan und Gewebe, Göttingen 2005
[8] Wirth, P.: „Einführung in die industrielle Lasermaterialbearbeitung“. ROFIN-SINAR
Laser GmbH, Hamburg 2002
[9] Gräf, S.: Vorlesungsskript: Einsatz von Lasern in der Fertigungstechnik. FSU Jena
[10] Stroppe, H.: Physik für Studierende der Natur- und Ingenieurswissenschaften.
Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, Leipzig 2012 (S.459ff.)
[11] Gillner, A.: Verfahren und Systeme zur Mikro- und Nanostrukturierung mit
Ultrakurzpulslasern. Frauenhoferinstitut für Lasertechnik Aachen
-
19
7 Literaturverzeichnis
Literatur:
Abke, J.: Verbesserung der Biokompatibilität metallischer Implantate durch konvalente
Anbindung einer quervernetzten Kollagenschicht. Dissertationsarbeit Uni Regensburg 2003
Autorenkollektiv: Brockhaus Enzyklopädie in vierundzwanzig Bänden. Neunzehnte, völlig
neu bearbeitete Auflage (Vierzehnter Band Mag - Mod), Mannheim 1993 (S. 588 ff.)
Autorenkollektiv: Brockhaus Enzyklopädie in vierundzwanzig Bänden. Neunzehnte, völlig
neu bearbeitete Auflage (Zweiundzwanzigster Band Tep-Ur), Mannheim 1993
Autorenkollektiv: Der Jugendbrockhaus. 5., aktualisierte Auflage (Band 3 Pic-Z), Mannheim
2004
Autorenkollektiv: Impulse Physik. Oberstufe, Stuttgart 2007
Autorenkollektiv: Meyers Universallexikon. Meyers Lexikonverlag, Leipzig 2007, (S. 537)
Bliedtner, J.; Beez, H.: Modul Lasermaterialbearbeitung FH Jena
Demtröder, W.: Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik 3. Auflage. Heidelberg 2004 (S.
348 f.)
Frosch, K.-H.: Perfekte Partner: Titan und Gewebe, Göttingen 2005
Gillner, A.: Verfahren und Systeme zur Mikro- und Nanostrukturierung mit
Ultrakurzpulslasern. Frauenhoferinstitut für Lasertechnik Aachen
Gräf, S.: Vorlesungsskript: Einsatz von Lasern in der Fertigungstechnik. FSU Jena
Grehn, J.; Krause, J.: Metzler Physik. Schroedel Verlag Hannover 2002 (S. 432/433)
Kemnitz, E.; Simon, R. (Hrsg.): Basiswissen Schule. Chemie. Mannheim 2007
Meyer, L.; Schmidt, G.-D. (Hrsg.): Lehrbuch Physik Gymnasiale Oberstufe, Berlin 2011
Nolte, S. u.a.: Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solid. Laser
Zentrum Hannover e.V., Hannover 1996
Orear, J.: Physik. New York, 1979, (S. 510 f.)
Staupendahl, G.; Schindler, K.: Lasertechnik und ihre Anwendungen in der
Materialbearbeitung. Friedrich-Schiller-Universität Jena, Jena 2003
Stroppe, H.: Physik für Studierende der Natur- und Ingenieurswissenschaften.
Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, Leipzig 2012 (S.459ff.)
Tavanger, A.: Synthesis of bio-functionalized three-dimensional titania nanofibrous
structures using femtosecond laser ablation. Acta Biomaterialia, Nr. 07/2011 (S. 2726-2732)
-
20
Wintermantel, E.; Ha, S.-W.: Medizintechnik mit biokompatiblen Werkstoffen und
Verfahren, Springer Verlag, Berlin 2002
Wirth, P.: „Einführung in die industrielle Lasermaterialbearbeitung“. ROFIN-SINAR Laser
GmbH, Hamburg 2002
Internetadressen:
http://www.techniklexikon.net/d/besetzungsinversion/besetzungsinversion.htm
(21.10.2011 11.30 Uhr)
http://www.ipc.uni-karlsruhe.de/download/F69_2002.pdf (21.10.2011 11.11 Uhr)
http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/umwelt_technik/08laser/stim_emission/stimuliert.ht
m (21.10.2011. 11.20 Uhr)
http://www.implantologie-hopf.de/Implantologie-zu-wenig-Knochen.html (8.10.11 11:00)
http://www.zahn-implantate-
berlin.de/deutsch/news/implantatoberflaeche_aus_titanschaum.html (08.10.2011 11.10 Uhr)
http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Knochenhaut.html (08.10.11 11.20 Uhr)
http://www.engin.umich.edu/class/bme456/bonestructure/bonestructure.htm
(08.10.2011 11.30 Uhr)
http://www.bias.de/Publikationen/Bulletin/Archiv/Bias04-4.pdf (23.09.2011 18:43)
http://www.polymerservice-merseburg.de/index.php?id=270&lex[uid]=206&no_cache=1
(23.09.2011 18.50 Uhr)
http://www.bayfor.org/media/pdf/zib1_thull.pdf (23.09.2011 18.52 Uhr)
http://de.wikipedia.org/wiki/Laserablation (17.09.2011, 16.52 Uhr)
http://de.wikipedia.org/wiki/Laserstrahlverdampfen (17.09.2011, 16.34 Uhr)
http://www.form-technik.biz/ti_wissen_dt_htm/titan_material_und_eigenschaften.htm
(16.10.2011, 21.00 Uhr)
http://www.1dsz.de/Berichte/PDFHoffmann/ZTM_12_hoffmann.pdf (20.10.2011, 20.20 Uhr)
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/zerspanungstechnik/articles/
331371/index1 (20.10.2011, 20.18 Uhr)
http://www.springermedizin.at/artikel/16501-waermeleitung-von-titanimplantaten-unter-co2-
laserbestrahlung-in-vitro (01.11.2011, 18.38 Uhr)
http://de.wikipedia.org/wiki/Titan_(Element)#Verwendung (01.11.2011, 19.47 Uhr)
http://www.bias.de/Events/Archive/LAF06/Proceedings/16%20%20RATH.pdf (27.10.2011,
18.30 Uhr)
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlendioxidlaser (27.10.2011, 18.45 Uhr)
http://www.trumpf-machines.com/loesungen/basiswissen/laserschneiden/schneiden-mit-
licht.html (25.10.2011, 17.15 Uhr)
http://de.wikipedia.org/wiki/Laserbeschriftung (24.10.2011 15.45 Uhr)
http://www.laserschneiden.de/?id=schweiss (24.10.2011, 15.30 Uhr)
http://www.trumpf-
laser.com/loesungen/anwendungsfelder/laserschneiden/schmelzschneiden.html (24.10.2011,
15.15 Uhr)
http://www.rofin.de/?id=500 (24.10.2011, 15.10 Uhr)
http://www.leserberichte.de/themen/laserschneiden.htm (24.10.2011, 15.00 Uhr)
http://www.enzyklo.de(Begriff/Laserstrahlverdampfen (30.08.2011, 17.10 Uhr)
http://www.messer-
cw.de/schneidesysteme_de/produkte_anwendungen/verfahren/laser/index.php (30.08.2011,
17.00 Uhr)
http://www.de.ambrell.com/aboutinduction.php (30.08.2011, 16.00 Uhr)
http://www.rajmont/technologie-induktionserwarmung/ (30.08.2011, 14.30 Uhr)
http://de.wikipedia.org/wiki/Biokompatibilit%C3%A4t (27.01 2012, 13.45 Uhr)
-
21
http://flexikon.doccheck.com/Biokompatibel (27.01 2012, 13.50 Uhr)
http://www.biology-online.org/dictionary/Inert (27.01 2012, 14.30 Uhr)
http://flexikon.doccheck.com/Refrakt%C3%A4r (27.01 2012, 13.45 Uhr)
Sonstiges:
Samstagsvorlesung: „Laser – ein faszinierendes Werkzeug aus Licht“ Dr. Leitner; 15.01.11
„50 Jahre Laser: Ein langer und steiniger Aufstieg zum Innovationsmotor. Wie weiter?“ Prof.
Dr. i.R. Wilhelmi; 12.02.11
„Ultrakurze Laserpulse – schonendes Werkzeug in der Augenheilkunde“ Prof. Dr. Stefan
Nolte, Dr. Roland Ackermann; 22.10.11
Prospekt der Firma Carl Zeiss: Axio Imager 2. Dimension Leistung, Jena 2011
Materialwissenschaften und „Ersatzteile“ für den Menschen: bioinert, bioaktiv oder
biomimetisch?“ Prof. Dr. Klaus D. Jandt 3.12.11
Bilder:
http://laser6.tiot.uni-jena.de/fsbeisp/Version%201/FabryPerot-Dateien/image002.jpg
(31.10.2011. 13.20 Uhr)
FSU Jena Vorlesungsskript: „Einsatz von Lasern in der Fertigungstechnik“ Dr. Gräf
http://www.zeiss.de/C125679B0029303C/EmbedTitelIntern/PI_0126-2009/$File/PI_0126-
2009.jpg (16.02.2012, 21.17 Uhr)
http://www.uni-
saarland.de/fak7/hartmann/files/images/research/basics/lightmicroscopy/LichtmikroskopStrah
lengang.jpg (16.02.2012, 21.18 Uhr)
http://www.mikroskop-verleih.de/mikroskop/images/mikroskopweich.jpg (16.02.2012, 21.19
Uhr)
-
22
8 Eidesstattliche Erklärung
Hiermit erklären wir an Eides statt, dass wir für die Erstellung dieser Arbeit ausschließlich die
von uns angegebenen Quellen benutzt haben. Aussagen, die wörtlich oder sinngemäß
entnommen wurden, sind entsprechend gekennzeichnet.
Franka Fiedler Lukas Müller Michael Seifert
-
23
9 Danksagung
Im Rahmen unserer Facharbeit erhielten wir viel Unterstützung. Ganz besonders möchten wir
uns bei unserem Außenbetreuer Dr. Stephan Gräf bedanken, der uns tatkräftig bei unserer
Facharbeit unterstützt hat; er führte uns in das Thema theoretisch ein und ermöglichte uns die
Experimente. Hinzu kommen Johannes Häßler und Wolfgang Hering, die uns mit dem
Umgang mit dem Laser vertraut machten und außerdem Sebastian Engel und Hans-Jürgen
Hempel, die uns am Mikroskop betreuten. Weiterer Dank gilt der schulischen Unterstützung.
RositzRW Rositz.pdf
top related