Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung des Ermüdungsverhaltens einer neu entwickelten Ti-40(wt%)Nb Legierung für die Anwendung als Implantatwerkstoff aus der Materialklasse der β-Titanlegierungen. Darüber hinaus werden auch vergleichende Ermüdungsuntersuchungen zu den Werkstoffen Ti-45(wt%)Nb als weitere binäre β-Titanlegierung sowie an α-Titan als klassischem Referenzwerkstoff im industriellen Einsatz durchgeführt. Ziel ist es, grundlegende Erkenntnisse zu den zyklischen Verformungsmechanismen binärer Ti-Nb Legierungen in Abhängigkeit ihres Werkstoffzustandes und damit Ihrer Mikrostruktur zu erhalten. Im Vergleich mit anderen Implantatwerkstoffen soll daraus eine mögliche Eignung für den Einsatz als nicht resorbierbares Osteosynthesematerial abgeleitet werden. Als übergeordnetes Ziel wird hierbei eine Minimierung des Elastizitätsmodules bei gleichbleibend hohen statischen und zyklischen Festigkeiten angestrebt, um einerseits schnellere Heilungserfolge zu erzielen als auch eine möglichst dauerhafte Implantatzuverlässigkeit zu gewährleisten. Für diesen Zweck wurden umfangreiche Ermüdungsprüfungen an Werkstoffproben und Osteosyntheseplatten in Abhängigkeit von Werkstoff, Mikrostruktur, Oberfläche, Umgebung und Geometrie durchgeführt. Mit Hilfe von strukturanalytischen Verfahren vor und nach der Werkstoffermüdung wurden diese begleitend detailliert charakterisiert. Insbesondere die Ergebnisse zum Einfluss des Werkstoffzustandes von Ti-40Nb erbrachten hierbei direkte Unterschiede und eine um ca. 30 % höhere Schwingfestigkeit im ausgelagerten Zustand aufgrund von vorliegenden isothermen Ausscheidungen der ω-Phase. Zurückgeführt wurde diese Erhöhung zum einen auf einen dominanten Effekt der Ausscheidungshärtung sowie die Unterdrückung von einer in binären Ti-Nb Legierungen möglichen Phasenumwandlung während der zyklischen Belastung. Stattdessen wurden nur im Ermüdungsrissbereich den Gleitbändern ähnliche Deformationsbänder (DB’s) beobachtet, die als ω-verarmte Versetzungskanäle die plastische Verformung tragen, während im rekristallisierten Zustand eine nahezu komplette Transformation in die martensitische α‘‘-Phase infolge der Ermüdung generiert wird. Der Einfluss der Oberfläche wird hierbei als signifikant herausgestellt, da vor allem Kerbeffekte die erreichbaren Schwingfestigkeiten der untersuchten Ti-Nb Legierungen massiv beeinflussen und zum vorzeitigen Versagen führen. Ein überlagerter Geometrieeinfluss, wie im Fall untersuchter Osteosyntheseplatten, hat einen zusätzlichen dominanten negativen Effekt auf das Ermüdungsverhalten. Ein negativer Einfluss eines korrosiven Umgebungsmediums am Beispiel einer Lösung aus simulierter Körperflüssigkeit (SBF) kann hingegen nicht festgestellt werden, was auf die exzellenten Selbstpassivierungseigenschaften von β-Titanlegierungen auf Ti-Nb Basis zurückgeführt wird. Insgesamt ergibt sich auf Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit eine nur bedingte Einsatzfähigkeit als Werkstoff für die Osteosynthese. Vorteile, wie der sehr geringe Elastizitätsmodul und die exzellente Widerstandfähigkeit gegen Korrosionsermüdung stehen einer allgemein nur ausreichenden Schwingfestigkeit sowie hoher Empfindlichkeit für Kerbeffekte jeglicher Art gegenüber. Eine effiziente Ausnutzung der Auslagerungseffekte sowie eine Oberflächennachbehandlung auf Basis von Druckeigenspannungen bieten jedoch weiteres hohes Potential für das Ermüdungsverhalten binärer Ti-Nb Legierungen. / Present thesis investigates the fatigue behavior of a newly developed Ti-40(wt%)Nb alloy from the material class of β-titanium alloys for application as implant material. Furthermore it investigates the fatigue behavior of the binary β-titanium alloy Ti-45(wt%)Nb and α-titanium as standard material already in industrial application for reference. Main focus are the detection of cyclic deformation mechanisms in dependence of material condition and the underlying microstructure. In comparison with other implant alloys, suitability of the new Ti-40Nb alloy as osteosynthesis material shall be evaluated. The overall aim is thereby the minimization of the Young’s modulus with simultaneously high values of static and cyclic strength for better healing chances and long term implant reliability. For this objective, comprehensive fatigue testing on material samples as well as osteosyn-thesis plates was carried out in dependence of material, microstructure, surface, environ-ment and sample geometry. Detailed structural analyses were additionally carried out be-fore and after fatigue testing. Compared with the recrystallized condition of the Ti-40Nb al-loy, fatigue results of the aged condition with present isothermal ω-precipitates in the β-matrix show a 30% higher fatigue strength. Uncovered reasons for this behavior are a domi-nant effect of precipitation hardening as well as the complete suppression of for β-titanium alloy commonly observed phase transformations during fatigue. Whereas the recrystallized condition of the Ti-40Nb alloy is characterized by significant martensitic α’’-phase formation and occasional mechanical twin development during fatigue, the aged condition shows none of these characteristics. Instead deformation bands (DB’s), similar to commonly overserved slip bands during fatigue, are detected in the immediate area of the fatigue crack. These localized DB’s carry all of the plastic deformation in the aged condition of the Ti-40Nb alloy as ω-depleted dislocation channels. Furthermore, the influence of the surface condition regarding the fatigue properties is sig-nificant. The reason are notch effects leading to localized stress concentration and early fa-tigue failure. Tests on the osteosynthesis plates show in addition a superimposed effect of the geometry, which leads to an even more decreased fatigue strength of Ti-40Nb and the reference α-titanium. A negative influence of corrosion fatigue in simulated body fluid (SBF) is on the contrary not detected, which is caused by the excellent self-passivating properties of β-titanium alloys on the basis of Ti-Nb. An overall evaluation of the material leads to an only limited suggestion as osteosynthesis material. Advantages are the very low Young’s modulus and the excellent corrosion fatigue resistance. Disadvantages are the only insufficient fatigue strength compared to other standard implant materials and the high susceptibility for notch effects leading to a rapid decrease of fatigue strength. Nevertheless, an efficient use of the positive effects of the aged condition as well as a surface post-treatment to induce positive residual compression stresses provide high potential for Ti-40Nb or the binary Ti-Nb alloys in general.

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Titanium and titanium alloys are frequently used for implants in bone contact. In some cases (diabetis, osteoporosis) there are requirements for improved osseointegration. Initial reactions after surgery show an important influence on the long time stability of the implants. Newer studies focus on the surface composition of the implants in particular the modification with biological components. Collagen is the main component of bone and is therefore an interesting substance for the base modification of titanium implants. The aim of the work was to investigate the adsorptive immobilisation of collagen type I on titanium surfaces. The influence of different adsorption parameters was studied. Several modified surfaces were characterized in matters of immobilized collagen amount, stability, change of conformation and influence on cell behavior. / Titanimplantate werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Volumen- und Oberflächeneigenschaften seit vielen Jahren mit großem Erfolg als Implantatmaterialien im Knochenkontakt eingesetzt. Für bestimmte Patientengruppen, u.a. Diabetiker oder Patienten mit osteoporotischem Knochen, ist ein weitergehend verbessertes Einheilverhalten der Implantate anstrebenswert. Entscheidende Bedeutung für den Einheilprozess sowie für die Langzeitstabilität wird der initialen Reaktion des Körpers unmittelbar nach Implantation zugemessen. Neben zahlreichen Ansätzen, durch Modifizierung der chemischen und morphologischen Eigenschaften der Oberfläche in die Reaktionen des Körpers einzugreifen, rückt in neueren Studien zunehmend die Immobilisierung biologischer Komponenten (Proteine, Peptide, Wachstumsfaktoren) in den Mittelpunkt der Betrachtungen. Die Einbeziehung von Kollagen als Hauptbestandteil der organischen Knochenmatrix stellt daher eine interessante Grundmodifikation dar. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, zu untersuchen, inwieweit durch eine adsorptive Immobilisierung von Kollagen eine stabile und funktionale Beschichtung von Titanoxidoberflächen erzielt werden kann. Da sowohl Tropokollagen als auch fibrilläres Kollagen prinzipiell zur Beschichtung von Titanoberflächen eingesetzt werden können, wurde das Adsorptionsverhalten beider Kollagenformen in bezug auf verschiedene Lösungsparameter untersucht und ausgewählte Zustände hinsichtlich ihrer Stabilität und der Erhaltung der biologischen Funktionalität charakterisiert.

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Neue Technologien der additiven Fertigung läuten auch im Bereich der Medizin, Medizintechnik und der biomedizinischen Forschung eine neue Ära ein: Über verschiedene Fertigungsverfahren wie lithographische Techniken oder Laser-Sintering ist es bereits jetzt möglich, aus biokompatiblen Materialien entsprechend eines spezifischen Designs und ohne zusätzlich nötige Fertigungsmasken dreidimensionale Implantate in anatomischer oder patienten-individueller Geometrie herzustellen. Großes Potential ergibt sich daraus beispielsweise für Lösungen zu orthopädischen Fragestellungen: Hierzu gehören u.a. die potentielle Korrektur von Fehlbildungen im mund-, kiefer- und gesichtschirurgischen Bereich, der Ersatz größerer Knochendefekte sowie der Ausgleich von kleineren Gelenkdefekten. Letztere beschreiben die Anwendung am Gelenkknorpel-Knochen-Übergang, um Eingriffen zur Implantation einer Totalendoprothese zu entgehen oder diese ggf. hinauszuzögern. Aus diesem Grund finden für entsprechende zukünftige, klinische Konzepte, sowie in den entsprechenden Forschungsbereichen unterschiedlichste Fertigungsmethoden Anwendung. Die additive Fertigung hat nicht nur das Design und die aufbauende Fabrikation von patientenindividuellen Titanimplantaten (Gander et al. 2015) durch Spritzgussverfahren revolutioniert, sondern auch den schnellen Aufbau von Strukturen aus thermoplastischen Polymeren (Probst et al. 2010) und weicheren Materialien durch extrusionsbasierte Techniken ermöglicht. Diese über Rapid Prototyping erhaltenen, individuellen Objekte können im Vergleich zu konventionellen Verfahren sehr schnell und ohne Materialausschuss auch in Kleinserien und Einzelanfertigungen individuell gefertigt werden. Die essentielle Aufgabe für den klinischen Einsatz liegt hier in der Herstellung patientenindividueller Implantate. Allerdings sind die Technologien ebenso hinsichtlich spezifischer Gewebemodelle für forschungsrelevante Fragestellungen, die mittel- bis langfristig zu Erfolgen für die biomedizinische Patientenversorgung beitragen können, von großer Bedeutung. Um hierbei eine Lücke zwischen den individualisierten, bezüglich ihrer äußeren Geometrie spezifisch designten Implantaten und einer intrinsischen Funktionalität zu schaffen, greift die biomedizinische Forschung auf die Kombination von Ansätzen aus dem Tissue Engineering (Langer & Vacanti, 1993) und den Vorteilen der additiven Fertigung sowie der damit verbundenen Konstruktion von anatomischen Geometrien zurück. Das Forschungsfeld und die Methoden der sog. Biofabrikation (Groll et al. 2016; Moroni et al. 2018) bringen die Vorteile und Konzepte dieser doch unterschiedlichen Wissenschaftsfelder zusammen, indem sie biologische Komponenten in den Fabrikationsprozess einbeziehen. [... aus der Einleitung]

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Titanium and titanium alloys are frequently used for implants in bone contact. In some cases (diabetis, osteoporosis) there are requirements for improved osseointegration. Initial reactions after surgery show an important influence on the long time stability of the implants. Newer studies focus on the surface composition of the implants in particular the modification with biological components. Collagen is the main component of bone and is therefore an interesting substance for the base modification of titanium implants. The aim of the work was to investigate the adsorptive immobilisation of collagen type I on titanium surfaces. The influence of different adsorption parameters was studied. Several modified surfaces were characterized in matters of immobilized collagen amount, stability, change of conformation and influence on cell behavior. / Titanimplantate werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Volumen- und Oberflächeneigenschaften seit vielen Jahren mit großem Erfolg als Implantatmaterialien im Knochenkontakt eingesetzt. Für bestimmte Patientengruppen, u.a. Diabetiker oder Patienten mit osteoporotischem Knochen, ist ein weitergehend verbessertes Einheilverhalten der Implantate anstrebenswert. Entscheidende Bedeutung für den Einheilprozess sowie für die Langzeitstabilität wird der initialen Reaktion des Körpers unmittelbar nach Implantation zugemessen. Neben zahlreichen Ansätzen, durch Modifizierung der chemischen und morphologischen Eigenschaften der Oberfläche in die Reaktionen des Körpers einzugreifen, rückt in neueren Studien zunehmend die Immobilisierung biologischer Komponenten (Proteine, Peptide, Wachstumsfaktoren) in den Mittelpunkt der Betrachtungen. Die Einbeziehung von Kollagen als Hauptbestandteil der organischen Knochenmatrix stellt daher eine interessante Grundmodifikation dar. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, zu untersuchen, inwieweit durch eine adsorptive Immobilisierung von Kollagen eine stabile und funktionale Beschichtung von Titanoxidoberflächen erzielt werden kann. Da sowohl Tropokollagen als auch fibrilläres Kollagen prinzipiell zur Beschichtung von Titanoberflächen eingesetzt werden können, wurde das Adsorptionsverhalten beider Kollagenformen in bezug auf verschiedene Lösungsparameter untersucht und ausgewählte Zustände hinsichtlich ihrer Stabilität und der Erhaltung der biologischen Funktionalität charakterisiert.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von Streuung und Absorption von elektromagnetischen Wellen in Gewebephantomen im Kontext optischer Cochlea-Implantate. Dabei werden wellen- und strahlenoptische Ansätze diskutiert und auf ihre Eignung für die Modellierung des Streuverhaltens in gewebeähnlichen Schichten untersucht. Im Einzelnen werden FDTD-Simulationen mit einem Mie-Streuprogramm verglichen, sowie Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. Die gewonnenen Daten für Gewebephantome werden mit einem experimentellem Ansatz und Literaturwerten für echtes Gewebe verglichen. Es wird gezeigt unter welchen Parametern die Lichtstreuung optimal für die gewünschte Anwendung in optischen Cochlea-Implantaten ist. Weiterhin ergibt sich, im Rahmen dieser Arbeit, die Monte-Carlo-Simulation in Verbund mit einem Mie-Streuprogramm als die praktikabelste Lösung, um mit Experiment und Literatur vergleichbare Schichtdicken zu simulieren und entsprechende Ergebnisse zu gewinnen. Die Übereinstimmung zwischen Simulationen und experimentellen Daten lies sich für Gewebephantome nachweisen. Weiterhin konnten erste Schlüsse über die Übereinstimmung des Verhaltens dieser Phantome gegenüber echter menschlicher Dermis gezogen werden. / This work addresses the simulation of scattering and absorption of electromagnetic waves in tissue phantoms in the context of optical cochlear implants. Wave-optical and ray-optical approaches are discussed and investigated for their suitability for modeling the scattering behavior in tissue-like layers. Specifically, FDTD simulations are compared with a Mie-scattering program, and Monte Carlo simulations are performed. The obtained data for tissue phantoms will be compared with an experimental approach and literature values for real tissue. It is shown under which parameters the light scattering is optimal for the desired application in optical cochlear implants. Furthermore, in the context of this work, the Monte-Carlo simulation in combination with a Mie-scattering program is most practicable to simulate layer thicknesses comparable to experiment and literature and to obtain the corresponding results. The agreement between simulations and experimental data could be demonstrated for tissue phantoms. Furthermore, first conclusions could be drawn about the agreement of the behavior of these phantoms compared to real human dermis.

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