Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Introduction: Though xenogeneic acellular scaffolds are frequently used for surgical reconstruction, knowledge of their mechanical properties is lacking. This study compared the mechanical, histological and ultrastructural properties of various native and acellular specimens. Materials and methods: Porcine esophagi, ureters and skin were tested mechanically in a native or acellular condition, focusing on the elastic modulus, ultimate tensile stress and maximum strain. The testing protocol for soft tissues was standardized, including the adaption of the tissue’s water content and partial plastination to minimize material slippage as well as templates for normed sample dimensions and precise cross-section measurements. The native and acellular tissues were compared at the microscopic and ultrastructural level with a focus on type I collagens. Results: Increased elastic modulus and ultimate tensile stress values were quantified in acellular esophagi and ureters compared to the native condition. In contrast, these values were strongly decreased in the skin after acellularization. Acellularization-related decreases in maximum strain were found in all tissues. Type I collagens were well-preserved in these samples; however, clotting and a loss of cross-linking type I collagens was observed ultrastructurally. Elastins and fibronectins were preserved in the esophagi and ureters. A loss of the epidermal layer and decreased fibronectin content was present in the skin. Discussion: Acellularization induces changes in the tensile properties of soft tissues. Some of these changes appear to be organ specific. Loss of cross-linking type I collagen may indicate increased mechanical strength due to decreasing transverse forces acting upon the scaffolds, whereas fibronectin loss may be related to decreased load-bearing capacity. Potentially, the alterations in tissue mechanics are linked to organ function and to the interplay of cells and the extracellular matrix, which is different in hollow organs when compared to skin.

Metallic glasses are amorphous alloys that do not possess long-range structural order in contrast to crystalline alloys. Ni-free Ti-based bulk metallic glasses (BMGs) have potential for biomedical applications due to their attractive properties such as high strength, good corrosion resistance and excellent micro-formability, which cannot be obtained for conventional crystalline alloys. In this PhD thesis, Ni-free Ti-based BMGs, i.e. Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 and Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 0, 2, 4, 6, 8), were prepared in the shape of rods by suction casting. Both alloy classes were systematically characterized in terms of glass forming ability, thermal stability, phase formation and mechanical properties. The largest diameter obtained in the fully glassy state for Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 alloy is 3 mm and for Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 2, 4, 6, 8) alloys is 2 mm. Base alloy (Ti40Zr10Cu36Pd14) contains some crystalline phase(s) in the glassy matrix for a 2 mm diameter rod. The structural transformations of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG upon heating were thoroughly analyzed by utilizing different combination of methods. Firstly, we used differential scanning calorimetry (DSC), X-Ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) to investigate the first crystallization event. The main products of the first crystallization are possibly -(Ti, Zr) and Cu3Ti (orthorhombic) phases. Secondly, we employed in situ x-ray diffraction in transmission mode using synchrotron beam to deeply study the thermally-induced structural changes like relaxation, glass transition and crystallization. Since the first peak in the diffraction patterns reflects the structure of the glassy phase on the medium-range scale, the position, width and intensity of this peak in diffraction patterns are fitted through Voigt function below 800 K. All the peak position, width and intensity values show a nearly linear increase with increasing temperature to the onset temperature of structural relaxation, Tr = 510 K. However, these values start to deviate from the linear behavior between Tr and glass transition temperature Tg. The changes in the free volume, which was arrested during rapid quenching of the BMG, and the coefficient of volumetric thermal expansion prove that the aforementioned phenomenon is closely related to the structural relaxation. Above 800 K, three crystallization events are detected and the first exothermic event is due to the formation of metastable nanocrystals. For the Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 alloy, 2 mm diameter rods exhibit the best combination of mechanical properties (e.g. large plastic strain and high yield strength) among all the diameters (ø2, ø3 and ø4 mm) under the room-temperature compression tests. With the aim to improve its room-temperature mechanical properties, the processes of pre-annealing and cold rolling have been applied for the 2 mm diameter rods. Annealed and quenched specimens below Tg and in the supercooled liquid region (between Tg and onset crystallization temperature Tx) do not lead to the enhancement of the plasticity compared to as-cast alloys due to annihilation of excess free volume and crystallization. Cold rolling can effectively improve the plasticity of this BMG by inducing structural heterogeneities. Rolled samples up to a thickness reduction of 15% result in the largest plasticity of 5.7%. Low yield strength and visible work hardening ability are observed in the both 10%-rolled and 15%-rolled samples. The deformation behavior of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG at the elevated temperatures slightly below Tg and in the supercooled liquid region has been investigated. The stress-strain relations for this BMG over a broad range of temperatures (298 ~716 K) and strain rates (10-5 to 10-3 s-1) were established in uniaxial compression. Under compression tests at the highest test temperature of 716 K, the Ti-based BMG partially crystallizes and low strain rates can lead to the formation of larger volume fractions of crystals. In order to further improve the plasticity of Ti-Zr-Cu-Pd BMGs and simultaneously reduce the content of Cu (considering harmful element for the human body), the Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 2, 4, 6, 8) BMGs have been newly developed with different short- or medium-range order in the structure. The compressive global strain of Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 0, 2, 4, 6, 8) can be significantly improved from 4.5% for the In-free alloy to 10.2% for x = 4. However, a further increase of the indium content to 8 at.% results in a decrease of the plasticity. Among all the monolithic Ni-free Ti-based BMGs reported so far, the novel Ti40Zr10Cu32Pd14In4 BMG shows the largest plasticity. Inspired by the dislocation concept in crystalline materials, we propose a strategy for the design of ductile BMGs through minor substitution using relatively large atoms, which make the bonding nature become more metallic and with it less shear resistant. Such a locally modified structure results in topological heterogeneity, which appears to be crucial for achieving enhanced plasticity. This strategy is verified for Ti-Zr-Cu-Pd glassy alloys, in which Cu was replaced by In, and seems to be extendable to other BMG systems. The atomic-scale heterogeneity in BMGs is somewhat analog to defects in crystalline alloys and helps to improve the overall plasticity of BMGs.

Die vorliegende Arbeit gründet auf einer neuartigen analytischen Theorie zum HERTZschen Kontakt am geschichtet aufgebauten Halbraum von N. SCHWARZER (1998). Der Kugeleindruckversuch in Schichtsysteme kann damit im linear-elastischen Bereich exakt beschrieben werden, was bereits erfolgreich zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls von ultradünnen Schichten ausgenutzt wurde. Mit der Theorie kann aber auch das Spannungsfeld im Grenzfall elastischer Deformation, zu Beginn des Materialversagens analysiert werden. Über die Kenntnis kritischer Spannungswerte ließen sich damit Versagensmechanismen identifizieren. So konnte kürzlich für Schichten im System Si3N4/SiO2 gezeigt werden, dass die VON MISES-Vergleichsspannung im Versagensfall kritische Werte annimmt. Dies ist wiederum typisch für das plastische Versagen, womit erstmals die Fließpannung von Dünnschichten bestimmt wurde. Im Rahmen dieser Arbeit sollte dieses Ergebnis an magnetronsputterten Schichten vom B4C-Target bestätigt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften über die Gaszusammensetzung N2/Ar variiert wurden. Die Nanoindentermessungen mit dem UMIS 2000 erfolgten an Einzelschichten auf Silizium und Quarzglas sowie an einem speziellen Dreischichtsystem. Die Analyse zeigt, dass die plastische Deformation nicht in allen Fällen zum Versagen führte und bei geeignetem Schichtaufbau einstellbar ist. Ferner zeigt die rasterkraft- und rasterelektronenmikroskopische Schadensbildanalyse, dass das Versagen unter bestimmten Bedingungen wahrscheinlich durch star cracks verursacht wurde. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer anderen Problematik. Ausgangspunkt dafür bildet eine Weiterentwicklung der theoretischen Methode durch SCHWARZER (2001), mit der die Anwendung der elastischen Kugeleindruckmethode an begrenzten oder real geformten Festkörperoberflächen denkbar ist. Konzeptionell wird dabei die existierende Lösung für den geschichteten Halbraum auf geeignete krummlinige Koordinaten transformiert. Zur Überprüfung des Beschreibungskonzepts wurde die Lösung für das spezielle Kontaktproblem am Viertel- und Achtelraum entwickelt. Dabei war allerdings bereits wieder eine Annahme nötig, deren Überprüfung Gegenstand dieser Arbeit ist. Hierzu wurden zwei unabhängige Indenterexperimente in der Nähe von Kanten vorgenommen, die zunächst widersprüchliche Ergebnisse lieferten. Weiterführende Untersuchungen zeigen aber einerseits, dass die Empfindlichkeit einer der beiden Messmethoden nicht ausreichend ist. Andererseits liefern die Zusatzuntersuchungen Vorschläge zu Verbesserung der weiterentwickelten Theorie.

Thesis (doctoral)--Universität, Erlangen, Nürnberg, 2000.

Vergleichende Untersuchungen zur Wiedergabegenauigkeit optoelektronischer berührungsloser und plastischer Abformungen weicher Gesichtsstrukturen Universität Leipzig, Dissertation Problemstellung: Deformation der fazialen Weichgewebe bei liegenden Patienten, hervorgerufen durch schwerkraft- und materialgewichtabhängige Einflüsse der bei konventionellen Abformmethoden verwendeten Materialien Hydrokolloiden und Elas- tomere. Ziel: Vergleich der Wiedergabegenauigkeit weicher Gesichtsstrukturen bei konven- tionellen plastischen Abformmethoden und einem optischen, mechanischen berüh- rungsfreien dreidimensionalen fotorealistischen Modell. Material und Methode: Konventionelle Abformung bei 20 Probanden mit Hydrokolloid und Elastomer sowie ein optischer Gesichtsscan vom Mittelgesicht. Studienaufbau: Digitali- sieren der Gipsmodelle und Auswertung aller STL-Datensätze zum Vergleich zwischen plastischen und optoelektronischen Abformungen sowie die Evaluation der vorhandenen Abweichungen in 34 konstruierten Punkten. Statistik: Testen auf Normalverteilung und Varianzengleichheit zum Prüfen der Signifikanz mittels Zweistichproben-t-Test und Wilcoxon-Rangsummen-Test. Ergebnisse: Der allgemeiner Abformfehler zwischen optischem Scan und konven- tionellen Abformungen liegt bei 1,19 mm ± 0,32 mm mit Variationen bei den Ma- terialien Alginat 1,02 mm ± 0,24 mm und Silikon 1,36 mm ± 0,31 mm. Signifikante Unterschiede zwischen den Abformmaterialien zeigen sich in 6 von 34 Messpunkten (p < 0,05). Alginat weist tendentiell die besseren Ergebnisse auf und ruft weniger Weichgewebsveränderung hervor. Die beschriebenen Differenzen entstehen durch die Deformation der Weichgewebe bei der Gesichtsabformung. Bei den Punkten ohne statistische Signifikanz ist die Abformtechnik als sehr präzise zu betrachten. In gut skelettal-unterstützten Regionen zeigt Silikon in einigen Messpunkten geringere Abweichungen. Schlussfolgerung: Die Auswahl des Abformmaterials sollte in Abhängigkeit von der Ausgangssituation gewählt werden. Trotz der modifizierten Abformtechnik zeigen die Ergebnisse einen deutlichen Unterschied zwischen digital erfasstem dreidimensionalem Gesichtsscan und konventionellen Abformmethoden. Den optischen Systemen ist derzeit der Vorzug zu geben. Die Vorteile sind hinsichtlich noninvasiver, iterierender Aufnahmen, genauerer und effektiverer Analyse sowie CAD/CAM-Herstellung von Epithesen aus biokompatiblen Werkstoffen beachtlich.

Revision of the author's dissertation (doctoral)--Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität zu Bonn, 1995. / Vita. Includes bibliographical references and index.

Revision of the author's dissertation (doctoral)--Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität zu Bonn, 1995. / Vita. Includes bibliographical references and index.

"A thesis approved by the University of London for the degree of PH. D." / Includes bibliographical references.