Biomimetische Zahnprothese

Biomimetische Zahnprothese

Video: Biomimetische, elastische Antriebe für die Robotik (Kann 2020).

Anonim

von der ETH Zürich

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Es gibt nur wenige härtere und haltbarere Strukturen in der Natur als Zähne oder Muscheln. Das Geheimnis dieser Materialien liegt in ihrer einzigartigen Feinstruktur: Sie bestehen aus verschiedenen Schichten, in denen zahlreiche Mikroplättchen in identischer Ausrichtung miteinander verbunden sind.

Obwohl es Methoden gibt, mit denen Materialwissenschaftler Perlmutt imitieren können, war es eine Herausforderung, ein Material zu erstellen, das die gesamte Muschel mit vergleichbaren Eigenschaften und struktureller Komplexität imitiert.

Nun hat eine Forschergruppe um André Studart, Professor für Komplexe Materialien, ein neues Verfahren entwickelt, das das natürliche Modell nahezu perfekt nachahmt. Die Wissenschaftler konnten ein zähes, vielschichtiges Material herstellen, das auf dem Konstruktionsprinzip von Zähnen oder Muscheln basiert und gut vergleichbar ist. Den ETH-Forschern ist es erstmals gelungen, mehrere Schichten von Mikroplättchen mit unterschiedlicher Orientierung in einem Stück zu konservieren.

Die ETH-Forscher bezeichnen dies als magnetunterstütztes Schlickergießen (MASC). "Das Wunderbare an unserem neuen Verfahren ist, dass es auf einer 100 Jahre alten Technik aufbaut und diese mit moderner Materialforschung verbindet", sagt Studarts Doktorand Tobias Niebel, Mitautor einer in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichten Studie.

Wiederbelebung einer 100 Jahre alten Technik

So funktioniert MASC: Die Forscher erstellen zunächst einen Gipsverband, der als Form dient. In diese Form gießen sie eine Suspension, die magnetisierte Keramikplättchen wie Aluminiumoxidplättchen enthält. Die Poren der Gipsform nehmen langsam die Flüssigkeit aus der Suspension auf, wodurch sich das Material verfestigt und von außen nach innen aushärtet.

Die Wissenschaftler erzeugen eine schichtartige Struktur, indem sie während des Gießprozesses ein Magnetfeld anlegen und dessen Ausrichtung in regelmäßigen Abständen ändern. Solange das Material flüssig bleibt, richten sich die Keramikplättchen nach dem Magnetfeld aus. Im erstarrten Material behalten die Plättchen ihre Orientierung.

Durch die Zusammensetzung der Suspension und die Richtung der Plättchen kann ein kontinuierlicher Prozess verwendet werden, um mehrere Schichten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften in einem einzelnen Objekt herzustellen. So entstehen komplexe Materialien, die ihre natürlichen Vorbilder wie Perlmutt oder Zahnschmelz nahezu perfekt imitieren. "Unsere Technik ähnelt dem 3D-Druck, ist nur zehnmal schneller und viel kostengünstiger", sagt Florian Bouville, Post-Doc bei Studart und Co-Hauptautor der Studie.

Künstliche Zähne aus Gussformen

Um das Potenzial der MASC-Technik zu demonstrieren, stellte die Arbeitsgruppe von Studart einen künstlichen Zahn mit einer Mikrostruktur her, die der eines echten Zahns entspricht. Die Oberfläche des künstlichen Zahns ist so hart und strukturell komplex wie ein echter Zahn, während die Schicht darunter weicher ist, genau wie das Dentin des natürlichen Modells.

Die Co-Hauptautorin der Studie, Doktorandin Hortense Le Ferrand, und ihre Kollegen erstellten zunächst einen Gipsabdruck eines menschlichen Weisheitszahns. Anschließend füllten sie diese Form mit einer Suspension, die Aluminiumoxidplättchen und Glasnanopartikel als Mörtel enthielt. Mit einem Magneten richteten sie die Plättchen senkrecht zur Oberfläche des Objekts aus. Sobald die erste Schicht trocken war, gossen die Wissenschaftler eine zweite Suspension in dieselbe Form. Diese Suspension enthielt jedoch keine Glasteilchen. Die Aluminiumoxidplättchen in der zweiten Schicht wurden unter Verwendung des Magneten horizontal zur Zahnoberfläche ausgerichtet.

Diese zweischichtige Struktur wurde dann bei 1.600 Grad 'gebrannt', um das Material zu komprimieren und zu härten. Der Begriff Sintern wird für diesen Prozess verwendet. Schließlich füllten die Forscher die nach dem Sintern verbleibenden Poren mit einem in der Zahnheilkunde verwendeten synthetischen Monomer, das anschließend polymerisierte.

Künstliche Zähne verhalten sich wie echte Zähne

Die Forscher sind sehr zufrieden mit dem Ergebnis. "Das Härte- und Zähigkeitsprofil des künstlichen Zahns entspricht genau dem eines natürlichen Zahns", freut sich Studart. Das Verfahren und das daraus resultierende Material eignen sich für Anwendungen in der Zahnmedizin.

Studart weist jedoch darauf hin, dass die aktuelle Studie nur ein erster Proof-of-Concept ist, der zeigt, dass die natürliche Feinstruktur eines Zahns im Labor reproduziert werden kann. "Das Erscheinungsbild des Materials muss deutlich verbessert werden, bevor es für Zahnersatz verwendet werden kann." Wie Studart erklärt, zeigt der künstliche Zahn jedoch deutlich, dass ein gewisses Maß an Kontrolle über die Mikrostruktur eines Kompositmaterials erreicht werden kann, das bisher nur lebenden Organismen vorbehalten war. Ein Teil des MASC-Prozesses, die Magnetisierung und Orientierung der Keramikplättchen, wurde bereits patentiert.

Das neue Herstellungsverfahren für solch komplexe biomimetische Materialien hat jedoch auch andere potenzielle Anwendungen. Beispielsweise könnten Kupferplättchen anstelle von Aluminiumoxidplättchen verwendet werden, was die Verwendung solcher Materialien in der Elektronik ermöglichen würde. "Die Basissubstanzen und die Orientierung der Plättchen können beliebig kombiniert werden, was schnell und einfach eine Vielzahl unterschiedlicher Materialtypen mit unterschiedlichen Eigenschaften ermöglicht", so Studart.