Selbstheilung von Calciumphosphatzementen

Calciumphosphat-Zemente (engl. calcium phosphate cements CPC) werden seit mehreren Dekaden erforscht und in der Medizintechnik als Knochenersatzmaterial angewendet. Neben zahlreichen Vorteilen, insbesondere der biologischen Verträglichkeit, bergen vor allem die mechanischen Eigenschaften Nachteile. In der Vergangenheit wurden verschiedenste Strategien zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von CPC diskutiert. Viele dieser Ansätze verbindet die Fokussierung auf eine Schadensvermeidung im Werkstoff. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hingegen ein neues Konzept in Form von Schadensmanagement im CPC konzipiert und erprobt. Dieses erfolgt durch Selbstheilung von Rissen durch eine Biomineralisation aus simulierter Körperflüssigkeit. So wurde zunächst eine Schadenstoleranz durch unterkritische Rissöffnung für Apatit-CPC über eine Langfaserverstärkung mit Kohlenstofffasern eingestellt. Durch die hohe Zugfestigkeit der Fasern wurde die Festigkeit des Komposits gesteigert. Zusätzlich wurde eine chemische Modifizierung der Fasern mit Oxidationsmitteln angewendet um die Oberfläche der Fasern hinsichtlich ihrer Benetzungseigenschaften und Bioaktivität zu verändern. Dadurch konnte die Festigkeit sowie die Schadenstoleranz bemessen an der Brucharbeit bis 5 % Dehnung weiter gesteigert werden. Aufgrund der resultierenden Rissstabilisierung konnten mechanisch eingebrachte Defekte durch Mineralisation von Apatit aus simulierter Körperflüssigkeit geschlossen werden. Diese Mineralisation wurde (i) intrinsisch, also ausgehend vom Material selbst, und (ii) extrinsisch, unterstützt durch Mineralisationsbeschleuniger, beobachtet. Die Selbstheilung wurde sowohl phänomenologisch charakterisiert als auch anhand der mechanischen Eigenschaften quantifiziert. Zeigt ein Material Selbstheilungseigenschaften, so können die Einsatzzeiten erweitert und aufwändiger Materialaustausch vermieden werden.