Bioaktive Gläser (W2) Prof. Dr. Delia Brauer Forschungsschwerpunkte Materialchemie nichtmetallisch-anorganischer Werkstoffe, insbesondere von Gläsern und Glaskeramiken: Oberflächenreaktionen, Kristallisation, Korrosion oder Löslichkeit Biomaterialien zur Regeneration von Hart- und Weichgewebe, wie bioaktive Gläser, Glasionomerzemente, Hybridmaterialien: Synthese und Charakterisierung chemischer und mechanischer Eigenschaften sowie in vitro-Zellkompatibilität Glasstruktur und strukturbasiertes Design neuer Zusammensetzungen Bioaktive Gläser werden seit Jahren erfolgreich zur Knochenregeneration eingesetzt, allerdings wird ihre breitere Anwendung dadurch eingeschränkt, dass sie bei erhöhten Temperaturen spontan kristallisieren. Dies verhindert es beispielsweise, Fasern zu ziehen oder poröse 3D-Konstrukte zu sintern. Zusätzlich erschwert in diesen Proben die hohe Geschwindigkeit der Kristallisation ihre detaillierte Untersuchung. Trotz zahlreicher Studien sind daher der Kristallisationsmechanismus sowie die Morphologie der sich bildenden Kristallphasen noch immer nicht vollständig verstanden. Hier setzte ein gemeinsames Projekt mit der FAU Erlangen-Nürnberg sowie dem FraunhoferInstitut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen Halle (DFG-Projekt BR 4608/7-1) an. Wir haben mit zwei hochmodernen bildgebenden Verfahren, nämlich modernster Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) einschließlich energiedispersiver Röntgenspektroskopie und NanoComputertomographie (Nano-CT) Veränderungen in der Mikrostruktur von der anfänglichen Phasenseparation über Kristallbildung bis zur beinahe Kristallisation bioaktiver Gläser vollständigen Kristallisation sichtbar gemacht. In Kombination mit weiteren, konventionellen Methoden konnten wir somit neben der Kristallmorphologie auch die räumliche Verteilung der kristallinen Phasen auf verschiedenen Längenskalen sichtbar machen (Abb. 1). Einige Proben zeigten das parallele Auftreten von Oberflächen- und Volumenkristallisation. Beispielsweise zeigten Standard-Biogläser die Volumenkristallisation von sphärischen Combeit-Kristallen, deren dreidimensionale Ausdehnung mit Nano-CT bestätigt wurde. TEM zeigte hingegen, dass diese Strukturen aus Partikeln im Submikrometer-Maßstab bestanden. Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig der Einsatz komplementärer Methoden ist, um einen Einblick in den Kristallisationsprozess zu erhalten. Darüber hinaus zeigten wir, dass TEM und Nano-CT geeignete Charakterisierungstechniken sind, um die Kristallisation selbst in schnell kristallisierenden Systemen wie bioaktiven Gläsern zu analysieren. [1] Contreras Jaimes A. T., de Pablos-Martín A., Hurle K., Martins de Souza e Silva J., Berthold L., Kittel T., Boccaccini A. R., Brauer D. S. (2021): Deepening our understanding of bioactive glass crystallization using TEM and 3D nano-CT. Journal of the European Ceramic Society, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.051. [2] Nawaz Q., de Pablos-Martín A., Martins de Souza e Silva J., Berthold L., Hurle K., Contreras Jaimes A. T., Sitarz M., Brauer D. S., Boccaccini A. R. (2021): Crystallization study of sol-gel derived 13-93 bioactive glass powder. Journal of the European Ceramic Society, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.09.052. [3] Nawaz Q., de Pablos-Martín A., Martins de Souza e Silva J., Hurle K., Contreras Jaimes A. T., Brauer D. S., Boccaccini A. R. (2020): New insights into the crystallization process of sol‐gel–derived 45S5 bioactive glass. Journal of the American Ceramic Society, DOI: 10.1111/jace.17124. Abb 1. Bildgebende Verfahren zur Untersuchung der Kristallisation bioaktiver Gläser auf verschiedenen Längenskalen: Lichtmikroskopie, Nano-CT und (S)TEM mit HAADF. 112 — FORSCHUNG
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