Biofunktionalisierung von Implantatwerkstoffen durch Laserstrukturierung

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

ROSITZ

Jugend forscht 2013

Franka Fiedler

Michael Seifert

Lukas Müller

Schule:

Angergymnasium JenaJena

Biofunktionalisierung von Implantatwerkstoffen

durch Laserstrukturierung

Teilnahme am Regionalwettbewerb

Jugend forscht Ostthüringen

im Fachbereich Physik

vorgelegt von:

Franka Fiedler

Lukas Müller

Michael Seifert

Jena, 03.01.2013

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Kurzfassung

Ein schmerzfreies und einschränkungsarmes Leben wird heutzutage als selbstverständlich

angesehen. Aber die bislang verwendeten Implantate können diesen Standard nicht

gewährleisten. Dieses Problem bot einen interessanten Forschungsansatz und warf die Frage

auf, ob eine Strukturierung von Titanimplantaten deren Eingliederung in den menschlichen

Organismus optimiert.

Die Arbeit wurde vom Institut für Materialwissenschaften und Werkstofftechnologie der

Friedrich Schiller Universität Jena begleitet. Dort wurde uns das Experimtentieren mit einem

CO2-Laser ermöglicht. Dabei wurden Titanplatten verschieden strukturiert. Die Auswertung

erfolgte mittels eines Lichtmikroskops.

Es sollte aufgezeigt werden, dass es möglich ist, mit dem Laser eine Titanoberfläche beliebig

zu strukturieren und damit eine Verbesserung der Implantaten zu realisieren. Diese

Verbesserungen sollten auch in der industriellen Produktion einsetzbar sein.

Titan stellte sich als geeigneter Implantatwerkstoff heraus, aufgrund seiner hervorragenden

mechanischen und vergleichsweise guten biologischen Eigenschaften. Um jedoch den

Integrationsprozess in den Organismus zu optimieren, müssen die biologischen Eigenschaften

verbessert werden. Oberflächenvergrößerung durch Strukturierung erzielt eine hinreichende

Biokompatibilität. Die Oberflächenstrukturierung ist für die feste Eingliederung von

Implantaten in den Körper von Vorteil. Sie garantiert eine bessere Verträglichkeit des

Implantats mit dem Körper.

Unsere Experimente haben gezeigt, dass eine beliebige Strukturierung der Oberfläche mit

dem Laser möglich ist. Um den Integrationsprozess zu beschleunigen, bietet sich eine

rillenförmige Strukturierung (der Oberfläche des menschlichen Knochens entsprechend) oder

eine, welche die Oberfläche maximiert, an. Dadurch wird das Anwachsen der Zellen

beschleunigt und damit die Genesungszeit nach der Operation für den Patienten verkürzt.

Bei der Wahl eines geeigneten Gases bietet sich Sauerstoff als Reaktivgas an, da es den

Materialabtrag erhöht. Außerdem wird hier die Ausbildung einer Titanoxidschicht gefördert,

die die Gefahr einer Abwehrreaktion des Körpers auf das Implantat verringert.

Ebenfalls hat sich das Prinzip der Verwendung einer selbstklebenden Polymerfolie bewährt,

da eine wesentlich sauberere Strukturierung erreicht wurde.

Die Steigerung der Biokompatibilität durch Oberflächenstrukturierung ist bloß eine durch

theoretische Überlegungen gut begründete Annahme. Eine praktische Bestätigung am

menschlichen Organismus war im Rahmen dieser Facharbeit nicht möglich. Wie eine solche

Strukturierung (eine knochenähnliche oder eine, die auf eine maximale Oberfläche

ausgerichtet ist) in der Praxis besser angenommen wird, ist noch experimentell genauer zu

untersuchen. Trotz allem sind keine Nachteile gegenüber einem Titanimplantat, dessen

Oberfläche nicht strukturiert wurde, erkennbar.

Dieses Verfahren kann jedoch nicht die endgültige Lösung des Implantatproblems sein. Es

besteht nach wie vor die Möglichkeit, dass der Körper das Implantat abstößt; die

Wahrscheinlichkeit könnte lediglich verringert werden. Das Implantat wäre nach wie vor kein

vollkommener Ersatz des ursprünglichen Körperteils. Das beschriebene Verfahren wäre nur

die Verbesserung der bisherigen Methode.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 3

2 Theoretische Grundlagen 4

2.1 Biokompatibilität 4

2.1.1 Biotolerant 4

2.1.2 Bioinert 4

2.1.3 Bioaktiv 4

2.1.4 Mögliche Reaktionen des Körpers auf das Implantat 5

2.2 Strukturierung von Titan mit CO2-Lasern 5

2.2.1 Titan als Implantatwerkstoff 5

2.2.1.1 Vorkommen 5

2.2.1.2 Eigenschaften 5

2.2.1.3 Titanverwendung in der Medizin 6

2.2.2 Der CO2-Laser 6

2.2.2.1 Aufbau 6

2.2.2.2 Funktion 7

2.2.2.3 Materialabtrag mit dem CO2-Laser 8

2.2.2.4 Erzeugung kurzer CO2-Laserimpulse 8

2.2.3 Programmierung des CO2-Lasers 9

3 Experimentelle Ergebnisse 9

3.1 Experiment vom 21.11. 2011 9

3.2. Experiment vom 18.04.2012 13

4 Diskussion der Ergebnisse 15

5 Zusammenfassung und Ausblick 17

6 Quellenverweise 18

7 Literaturverzeichnis 19

8 Eidesstattliche Erklärung 22

9 Danksagung 23

3

1 Einleitung

„Nach einer Starteuphorie wurde der Laser spöttisch als hervorragende Problemlösung

bezeichnet, der nur das lösbare Problem fehle.“ (Prof. Dr. i. R. Bernd Wilhelmi)

Zum Zeitpunkt der Entwicklung des Lasers war diese neuartige Technologie ihrer Zeit

voraus. Mit der Verbesserung des Lasers haben sich jedoch immer mehr

Einsatzmöglichkeiten aufgetan. Eine davon ist die Bearbeitung von Oberflächen. Diese

Anwendung findet auch immer mehr in der Medizin Verbreitung.

Auf Grund des allgemein angestiegenen Lebensstandards in Verbindung mit dem

voranschreitenden demographischen Wandel wird an die Medizin die Forderung gestellt,

ein bis ins hohe Alter schmerzfreies und einschränkungsfreies Leben zu sichern. In Folge

der gewachsenen Ansprüche spielen Implantate eine immer größere Rolle.

Implantate sollen eine hohe Lebensdauer und gute Verträglichkeit mit dem Organismus

aufweisen – sie sollen einen gleichwertigen Ersatz für das entsprechende Körperteil

bieten.

Derzeit sind die Implantate diesen Anforderungen nur bedingt gewachsen. Eine geringe

Lebensdauer von etwa 10 bis 15 Jahren in Verbindung mit der gestiegenen

Lebenserwartung führen zu zusätzlich notwendigen Operationen, da die Implantate

regelmäßig erneuert werden müssen. Ein weiteres Problem stellt der langwierige

Integrationsprozess des Implantats in den Organismus dar. Außerdem besteht die

Möglichkeit, dass der Körper das Implantat abstößt. Dies erhöht die physische, psychische

und finanzielle Belastung auf die Patienten.

Hier erkannten wir Verbesserungspotenzial. Als eine Möglichkeit die Implantat-

eigenschaften zu optimieren, stellte sich die Strukturierung der Werkstoffoberflächen

heraus. Diese Überlegungen bildeten die Basis für unsere Forschungsarbeit. Die Resultate

der dafür durchgeführten Recherche und Experimente möchten wir in unserer Arbeit

vorstellen.

4

2 Theoretische Grundlagen

Die Arbeit wurde vom Institut für Materialwissenschaften und Werkstofftechnologie der

Friedrich Schiller Universität Jena begleitet. Dort wurde uns das Experimtentieren mit einem

CO2-Laser ermöglicht. Dabei wurden Titanplatten verschieden strukturiert. Die Auswertung

erfolgte mittels eines Lichtmikroskops.

Es sollte aufgezeigt werden, dass es möglich ist, mit dem Laser eine Titanoberfläche beliebig

zu strukturieren und damit eine Verbesserung der Implantaten zu realisieren. Diese

Verbesserungen sollten auch in der industriellen Produktion einsetzbar sein.

Um ein ausreichendes Verständnis zur Thematik gewährleisten zu können, war die

Auseinandersetzung mit einigen Fachbegriffen und Materialien nötig.

2.1 Biokompatibilität

Biokompatibilität bezeichnet die Eigenschaft eines Werkstoffes, bei direktem Kontakt mit

lebendem Gewebe keine Störung des zugehörigen Stoffwechsels auszuüben. Ein

biokompatibler Werkstoff ist in der Implantologie von entscheidender Wichtigkeit, da sich

hier besagter direkter Kontakt über einen besonders langen Zeitraum erstreckt.

Eine Beschichtung mit einem biokompatiblen Material oder eine Strukturierung der

Oberfläche kann dazu dienen, einen nicht oder ungenügend biokompatiblen Stoff

entsprechend aufzuwerten („Oberflächenkompatibilität“). Der Stoff wird biofunktionalisiert.

Eine strukturelle Biokompatibilität wird erreicht, wenn hierbei eine Angleichung in Form und

Struktur an das Empfängergewebe erfolgt. Eine knochenähnliche Oberfläche kann durch eine

rillenförmige Strukturierung der Oberfläche des Titanwerkstücks erzeugt werden. Außerdem

wird durch diese Strukturierung die Oberfläche vergrößert, was die Angriffsfläche für die

Zellen vergrößert, welches den Einwachsprozess des Implantats in den Organismus erleichtert

und die spätere mechanische Stabilität des Implantates im Körper verbessert.

Ist der Stoff biokompatibel, so erfolgen beim direkten Kontakt mit dem Empfängergewebe

keine negativen Reaktionen.

Man unterscheidet den Begriff der Biokompatibilität in biotolerante, bioinerte und bioaktive

Werkstoffe. [1], [2]

2.1.1 Biotolerant

Ist der Werkstoff biotolerant, so treten während der Anwendung des Implantats im

Empfängergewebe keinerlei negative Modifikationen wie toxische Reaktionen oder eine

Beeinträchtigung des Zellgewebes auf. [1], [2]

2.1.2 Bioinert

Unter dem Begriff „bioinert“ ist das Ausbleiben einer Interaktion zwischen Werkstoff und

Empfängergewebe bezüglich chemischen, biologischen oder toxischen Reaktionen zu

verstehen. Zwar ist dieser Zustand nie vollständig gegeben, da immer eine gewisse

Wechselwirkung auftritt, jedoch ist von einem bioinerten Werkstoff die Rede, wenn die

Interaktion (wie ein Eintrag körperfremder Substanzen) innerhalb eines bestimmten Rahmens

stattfindet. [1], [2]

2.1.3 Bioaktiv

Eine Bioaktivität ist gegeben, wenn eine Adhäsion des Knochens an das anliegende Implantat

möglich ist. Die Umwandlung eines bioinerten in einen bioaktiven Werkstoff kann durch eine

Beschichtung erreicht werden. Im Falle einer erfolgreichen Adhäsion kann in Abhängigkeit

des Werkstoffs die Umwandlung des Implantatwerkstoffs beziehungsweise dessen bioaktiver

5

Beschichtung in organisches Knochenmaterial erfolgen. Diese Synthese ist im Gegensatz zu

bioinerten Verbindungen in der Lage, mechanische Kräfte zu übertragen. [1], [2]

2.1.4 Mögliche Reaktionen des Körpers auf das Implantat

Nach dem Einsetzen des Implantats gibt es mehrere mögliche Reaktionen des Organismus auf

den eingesetzten Fremdkörper.

Es kann zur gewünschten Reaktion kommen und die Zellen wachsen an das Implantat an. In

diesem Fall wird das Implantat vollständig in den Körper integriert.

Es kann aber auch zu nicht gewünschten Reaktionen kommen:

Eine davon ist die direkte Reaktion durch das umliegende Gewebe auf das Implantat, wobei

es sich entzünden kann. Außerdem kann der Körper das Implantat als Abwehrreaktion

abkapseln. Das bedeutet, dass das Implantat nicht einwächst, damit keine ausreichende

Bindung zum umliegenden Gewebe hat und damit hohen Belastungen nicht standhalten kann.

In Folge von Korrosion können indirekte Auftreten, welche eine Anreicherung von

Metallionen im Körper bewirken können. Wird eine kritische Konzentration dieser Ionen

überschritten (10-3

mol/l), setzt eine toxische oder allergische Reaktion ein [3]

2.2 Strukturierung von Titan mit CO2-Lasern

2.2.1 Titan als Implantatwerkstoff

2.2.1.1 Vorkommen

Titan zählt zu den häufigsten Elementen der festen Erdkruste. In der Natur kommt es in

zahlreichen Mineralien und Gesteinen vor. Zumeist ist es nur in geringen Mengen enthalten.

Beispiele für Titanminerale sind Ilmenit, Rutil, Anatas, Brookit, Perowskit, Titanit. Jedoch

können nur Rutil (TiO2) und Ilmenit (FeTiO3) als Ausgangsstoffe für die Gewinnung des

reinen Metalls von Titan genutzt werden. Der überwiegende Teil der abgebauten Titanerze

dient der Herstellung von Titandioxid. [4], [5], [6]

2.2.1.2 Eigenschaften

Das als Werkstoff verwendete Titan wird technisches Titan genannt, da es nicht im reinen

chemischen Zustand vorliegt, sondern geringe Mengen anderer Metalle enthält – es wird als

Legierung verwendet. Die von uns verwendete Titanlegierung ist Ti6Al4V.

Technisches Titan weist eine hohe Festigkeit bei relativ geringer Dichte auf. Diese hohe

Festigkeit behält es bis zu Temperaturen von 200 - 500 °C bei. Beim Vergleich von Titan mit

Stahl fällt auf, dass sich die Festigkeit von Titan im Bereich von vergüteten Stählen befindet,

wobei das spezifische Gewicht von Titan nur 4,507g/cm3 beträgt, was etwa 56% der

Stahldichte entspricht. Somit wird die gleiche Festigkeit bei etwa halbem Gewicht erzielt.

Titan weist eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit und eine starke chemische

Reaktivität gegenüber Sauerstoff auf. Durch die schnelle Reaktion mit Sauerstoff wird an der

Luft vom Werkstoff eine oxidische Schutzschicht ausgebildet. Diese ist vorteilhaft, da sie die

Korrosions- und Erosionsbeständigkeit erhöht. Außerdem wird das Werkstück gegenüber

verdünnter Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltigen Lösungen, kalter Salpetersäure und den

meisten organischen Säuren und Laugen beständig. Hinzu kommt, dass diese Oxidschicht

Titan biokompatibel macht.

Titan ist nicht toxisch und weist eine knochenähnliche Elastizität auf. Wegen seiner

antimagnetischen Eigenschaft agiert es selbst im Umfeld starker Wirbelstromfelder völlig

unempfindlich, während sich andere gängige Materialien stark aufheizen.

Die Schmelztemperatur von Titan beträgt ca. 1660 °C und die Siedetemperatur ca. 3290 °C.

Die Differenz der beiden Werte ist sehr groß, was bei der Strukturierung von Werkstücken

mit dem CO2-Laser zu beachtet ist. Eine präzise Strukturierung erfordert hohe

6

Strahlungsintensitäten, da der Werkstoff vorrangig verdampft und möglichst wenig

aufgeschmolzen werden soll. Da Titan beim Erhitzen unter Anwesenheit von Sauerstoff

verbrennt, müssen kurze Strahlungsimpulse verwendet werden, damit das Werkstück nicht

entflammt. [4], [5], [6]

2.2.1.3 Titanverwendung in der Medizin

Titan verhält sich im menschlichen Körper bioinert und findet daher breite Anwendung als

Implantatwerkstoff. Die Titanoxidschicht hat passivierende Eigenschaften, was das Element

besonders verträglich macht. Außerdem ermöglicht sie das feste Anwachsen von Knochen am

Implantat, was den dauerhaften Einbau in den menschlichen Körper ermöglicht.

Titan lässt sich gut als Werkstoff bearbeiten. Durch die sehr gute Korrosionsbeständigkeit

zersetzt es sich nicht im Körper.

Anwendung findet Titan häufig als Biomaterial für Implantate in der Medizin (orthopädisches

Implantat) und Zahnheilkunde. Jährlich werden ca. 200.000 Zahnimplantate allein in

Deutschland in den menschlichen Körpern implantiert. Zusätzlich zu Zahnimplantaten findet

Titan Verwendung bei Zahnkronen und Zahnbrücken. Hierbei fallen erheblich niedrigere

Kosten im Vergleich zum Beispiel zu Goldlegierungen an. Auch in der chirurgischen

Orthopädie, zum Beispiel bei metallischen Beinprothesen, Hüftgelenksprothesen, Hüftkopf-

und Kniegelenkersätzen wird Titan verwendet. Hinzu kommt die Mittelohrchirurgie:

Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und Paukenröhrchen werden aus Titan gefertigt. [7]

2.2.2 Der CO2-Laser

Der Laser ist ein für die Materialbearbeitung äußerst geeignetes Werkzeug. Man ist mit ihm in

der Lage, sehr genau sehr kleine und komplexe Strukturen (bis in den

Mikrometermeterbereich) zu erzeugen, was mit herkömmlichen mechanischen Werkzeugen

unmöglich wäre. Er hat außerdem im Gegensatz zu diesen praktisch keinen Verschleiß, ist

effizient und besitzt einen hohen Automatisierungsgrad, was eine wichtige Voraussetzung für

eine mögliche spätere Massenproduktion oberflächenstrukturierter Implantate ist. So ist er

nicht nur im technischen, sondern auch im wirtschaftlichen Sinn eine geeignete Möglichkeit

zur Oberflächenstrukturierung. Der CO2-Laser wird aufgrund seiner Effizienz und seiner

hohen Leistung eingesetzt. [8]

2.2.2.1 Aufbau

Der Aufbau des CO2-Lasers setzt sich aus drei Hauptkomponenten, dem Resonator, dem

aktiven Medium und der zugeführten Pumpenergiezufuhr zusammen (Abb. 1). Der Resonator

besteht aus 2 Spiegeln, wobei einer nahezu 100% reflektiert und der andere einen Teil der

Strahlung transmittiert. Das aktive Medium besteht beim CO2-Laser ein Gasgemisch aus

Kohlendioxid, Helium und Stickstoff. Dieses wird durch elektrische Energiezufuhr angeregt,

wodurch das Laserprinzip zum Tragen kommt. [8], [9]

Abb. 1: Schematischer Aufbau des Lasers

Quelle: Gräf: Vorlesungsskript Laser in der Materialbearbeitung FSU Jena

7

2.2.2.2 Funktion

Die Grundlage des Laserprinzips ist die Absorption von Energie durch das aktive Medium

und die darauffolgende Emission von Lichtquanten. Man unterscheidet in spontane und

stimulierte Emission.

Bei der spontanen Emission fallen durch Absorption von Energie angeregte Teilchen (Abb. 2)

spontan wieder in einen energetisch niedrigeren Zustand zurück. Dabei wird die

Energiedifferenz in Form eines Photons abgegeben (Abb. 3). Diese Form der Emission ist

praktisch nicht nutzbar, da sie nicht vorhersagbar stattfindet (deshalb spontane Emission). Sie

tritt beim Laser zwar auch in geringer Form auf, ist aber eher Stör- als Nutzfaktor.

Die stimulierte Emission ist die Voraussetzung für die Funktion des Lasers. Sie wurde 1916

erstmals von Albert Einstein vorhergesagt und konnte 1928 von Rudolf Ladenburg

experimentell nachgewiesen werden. Dabei kommt die sogenannte Besetzungsinversion zum

Tragen. Sie stellt einen Zustand dar, bei dem sich mehr Teilchen in einem angeregten

Energieniveau befinden als im Grundniveau. Im aktiven Medium treffen Photonen auf diese

angeregten Teilchen. Durch Wechselwirkungen mit den Photonen fallen die angeregten

Teilchen auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück und die Energiedifferenz wird in Form

eines Photons abgegeben, welches dem ersten Photon in seinen Eigenschaften (Richtung,

Kohärenz, Frequenz, Polarisation) gleicht. (Abb. 4)

Beim CO2-Laser wird das Prinzip wie folgt realisiert:

Das aktive Medium setzt sich hier, neben Kohlendioxid, auch aus Stickstoff und Helium

zusammen. Nun werden die Stickstoffmoleküle in einer Gasentladung angeregt. Sie

übertragen ihre Energie mittels Stößen auf die CO2-Moleküle. Dadurch kommt es zur

Besetzungsinversion, einem Zustand, „indem sich mehr Atome in einem, angeregtem Zustand

befinden, als im Grundzustand.“

N2* + CO2 CO2*+N2 +ΔE * = angeregt

Die Energiedifferenz wird in Form eines Photons abgegeben. Wenn diese Photonen auf ein

weiteres angeregtes Teilchen trifft, wie ein angeregtes CO2-Molekül, wird dabei ein weiteres

Photon mit gleichen Eigenschaften emittiert. Das Molekül geht dabei in einen relativ

langlebigen Energiezustand über.

Dieser Zustand wird aufgehoben, wenn angeregte CO2-Moleküle auf im Gasgemisch

befindliche Heliumatome treffen, ihre kinetische Energie durch Stöße an diese abgeben und

wieder in ihren Ausgangszustand zurückfallen.

Durch die gleichen Eigenschaften der emittierten Photonen, welche zwischen den Spiegeln

reflektiert werden, wird vom Laser ein annähernd paralleler Photonenstrahl ausgesandt. [10]

Abb. 2: Absorption von

Energie

Quelle: Gräf: Vorlesungsskript

Laser in der

Materialbearbeitung FSU Jena

Abb. 3: spontane Emission

Quelle: Gräf: Vorlesungsskript

Laser in der

Materialbearbeitung FSU Jena

Abb. 4: induzierte Emission

Quelle: Gräf:

Vorlesungsskript Laser in der

Materialbearbeitung FSU

Jena

8

2.2.2.3 Materialabtrag mit dem CO2-Laser

Mit dem Laser ist man in der Lage Metalle oder andere Werkstoffe beispielsweise zu

schneiden oder zu strukturieren. In beiden Fällen wird Material abgetragen. Dabei wird der

Laserstrahl auf die zu bearbeitende Fläche fokussiert, wodurch den Atomen um diesen

Bereich durch die Laserstrahlung Energie zugeführt wird. Dabei wird die Energie von den

Elektronen absorbiert, welche die Energie durch Stöße an das Metallgitter weitergeben.

Aufgrund ihrer erhöhten Energie fangen die Teilchen an stärker zu schwingen. Wenn die

zugeführte Energie groß genug ist, lösen sich Atome aus dem Metallgitter; sie werden

verdampft. Um den Materialabtrag effizienter zu gestalten, kann man zusätzlich Gase auf die

zu bearbeitende Oberfläche leiten. [11]

2.2.2.4 Erzeugung kurzer CO2-Laserimpulse

Bei vielen technischen Anwendungen des Lasers wird allerdings nicht mit einem

kontinuierlichen Laserstrahl gearbeitet, sondern mit gepulster Laserstrahlung. Ein Vorteil

dieser gepulsten Laserstrahlung ist zum einen die höhere erreichbare Spitzenleistung bei

gleichbeliebender mittlerer Leistung und zum anderen die Reduzierung der thermischen

Belastung für das Werkstück.

Da bei Titan Schmelz- und Siedepunkt sehr weit auseinander liegen (Ts=1668°C; Tv=3287°C)

hätte eine kontinuierliche Laserstrahlung ein starkes Aufschmelzen des Werkstücks um die zu

bearbeitende Oberfläche zur Folge (Abb. 5). Dies würde zu einer unpräzisen Strukturierung

führen. Eine gepulste Strahlung verhindert dies und sorgt außerdem für präzisere Strukturen.

Pulse können beispielsweise durch Modulatoren erzeugt werden (Abb. 6 und 7). Ein

Modulator besteht aus 2 optischen Platten (Zinkselenid), deren Innenseite verspiegelt ist und

deren Außenseite annähernd 100% der Strahlung transmittiert. Der Abstand der Platten wird

mittels Spulen gesteuert.

Dadurch kann zwischen minimaler und maximaler Transmission geschaltet werden

Legt man die maximale Transmission des Modulators zeitgleich zum Leistungshoch eines

ankommenden Laserpulses, entsteht ein sehr kurzer und energiereicher Strahlungspuls (Abb.

8). Dadurch erreicht man eine hohe Intensität bei einer geringen thermischen Belastung des

Werkstücks, weshalb man das zu bearbeitende Werkstück exakter und mit geringeren

Schmelzrändern strukturieren kann. [9]

Abb. 5: Einfluss der Pulsdauer auf den

definierten Materialabtrag

Quelle: A. Wetzig: Laser in Fein- und

Materialbearbeitung Fraunhofer Institut IWS

Dresden

Abb. 6: Prinzip Wirkungsweise eines

Modulators

Quelle: Gräf Vorlesungsskript: Einsatz von

Lasern in der Fertigungstechnik FSU Jena

d = Abstand der Platten

I0 = Ausgangsintensität

It = Intensität der transmittierenden Strahlung

9

Abb. 7: Modulator Abb. 8: gepulste Laserstrahlung im Energie-Zeit-

Diagramm

Schwarz: Laserpuls

Rot: durch Modulator beeinflusster Laserpuls

Quelle: Gräf: Vorlesungsskript Laser in der

Materialbearbeitung FSU Jena

2.2.3 Programmierung des CO2-Lasers

Mit dem Laser lassen sich beliebige Strukturen erzeugen. Um eine gewünschte Struktur

realisieren zu können, ist eine Programmierung erforderlich. Das Werkstück wird auf eine

bewegliche Oberfläche arretiert, während die Laserdüse unbeweglich ist. Die Steuerung

dieser Oberfläche ist zwar von Hand möglich; beim Arbeitsvorgang wird diese vom

Computer übernommen. Für die Programmierung verwendet man ein fiktives

Koordinatensystem, dessen Koordinatenursprung von der Düse ausgeht. In den Quelltext gibt

man Befehle ein, wie sich die Unterlage relativ zur Laserdüse verschieben soll. Außerdem

bestimmt man den Versatz und die Geschwindigkeit sowie den zeitlichen Abstand der Pulse

an. Für die Programmierung sind gewisse Befehle erforderlich. Diese setzten sich aus einer

Ordnungsnummer und einer zugeordneten Aktion zusammen. Die Ordnungsnummer besteht

aus einem N und einer fortlaufenden Zahl beginnend mit 100.

3 Experimentelle Ergebnisse

Die Experimente wurden im Laserlabor des Instituts für Materialwissenschaft und

Werkstofftechnologie (IMT) der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt

3.1 Experiment vom 21.11.2011

Vorbetrachtung:

Bei diesem Experiment sollten kreisrunde Bohrungen mit dem CO2-Laser auf der Oberfläche

eines Titanwerkstücks erreicht werden. Diese sollten wenig Schmelzanteil und keine Spritzer

aufweisen. Der Abstand zwischen den einzelnen Bohrungen sollte gleichmäßig sein.

10

Tabelle 1: Verwendete Parameter

verwendetes Gas: Argon (Schutzgas) bzw. Sauerstoff

(Reaktivgas)

Druck: 1,2 bar

Abstand zwischen Düsenunterkante und

Fokus:

0,7mm (Fokus wurde auf die Oberfläche

gelegt)

Pulslänge: 7µs

Pulse/Bohrung: 5

Anzahl Löcher: 4x4

Sonstiges: Verwendung selbstklebender Polymerfolie

Oberflächenbetrachtung Titan

Die Oberfläche der unbearbeiteten Titanproben ist durch eine relativ geringe Rauigkeit

charakterisiert. Dies wird erst bei starker Vergrößerung offensichtlich. Erhebungen und

Tiefen entsprechen oft nur wenigen Mikrometern. Die Werkstücke sind angeraut, wodurch

bereits eine geringe Oberflächenvergrößerung erreicht wurde (Abb. 9).

Abb. 9: Oberfläche eines unbearbeitenden Titanwerkstücks; 20x Vergrößerung

Bearbeitung: Ohne Folie: Sauerstoff und Argon im Vergleich

(Abb. 10 und 11)

Form:

Bei der Verwendung von Sauerstoff bildet sich eine kreisrunde Form der Bohrungen. Daraus

ergibt sich, dass es mit Sauerstoff prinzipiell möglich ist, die Strukturen so zu erzeugen, wie

man sie dem Laser vorgibt.

Der Schmelzrand um die Bohrung ist sehr groß und vielschichtig. Die Spritzer erstecken sich

in einem Gebiet mit einem maximalen Abstand von bis zu etwa 2,25 mm vom Bohrloch

entfernt. Das kommt dadurch zustande, da sich der Schmelzanteil, der sich im Bohrloch

bildet, durch das Arbeitsgas ausgetrieben und um das Loch herum abgelagert wird.

Bei der Verwendung von Argon ist die Form der Bohrungen nicht rund, da die Schmelze

stellenweise an der Innenseite der Bohrungen in das Loch gelaufen ist.

11

Da Sauerstoff als Reaktivgas mehr Intensität als das Schutzgas Argon besitzt, ist der

Materialabtrag größer. Der Schmelzrand ist wie bei Sauerstoff sehr groß und vielschichtig.

Die Spritzer haben mehr eine „klecksartige“ Gestalt; sie sind nicht so zahlreich und auch nicht

so weit vom Loch entfernt wie bei der Sauerstoffprobe. Das entsteht vermutlich dadurch, dass

beim Sauerstoff das Material besser verdampft wird, was durch die kreisrunden Löcher belegt

werden kann, währenddessen bei Argon mehr Schmelze entsteht, die teilweise zurück ins

Loch läuft.

Aus diesen Beobachtungen ergibt sich, dass unter den gegebenen Voraussetzungen keine

saubere Strukturierung der Titanplatte möglich ist. Die Schmelzränder und die Spritzer bzw.

Kleckse sind bei Argon und Sauerstoff zu groß, sodass diese bei aufwendigeren

Strukturierungen bis zu benachbarten Löchern reichen und somit die Strukturierung zerstören

würden.

Größe:

Unter Verwendung von Sauerstoff ergibt sich ein Durchmesser der Bohrungen von etwa 150

μm und die Schmelzrandbreite beträgt circa 50 bis 100 μm.

Unter Verwendung von Argon ergibt sich ein Durchmesser der Bohrungen von etwa 80 μm

und eine Schmelzrandbreite bis zu etwa 50 μm. Bei gleichbleibenden Parametern des CO2-

Lasers ist der Wert des Durchmessers der Bohrungen bei Sauerstoff etwa doppelt so groß wie

bei Argon. Dies ist damit zu begründen, dass bei Argon die Schmelze zurück in das Loch

läuft und sich dadurch der Durchmesser verkleinert.

Abb. 10: Bohrung mit Sauerstoff ohne

Verwendung einer Schutzfolie; 20x

Vergrößerung

Abb. 11: Bohrung mit Argon ohne

Verwendung einer Schutzfolie; 20x

Vergrößerung

Argon mit Folie

Durch die Verwendung einer Schutzfolie haben die Bohrungen eine kreisähnliche Form;

Schmelzrückstände sind bei allen Vertiefungen erkennbar, allerdings in unterschiedlichem

Ausmaße und an unterschiedlichen Stellen. Diese sind jedoch wesentlich geringer als ohne

Folie. Spritzer um die Bohrungen sind nicht vorhanden.

Die unterschiedliche Helligkeit der Bohrungen kann auf unterschiedliche Tiefe der jeweiligen

Bohrgründe hinweisen. (Diese Tatsache könnte auch durch die Beleuchtung des

Lichtmikroskops verfälscht werden.)

Die Schmelze ist teilweise in die Bohrungen hineingelaufen. (Abb. 12)

Die Abmessungen der Löcher betragen 50 – 70 µm.

12

Sauerstoff mit Folie

Versuch 1: (Abb. 13)

Die Form der Bohrungen ist kreisrund bis oval mit minimalen Unregelmäßigkeiten.

Im Vergleich zu den Experimenten mit Argon ist der Schmelzrand sehr gering, aber noch

vorhanden. Es traten keine Spritzer auf. Die Blaufärbung ist durch die Bildung einer

Titanoxidschicht zu erklären. Der Oberflächendurchmesser beträgt etwa 70 – 80 µm.

Versuch 2:

Die Parameter im Vergleich zu Versuch 1 sind nicht verändert worden. Die Form der

Bohrungen ist ideal (kreisrund). Die Schmelze ist weniger ausgeprägt; Schmelzränder sind

kaum bis gar nicht ausgeprägt. Spritzer sind wie bei Versuch 1 nicht vorhanden. Sichtbar wird

auch, dass die Blaufärbung, die in Versuch 1 sehr deutlich war, stark reduziert wurde.

Abb. 12: Bohrung mit Argon und Verwendung

einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung

Abb. 13: Bohrung mit Sauerstoff und

Verwendung einer Schutzfolie, 20x

Vergrößerung

Allgemein

Es ist gelungen die Bohrungen in einem gleichmäßigen Raster anzuordnen. Die vereinzelten

hellen Stellen auf der Titanoberfläche könnten Klebereste der Folie sein.

Fazit

Zur Auswertung des Experiments lässt sich folgendes zusammenfassen:

Die Verwendung der selbstklebenden Polymerfolie hat bessere Resultate erzielt, da hier eine

bessere und kontrolliertere Absorption am Start des Bohrprozesses stattfindet. Die

Schmelzränder waren geringer und Spritzer waren nicht vorhanden. Das hat die Ursache, dass

das herausgelöste Material sich auf der Folie ablagerte. Beim Abziehen der Folie vom

Titanwerkstück wurde dieses entfernt. Die Tiefe der Bohrungen mit Folie könnte etwas

geringer sein, da der erste Puls teilweise in der Folie absorbiert wird und somit nicht mehr

vollständig zum Materialabtrag in der Titanprobe zur Verfügung steht.

Im Vergleich der Arbeitsgase erweist sich Sauerstoff als besser geeignet. Die Form der

Bohrungen mit Sauerstoff ist runder als bei Argon.

Sauerstoff als Reaktivgas fördert die Reaktion mit dem Titanwerkstück, somit wurden beim

Durchmesser und vermutlich der Tiefe höhere Werte erreicht.

Für nachfolgende Experimente bietet es sich an, mit Sauerstoff und Folie weiterzuarbeiten.

13

3.2 Experiment vom 18.04.2012 Vorbetrachtung

Bei diesem Experiment sollten Gräben mit dem CO2-Laser auf der Oberfläche eines

Titanwerkstücks gezogen werden, die gerade Kanten, wenig Schmelzanteil, keine Spritzer

und eine ausreichende Tiefe aufweisen.

Verwendete Parameter:

Verwendetes Gas: Graben 1-7: Sauerstoff

Graben 8: Argon

Druck: 1 bar

Abstand zwischen Düsenunterkante und

Fokus:

0,7mm (Fokus wurde auf die Oberfläche

gelegt)

Pulslänge: 10µs

Gesamtlänge eines Grabens 5mm

Sonstiges: Verwendung selbstklebender Polymerfolie

Durchführung

Um Grabenstrukturen zu erzeugen, wurden Bohrungen so aneinandergereiht, dass sie sich

überlappen. Um eine ausreichende Breite und dabei einen gleichmäßigen Abtrag zu erzielen,

wurde eine weitere Reihe parallel zur ersten reißverschlussartig versetzt.

Beobachtung

Mit Hilfe der Gräben 1-3 sollten die nötigen Parameter für den geeigneten Versatz in x-

Richtung ermittelt werden. (Dabei wurde die eine Seite als x-Richtung definiert und die

Normale zur x-Richtung als y-Richtung festgelegt.) Dementsprechend wurde die

Geschwindigkeit des Objektträgers erhöht; dadurch wurde der Abstand der Bohrungen

vergrößert (Abb. 14, 15 und 16).

Bei Graben 4 wurde der Versatz in y-Richtung mit 60 µm festgelegt, was eine

reißverschlussartige Aneinanderreihung der Bohrungen ergab (Abb. 17). Bei den Gräben 5

wurde die Geschwindigkeit des Objektträgers verringert, sodass eine größere Überlappung der

einzelnen Bohrungen entstand (Abb. 18). In Graben 6 wurde die Programmierung von Graben

5 übernommen; die Anzahl der Durchläufe wurde erhöht um eine größere Tiefe der zu

erzeugenden Struktur zu realisieren. Um einen ebenen Grabengrund zu erreichen, wurde ein

letzter Durchlauf mit stark verringerter Geschwindigkeit hinzugefügt. Dadurch wurde ein

optimales Ergebnis erzielt (Abb. 19). Um nochmals den Vergleich zu Argon zu ziehen, ist der

letzte Graben mit diesem Gas durchgeführt wurden. Bei gleichen Rahmenbedingungen wurde

ein geringerer Abtrag und damit eine geringere Oberflächenvergrößerung erzielt (Abb. 20).

14

Abb. 14: Graben 1 mit Sauerstoff unter

Verwendung einer Schutzfolie; 10x Vergrößerung

Abb. 15: Graben 2 mit Sauerstoff unter

Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung

Abb. 16: Graben 3 mit Sauerstoff unter

Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung

(Hinweis: Die weißen Stellen in der unteren

Bildmitte könnten Rückstände der Schutzfolie

sein)

Abb. 17: Graben 4 mit Sauerstoff unter

Verwendung einer Schutzfolie; 10x Vergrößerung

Abb. 18: Graben 5 mit Sauerstoff unter

Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung

Abb. 19: Graben 6 mit Sauerstoff unter

Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung

Wendestelle

15

Abb. 20: Graben 7 mit Argon unter Verwendung einer Schutzfolie; 20x Vergrößerung

Fazit

Es ist gelungen, eine Strukturierung sowohl in x-Richtung, als auch in y-Richtung zu

schaffen. Die Wendestelle des Lasers, also der Übergang von x- in y-Richtung hatte keine

negativen Auswirkungen auf die Strukturierungen; auch hier waren die Kanten glatt. Daher ist

eine beliebige Strukturierung mittels CO2-Laser möglich und kann zur Steigerung der

Biokompatibilität verwendet werden.

Als geeigneter Werkstoff hat sich Titan herausgestellt, dessen Eigenschaften sich mit den

Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit und Biokompatibilität decken.

Es empfiehlt sich für die Strukturierung Sauerstoff als Reaktivgas zu verwenden.

4 Diskussion der Ergebnisse Unsere Forschungsarbeit ergab, dass Titan ein geeigneter Implantatwerkstoff ist. Damit das

Material in den Organismus eingesetzt werden kann, muss es biokompatibel sein. Um eine

reibungslose Transplantation zu ermöglichen, sollte ein höheres Maß an Biokompatibilität

gewährleistet sein. Dafür muss das Titanwerkstück biofunktionalisiert werden. Eine geeignete

Methode ist hierfür die Oberflächenstrukturierung.

Eine weitere wäre beispielweise die Beschichtung des Materials mit einer knochenähnlichen

Substanz wie Hydroxylapatit. Die Vor- und Nachteile beider Varianten sind noch nicht

hinreichend erforscht. Allerdings bietet die Oberflächenstrukturierung gegenüber der

Beschichtung den Vorteil, dass hier nur eine Grenzfläche zwischen organischem

Zellenmaterial und der bearbeiteten Titanoberfläche vorhanden ist. Bei der Beschichtung gäbe

es zwei: Eine zwischen dem metallischen Werkstoff und der Keramik, sowie zwischen der

Keramik und den Zellen. Eine höhere Anzahl von Grenzflächen erhöht die Gefahr von zu

hohen Spannungen, welche zu Rissen und zur Lockerung des Implantats führen können,

aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Stoffe (z.B.

unterschiedliche Elastizitätsmodule (ETi: 120GPa, EKnochen 20GPa, EKnochenzement 1GPa)).

Zusätzlich würde die durch die Strukturierung vergrößerte Oberfläche gemäß der Gleichung

bei konstanter Kraft eine kleinere Spannung bewirken. Diese Fakten sprechen für eine

Oberflächenstrukturierung im Gegensatz zur Möglichkeit der Beschichtung. Dazu bietet sich

der Einsatz eines Lasers an. Um die Effizienz des Materialabtrags zu steigern, sollte man mit

möglichst kurzen Laserimpulsen arbeiten. Man sollte allerdings auch beachten, dass bei zu

großen Leistungen sich Titan entzünden kann.

16

Unsere Annahme, dass eine beliebige Oberflächenstrukturierung möglich ist, konnte bestätigt

werden. Um eine möglichst geeignete Oberfläche zu erhalten, kann man zwei Strategien

verfolgen. Einerseits bietet sich eine rillenförmige Strukturierung an (siehe 2.2.3

Programmierung I), da diese der Oberfläche eines Knochens ähnelt. Anderseits, wenn man

das Prinzip der maximalen Oberflächenvergrößerung verfolgt, ist eine Art Schachbrettmuster

möglich (siehe 2.2.3 Programmierung II). Man sollte allerdings bei beiden Varianten

beachten, dass die Breite der Strukturierungen des Werkstücks eine ausreichende Größe hat,

damit das Gewebe optimal einwachsen kann.

Bei der Wahl eines geeigneten Gases bietet sich Sauerstoff als Reaktivgas an, da es den

Materialabtrag erhöht. Außerdem wird hier die Ausbildung einer Titanoxidschicht gefördert,

die die Gefahr einer Abwehrreaktion des Körpers auf das Implantat verringert.

Ebenfalls hat sich das Prinzip der Verwendung einer selbstklebenden Polymerfolie bewährt,

da eine wesentlich sauberere Strukturierung erreicht wurde.

Die Steigerung der Biokompatibilität durch Oberflächenstrukturierung ist bloß eine durch

theoretische Überlegungen gut begründete Annahme. Eine praktische Bestätigung am

menschlichen Organismus war im Rahmen dieser Facharbeit nicht möglich. Wie eine solche

Strukturierung (eine knochenähnliche oder eine, die auf eine maximale Oberfläche

ausgerichtet ist) in der Praxis besser angenommen wird, ist noch experimentell genauer zu

untersuchen. Trotz allem sind keine Nachteile gegenüber einem Titanimplantat, dessen

Oberfläche nicht strukturiert wurde, erkennbar.

Dieses Verfahren kann jedoch nicht die endgültige Lösung des Implantatproblems sein. Es

besteht nach wie vor die Möglichkeit, dass der Körper das Implantat abstößt; die

Wahrscheinlichkeit könnte lediglich verringert werden. Das Implantat wäre nach wie vor kein

vollkommener Ersatz des ursprünglichen Körperteils. Das beschriebene Verfahren wäre nur

die Verbesserung der bisherigen Methode.

17

5 Zusammenfassung und Ausblick

Ein schmerzfreies und einschränkungsarmes Leben wird heutzutage als selbstverständlich

angesehen. Aber die bislang verwendeten Implantate können diesen Standard nicht

gewährleisten. Dieses Problem bot einen interessanten Forschungsansatz.

Titan stellte sich als geeigneter Implantatwerkstoff heraus, aufgrund seiner hervorragenden

mechanischen und vergleichsweise guten biologischen Eigenschaften. Um jedoch den

Integrationsprozess in den Organismus zu optimieren, müssen die biologischen Eigenschaften

verbessert werden. Oberflächenvergrößerung durch Strukturierung erzielt eine hinreichende

Biokompatibilität. Die Oberflächenstrukturierung ist für die feste Eingliederung von

Implantaten in den Körper von Vorteil. Sie garantiert eine bessere Verträglichkeit des

Implantats mit dem Körper.

Es bietet sich eine rillenförmige Strukturierung oder eine, welche die Oberfläche maximiert,

an. Dadurch wird das Anwachsen der Zellen beschleunigt und damit die Genesungszeit nach

der Operation für den Patienten verkürzt.

In Zukunft werden immer mehr Implantate benötigt. Die Anforderungen, denen sie gerecht

werden müssen, wachsen stetig. Dieser Trend wird weitere Forschungen und neue Verfahren

mit sich bringen. Die von uns angefertigte Arbeit ist ein Teil dieser Entwicklung. Der nächste

Schritt bestünde darin, diese theoretischen Grundlagen und Überlegungen durch praktische

Belege zu untermauern. Erst dann wird es möglich sein, die geeignetste

Oberflächenstrukturierung als Massenproduktion in der Implantatindustrie zu etablieren.

Das Ziel muss es sein, sie so gut in den menschlichen Körper einzugliedern, dass der

Unterschied zum originalen Körperteil nicht mehr erkennbar ist. Deswegen wird die

Forschung auf diesem Gebiet noch viele Jahre andauern.

18

6 Quellenverweise

[1] Wintermantel, E.; Ha, S.-W.: Medizintechnik mit biokompatiblen Werkstoffen und

Verfahren, Springer Verlag, Berlin 2002

[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Biokompatibilit%C3%A4t

[3] Abke, J.: Verbesserung der Biokompatibilität metallischer Implantate durch konvalente

Anbindung einer quervernetzten Kollagenschicht. Dissertationsarbeit Uni Regensburg 2003

[4] Autorenkollektiv: Brockhaus Enzyklopädie in vierundzwanzig Bänden. Neunzehnte,

völlig neu bearbeitete Auflage (Zweiundzwanzigter Band Tep-Ur), Mannheim 1993

[5] Autorenkollektiv: Der Jugendbrockhaus. 5., aktualisierte Auflage (Band 3 Pic-Z),

Mannheim 2004

[6] Kemnitz, Erhard und Simon, Rüdiger (Hrsg.): Basiswissen Schule. Chemie. Mannheim

2007

[7] Frosch, K.-H.: Perfekte Partner: Titan und Gewebe, Göttingen 2005

[8] Wirth, P.: „Einführung in die industrielle Lasermaterialbearbeitung“. ROFIN-SINAR

Laser GmbH, Hamburg 2002

[9] Gräf, S.: Vorlesungsskript: Einsatz von Lasern in der Fertigungstechnik. FSU Jena

[10] Stroppe, H.: Physik für Studierende der Natur- und Ingenieurswissenschaften.

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, Leipzig 2012 (S.459ff.)

[11] Gillner, A.: Verfahren und Systeme zur Mikro- und Nanostrukturierung mit

Ultrakurzpulslasern. Frauenhoferinstitut für Lasertechnik Aachen

19

7 Literaturverzeichnis

Literatur:

Abke, J.: Verbesserung der Biokompatibilität metallischer Implantate durch konvalente

Anbindung einer quervernetzten Kollagenschicht. Dissertationsarbeit Uni Regensburg 2003

Autorenkollektiv: Brockhaus Enzyklopädie in vierundzwanzig Bänden. Neunzehnte, völlig

neu bearbeitete Auflage (Vierzehnter Band Mag - Mod), Mannheim 1993 (S. 588 ff.)

Autorenkollektiv: Brockhaus Enzyklopädie in vierundzwanzig Bänden. Neunzehnte, völlig

neu bearbeitete Auflage (Zweiundzwanzigster Band Tep-Ur), Mannheim 1993

Autorenkollektiv: Der Jugendbrockhaus. 5., aktualisierte Auflage (Band 3 Pic-Z), Mannheim

2004

Autorenkollektiv: Impulse Physik. Oberstufe, Stuttgart 2007

Autorenkollektiv: Meyers Universallexikon. Meyers Lexikonverlag, Leipzig 2007, (S. 537)

Bliedtner, J.; Beez, H.: Modul Lasermaterialbearbeitung FH Jena

Demtröder, W.: Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik 3. Auflage. Heidelberg 2004 (S.

348 f.)

Frosch, K.-H.: Perfekte Partner: Titan und Gewebe, Göttingen 2005

Gillner, A.: Verfahren und Systeme zur Mikro- und Nanostrukturierung mit

Ultrakurzpulslasern. Frauenhoferinstitut für Lasertechnik Aachen

Gräf, S.: Vorlesungsskript: Einsatz von Lasern in der Fertigungstechnik. FSU Jena

Grehn, J.; Krause, J.: Metzler Physik. Schroedel Verlag Hannover 2002 (S. 432/433)

Kemnitz, E.; Simon, R. (Hrsg.): Basiswissen Schule. Chemie. Mannheim 2007

Meyer, L.; Schmidt, G.-D. (Hrsg.): Lehrbuch Physik Gymnasiale Oberstufe, Berlin 2011

Nolte, S. u.a.: Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solid. Laser

Zentrum Hannover e.V., Hannover 1996

Orear, J.: Physik. New York, 1979, (S. 510 f.)

Staupendahl, G.; Schindler, K.: Lasertechnik und ihre Anwendungen in der

Materialbearbeitung. Friedrich-Schiller-Universität Jena, Jena 2003

Stroppe, H.: Physik für Studierende der Natur- und Ingenieurswissenschaften.

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, Leipzig 2012 (S.459ff.)

Tavanger, A.: Synthesis of bio-functionalized three-dimensional titania nanofibrous

structures using femtosecond laser ablation. Acta Biomaterialia, Nr. 07/2011 (S. 2726-2732)

20

Wintermantel, E.; Ha, S.-W.: Medizintechnik mit biokompatiblen Werkstoffen und

Verfahren, Springer Verlag, Berlin 2002

Wirth, P.: „Einführung in die industrielle Lasermaterialbearbeitung“. ROFIN-SINAR Laser

GmbH, Hamburg 2002

Internetadressen:

http://www.techniklexikon.net/d/besetzungsinversion/besetzungsinversion.htm

(21.10.2011 11.30 Uhr)

http://www.ipc.uni-karlsruhe.de/download/F69_2002.pdf (21.10.2011 11.11 Uhr)

http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/umwelt_technik/08laser/stim_emission/stimuliert.ht

m (21.10.2011. 11.20 Uhr)

http://www.implantologie-hopf.de/Implantologie-zu-wenig-Knochen.html (8.10.11 11:00)

http://www.zahn-implantate-

berlin.de/deutsch/news/implantatoberflaeche_aus_titanschaum.html (08.10.2011 11.10 Uhr)

http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Knochenhaut.html (08.10.11 11.20 Uhr)

http://www.engin.umich.edu/class/bme456/bonestructure/bonestructure.htm

(08.10.2011 11.30 Uhr)

http://www.bias.de/Publikationen/Bulletin/Archiv/Bias04-4.pdf (23.09.2011 18:43)

http://www.polymerservice-merseburg.de/index.php?id=270&lex[uid]=206&no_cache=1

(23.09.2011 18.50 Uhr)

http://www.bayfor.org/media/pdf/zib1_thull.pdf (23.09.2011 18.52 Uhr)

http://de.wikipedia.org/wiki/Laserablation (17.09.2011, 16.52 Uhr)

http://de.wikipedia.org/wiki/Laserstrahlverdampfen (17.09.2011, 16.34 Uhr)

http://www.form-technik.biz/ti_wissen_dt_htm/titan_material_und_eigenschaften.htm

(16.10.2011, 21.00 Uhr)

http://www.1dsz.de/Berichte/PDFHoffmann/ZTM_12_hoffmann.pdf (20.10.2011, 20.20 Uhr)

http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/zerspanungstechnik/articles/

331371/index1 (20.10.2011, 20.18 Uhr)

http://www.springermedizin.at/artikel/16501-waermeleitung-von-titanimplantaten-unter-co2-

laserbestrahlung-in-vitro (01.11.2011, 18.38 Uhr)

http://de.wikipedia.org/wiki/Titan_(Element)#Verwendung (01.11.2011, 19.47 Uhr)

http://www.bias.de/Events/Archive/LAF06/Proceedings/16%20%20RATH.pdf (27.10.2011,

18.30 Uhr)

http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlendioxidlaser (27.10.2011, 18.45 Uhr)

http://www.trumpf-machines.com/loesungen/basiswissen/laserschneiden/schneiden-mit-

licht.html (25.10.2011, 17.15 Uhr)

http://de.wikipedia.org/wiki/Laserbeschriftung (24.10.2011 15.45 Uhr)

http://www.laserschneiden.de/?id=schweiss (24.10.2011, 15.30 Uhr)

http://www.trumpf-

laser.com/loesungen/anwendungsfelder/laserschneiden/schmelzschneiden.html (24.10.2011,

15.15 Uhr)

http://www.rofin.de/?id=500 (24.10.2011, 15.10 Uhr)

http://www.leserberichte.de/themen/laserschneiden.htm (24.10.2011, 15.00 Uhr)

http://www.enzyklo.de(Begriff/Laserstrahlverdampfen (30.08.2011, 17.10 Uhr)

http://www.messer-

cw.de/schneidesysteme_de/produkte_anwendungen/verfahren/laser/index.php (30.08.2011,

17.00 Uhr)

http://www.de.ambrell.com/aboutinduction.php (30.08.2011, 16.00 Uhr)

http://www.rajmont/technologie-induktionserwarmung/ (30.08.2011, 14.30 Uhr)

http://de.wikipedia.org/wiki/Biokompatibilit%C3%A4t (27.01 2012, 13.45 Uhr)

21

http://flexikon.doccheck.com/Biokompatibel (27.01 2012, 13.50 Uhr)

http://www.biology-online.org/dictionary/Inert (27.01 2012, 14.30 Uhr)

http://flexikon.doccheck.com/Refrakt%C3%A4r (27.01 2012, 13.45 Uhr)

Sonstiges:

Samstagsvorlesung: „Laser – ein faszinierendes Werkzeug aus Licht“ Dr. Leitner; 15.01.11

„50 Jahre Laser: Ein langer und steiniger Aufstieg zum Innovationsmotor. Wie weiter?“ Prof.

Dr. i.R. Wilhelmi; 12.02.11

„Ultrakurze Laserpulse – schonendes Werkzeug in der Augenheilkunde“ Prof. Dr. Stefan

Nolte, Dr. Roland Ackermann; 22.10.11

Prospekt der Firma Carl Zeiss: Axio Imager 2. Dimension Leistung, Jena 2011

Materialwissenschaften und „Ersatzteile“ für den Menschen: bioinert, bioaktiv oder

biomimetisch?“ Prof. Dr. Klaus D. Jandt 3.12.11

Bilder:

http://laser6.tiot.uni-jena.de/fsbeisp/Version%201/FabryPerot-Dateien/image002.jpg

(31.10.2011. 13.20 Uhr)

FSU Jena Vorlesungsskript: „Einsatz von Lasern in der Fertigungstechnik“ Dr. Gräf

http://www.zeiss.de/C125679B0029303C/EmbedTitelIntern/PI_0126-2009/$File/PI_0126-

2009.jpg (16.02.2012, 21.17 Uhr)

http://www.uni-

saarland.de/fak7/hartmann/files/images/research/basics/lightmicroscopy/LichtmikroskopStrah

lengang.jpg (16.02.2012, 21.18 Uhr)

http://www.mikroskop-verleih.de/mikroskop/images/mikroskopweich.jpg (16.02.2012, 21.19

Uhr)

22

8 Eidesstattliche Erklärung

Hiermit erklären wir an Eides statt, dass wir für die Erstellung dieser Arbeit ausschließlich die

von uns angegebenen Quellen benutzt haben. Aussagen, die wörtlich oder sinngemäß

entnommen wurden, sind entsprechend gekennzeichnet.

Franka Fiedler Lukas Müller Michael Seifert

23

9 Danksagung

Im Rahmen unserer Facharbeit erhielten wir viel Unterstützung. Ganz besonders möchten wir

uns bei unserem Außenbetreuer Dr. Stephan Gräf bedanken, der uns tatkräftig bei unserer

Facharbeit unterstützt hat; er führte uns in das Thema theoretisch ein und ermöglichte uns die

Experimente. Hinzu kommen Johannes Häßler und Wolfgang Hering, die uns mit dem

Umgang mit dem Laser vertraut machten und außerdem Sebastian Engel und Hans-Jürgen

Hempel, die uns am Mikroskop betreuten. Weiterer Dank gilt der schulischen Unterstützung.

RositzRW Rositz.pdf