Werkstoffverhalten in biologischen Systemen: Grundlagen, Anwendungen, Schädigungsmechanismen, Werkstoffprüfung

ISBN-13: 9783540654063 / Niemiecki / Miękka / 1999 / 413 str.

Rainer Schmidt

Opis

Das Werkstoffverhalten in biologischen Systemen ist allgegenwartig, sei es die Geruchsbelastigung aus Abwasserleitungen oder das infektiose Lockern eines Zahnstiftes. Aufbauend auf den grenzflachenphysikalischen Phanomenen werden die materialwissenschaftlichen Probleme aller drei Anwendungsrichtungen (Biotechnologie, Biomimetrie, Medizintechnik einschliesslich der Biomaterialien) in ihren Gemeinsamkeiten und Unterschieden dargestellt. Der Exkurs in die Modellierung dient zum Aufzeigen moglicher Grenzen. Das Buch bildet eine anwendungsbezogene Klammer zwischen der Biologie und den Materialwissenschaften, anschaulich illustriert an Hand von zahlreichen Bildern und Tabellen. Diese Arbeitsrichtungen fuhren zu einem neuen Technologieschub, so dass dem Lernenden und in der Praxis Suchenden ein Leitfaden fur dieses interdisziplinare Gebiet in die Hand gegeben wird."

Spis treści

1 Einleitung.- 1.1 Was sind biologische Systeme?.- 1.2 Werstoffanforderungen — Ein Überblick.- 1.2.1 Sterilität.- 1.2.2 Biokompatibilität, Hämokompatiblität.- 1.2.3 Biofunktionalität.- 1.3 Anfordererungen in der Umwelttechnik.- 1.4 Historischer Überblick.- Literatur.- 2 Zellen und Zellverhalten.- 2.1 Prokaryoten.- 2.1.1 Viren, Phagen.- 2.1.2 Bakterien.- 2.1.2.1 Zelmembran.- Gram-positive Zellen.- Gram-negative Zellen.- 2.1.2.2 Energieequellen.- Atmung und Gärung.- Redoxpotential.- Reaktionen auf Umweltvenränderungen.- 2.1.2.3 Transport über Zellmembranen.- 2.1.2.4 Biomineralisation.- 2.1.2.5 Methoden zum Nachweis von Mikroorganismen.- 2.2 Eukaryoten.- 2.2.1 Klassifizierung.- 2.2.1.1 Algen.- 2.2.1.2 Pilze.- 2.2.2 Vielzeller.- 2.2.3 Gewebe.- 2.2.3.1 Binde- und Stützgewebe.- Natürliche Wundheilung.- 2.2.3.2 Knochengewebe.- Knochenbruchheilung.- 2.2.3.3 Blut.- 2.3 Immunsystem.- 2.4 Gewebereaktionen.- 2.5 Toxizität.- 2.6 Test mit Eukaryoten (Biokompatibilität).- Literatur.- 3 Materialwissenschaftliche Grundlagen.- 3.1 Struktur und Fehlstellen.- 3.1.1 Nulldimensionale Fehlstellen (Punktdefekte).- 3.1.2 Eindimensionale Fehlstellen (Versetzungen).- 3.1.3 Zweidimensionale Fehlstellen (Korn- und Phasengrenzen).- 3.1.4 Dreidimensionale Fehlstellen.- 3.2 Oberflächen.- 3.3 Zustandsschaubilder.- 3.4 Diffusionphänomene.- 3.4.1 Diffusionsmechanismen.- 3.4.2 Diffusionsgesetze.- 3.4.3 Der Diffusionkoeffizient.- 3.5 Keimbildung und Umwandlungen.- 3.5.1 Homegene und heterogene Umwandlungen.- 3.5.2 Homegene Keimbildung.- 3.5.3 Heterogene Keimbildung.- 3.5.4 Wachtumsprozesse.- 3.5.5 Wachstum biologischer Cluster.- 3.6 Sintern.- 3.7 Korrosion.- 3.7.1 Phänomenologie der Korrosion.- 3.7.2 Korrosionmechanismen.- 3.7.2.1 Elektrochemische Grundlagen.- 3.7.2.2 Passivität.- 3.7.2.3 Elektrochemische Mikroelemente.- 3.7.2.4 Konzentrationselement (Belüftungselement).- 3.7.3 Korrosion und mechanisches Verhalten.- 3.7.4 Mikrobielle Korrosion.- 3.7.4.1 Depolarisation durch Mikroorganismen.- 3.7.4.2 Sulfatreduzierende Bakterien (SRB).- 3.7.4.4 Eisenoxidierende Bakterien.- 3.7.4.5 Säureschädigung.- 3.7.4.6 Extrazelluläre Polysaccharide (EPS).- 3.7.5 Korrosion metallischer Implantate.- 3.7.6 Korrosionsschutz.- Mikrobieller Korrosionsschutz.- 3.8 Mechanisches Verhalten.- 3.8.1 Berührungsspannungen.- 3.8.2 Dynamische Belastung.- 3.8.3 Viskoelastizität.- 3.9 Fertigungstechnologische Einflüsse.- 3.9.1 Schweißken.- 3.9.2 Polieren.- 3.9.3 Beschichtungen.- 3.9.3.1 Oxidische Beschichtungen.- 3.9.3.2 Metallische Beschichtungen.- 3.9.3.3 Plasmaverfahren.- 3.9.3.4 Thermisches Spritzen.- 3.9.3.5 Kunststoffuberzüge.- Literatur.- 4 Festköperoberfläche und Adhäsion.- 4.1 Adhäsion.- 4.1.1 Zeiteinfluß.- 4.1.2 Äußere Einflüsse.- 4.1.3 Elektrostatische Einflusse.- 4.2 Adhäsionsmechanismen.- 4.2.1 Thermodynamische Grundlagen der Adhäsion.- 4.2.1.1 Adhäsionsarbeit.- 4.2.1.2 Deformationen.- 4.2.1.3 Donator-Akzeptor-Modell (Säure/Base).- 4.2.2 Wäßrige Lösungen.- DLVO-Theorie.- 4.2.3 Effekte durch Makromoleküle.- 4.2.4 Kapillarwirkung.- 4.2.5 Hydrophilie, Hydrophobie.- 4.2.5.1 Hydrophilie.- 4.2.5.2 Hydrophobie.- 4.3 Diffusionsspannung (Zeta-Potential).- 4.4 Adsorptions-Isotherme.- 4.5 Oberflächenergie.- 4.6 Elektrostatische Einflüsse.- 4.7 Teilchentransport.- 4.7.1 Hydrodynamische Einflüsse.- 4.7.2 Diffusion in der Lösung.- 4.8 Oberflächen.- Literatur.- 5 Biofilme und Biofilmtechnologie.- 5.1 Biofilme.- 5.1.1 Biofilmbildung.- 5.1.1.1 Extrazelluläre Polymere Substanzen (EPS).- 5.1.1.2 Geometrie und Beweglichkeit.- 5.1.2 Technische Nutzung von Biofilmen.- 5.1.2.1 Abwasser und Sielhaut.- 5.1.2.2 Abwasserreinigungsanlagen.- 5.1.2.3 Ausgewählte Verfahren.- 5.1.2.4 Essigsäureproduktion.- 5.1.2.5 Mikrobielles Erzleaching.- 5.1.2.6 Polysaccharid-Produktion.- 5.1.3 Zellimmobilisierung.- 5.1.3.1 Analytische Anwendungen (Biosensoren).- 5.1.3.2 Umwelttechnische Anwendungen (Behandlungsmethoden).- 5.1.3.3 Säuger-Zellsysteme.- 5.2 Biofouling.- 5.2.1 Membranfouling.- 5.2.2 Biofilme in Kühlsystemen.- 5.2.2.1 Wärmeübertragung.- 5.2.2.2 Biozide.- 5.3 Materialoberflächen und Sterilität.- Mikrosystemtechnik und Bioadhäsion.- 5.4 Biomimetische Anwendungen und Biofilmtechnologien.- 5.4.1 Biomimetische Prinzipien.- 5.4.2 Tissue-Engineering.- 5.4.3 Biofilmtechnologien.- Literatur.- 6 Werkstoffe in der Bioverfahrenstechnik.- 6.1 Anlagentechnik.- 6.1.1 Bioreaktoren.- 6.1.2 Steriltechnik.- 6.1.3 Zelltrennung.- 6.2 Biotechnologishch eingesetzte Stämme.- 6.3 Werstoffe.- 6.3.1 Metalle.- 6.3.2 Glas.- 6.3.3 Filterwerkstoffe.- 6.3.4 Kunststoffe.- 6.3.5 Dichtungswerkstoffe.- 6.3.6 Beschichtungen.- Literatur.- 7 Biomaterialien.- 7.1 Mechanische Biomaterialanforderungen.- 7.2 Zwishchenfläche Implant/Weichgewebe.- 7.2.1 Wundheilung mit Implantat.- 7.2.2 Physikochemische Oberflächeneffekte.- 7.2.3 Oberflächentopographie.- 7.3 Grenzfläche Implantat/Knochen.- 7.4 Grenzfläche Implantat/Blut.- 7.5 Werkstoffe in der Medizin.- 7.5.1 Metallische Biomaterialien.- 7.5.1.1 Stähle.- 7.5.1.2 Kobaltlegierungen.- 7.5.1.3 Reintitan und Titanlegierungen.- 7.5.1.4 Poröse Metallbeschichtungen auf Co- und Ti-Basis.- 7.5.1.5 Nickellegierungen.- 7.5.1.6 Edelmetall-Detallegierungen.- 7.5.1.7 Reinmetalle.- 7.5.2 Anorganisch/nichmetallische Biomaterialien.- 7.5.2.1 Bioinerte Oxidkeramiken.- Aluminiumoxidkeramik.- Zirkonoxidkeramik.- 7.5.2.2 Bioaktive Kalziumphosphatkeramik.- Trikalziumphosphatkeramik (TCP).- Hydroxylapatit (HA).- 7.5.2.3 Gläser und Glaskeramik.- Glaskeramik.- 7.5.3 Kunststoffe.- 7.5.3.1 Bio- und Hämokompatibilität.- 7.5.3.2 Synthetische Kunststoffe.- Polyethylen (HDPE, LDPE, UHMWPE).- Polypropylen (PP).- Polytetrafluorethylen (PTFE).- Polymethylmethacrylat (PMMA).- Polyamide (PA).- Polyvinylchlorid (PVC).- Polyethylenterephtalat (PET).- Polysulfon (PSU).- Polysiloxane (Silikone).- Polyurethan (PUR).- Hydrogele.- 7.5.3.3 Biologisch abbaubare Polymere.- 7.5.4 Kohlenstoff.- 7.5.5 Komposite und Verbunde.- Literatur.- 8 Biologisch orientierte Werkstoffprüfung.- 8.1 Prüfprobleme, welche Größen?.- 8.2 Oberflächenrauhigkeit.- 8.3 Mikroskopie.- 8.3.1 Lichtoptische Methoden.- 8.3.2 Elektronenoptische Methoden.- 8.3.3 Zellzahlmessung.- 8.4 Oberflächenanalytik und -energie.- 8.4.1 Elektronen- und Ionenspektoskopie.- 8.4.2 Zeta-Potential (Diffusionsspannung).- 8.4.3 Oberflächenenergie.- 8.5 Messung von Adhäsionskräften.- 8.6 Elektrochemische Korrosionsmessungen.- 8.7 Kultivierung.- 8.8 Prüftechnische Unterschiede in Biotechnologie und Medizin.- 8.9 Qualitätssicherung und Risikoabschätzung.- Literatur.- 9 Mathematische Methoden.- 9.1 Kinetische Modelle.- 9.1.1 Exponentieller Ansatz.- 9.1.2 Logistische Funktion.- 9.1.3 Monod-Modell.- 9.1.4 Reaktionskinetische Modelle.- 9.2 Monte-Carlo-Simulation.- 9.2.1 Teilchenbewegung.- 9.2.2 Clustermodelle.- 9.3 Strukturmodelle.- 9.4 Diffusion und Wärmeleitung.- 9.5 Rheologie.- Literatur.- Taballen A5.1 bis A5.7.- Tabellen A6.1 bis A6.13.- Tabellen A7.1 bis A7.29.