Biokompatible Werkstoffe,

Michael de Wild, michael.dewild@fhnw.ch

Studierende….

• haben eine Übersicht über das breite Werkstoffspektrum und Oberflächenmodifikationsmethoden der biomedizinischen Technik und kennen die Relevanz von Biomaterialien in der Wertschöpfungskette (2 verstehen)
• kennen die wesentlichen Aspekte der Biokompatibilität, insbesondere die Körperreaktionen und Gewebeanbindung an unterschiedliche Biomaterialklassen (1 kennen)
• kennen die relevanten analytischen, in-vitro, in-vivo und klinischen Testmethoden zur Überprüfung der Biokompatibilität, inkl. den relevanten Normen (2 verstehen)
• können die kritischen Prozesse bei der Herstellung, Bearbeitung, Reinigung, Verpackung und Sterilisierung von Biomaterialien und die spatio-temporale Abfolge von Ereignissen während dem Körperkontakt/Implantatplatzierung auf molekularer, zellulärer und geweblicher Grössenordnung erkennen. (4 analysieren)
• können materialspezifische Versagensmechanismen von biomedizintechnischen Produkten auf physikalischer, chemischer, elektrochemischer und biologischer Ebene erkennen und beurteilen. (5 beurteilen)

Anforderungen an Werkstoffe (Sterilität, Biokompatibilität, Hämokompatibilität, Biofunktionalität inkl. mechanische Eigenschaften)

• Biologische Reaktion auf Elemente und Fremdkörper, Interface Implantat-Gewebe
• Metalle:
• Mechanische Eigenschaften
• Mikrostruktur
• Korrosion
• Rostfreie Stähle, Kobaltlegierungen, Titan
• Polymere:
• Polymerisationsreaktionen
• Synthetische Polymere (PE, PP, PS, PEEK, PTFE, PMMA, PU, PDMS)
• Natürliche Polymere
• Biodegradierbare Polymere
• Keramische Werkstoffe:
• Aluminiumoxid
• Zirkonoxid
• Hydroxylapatit
• Bioglas
• Mikrostrukturierung von Biomaterialien
• Werkstoffversagen

Materialien und Werkstoffe

• kennen die prinzipiellen Unterschiede verschiedener Materialien (wie z.B. Metalle, Polymere, Keramik, biokompatible Materialien, neuartige Materialentwicklungen (z.B. Diamant-ähnliche Schichten, Carbon-Nano-Tubes), Composites, Verbundwerkstoff), die grundlegenden Aufbau-Prinzipien der Materialien und Werkstoffe und die Herstellungstechnologien von Materialien (2 verstehen)
• kennen die mechanischen Eigenschaften und Grenzen der Materialien (wie z.B. Metalle, Polymere, Keramik, biokompatible Materialien, neuartige Materialentwicklungen (z.B. Diamant-ähnliche Schichten, Carbon-Nano-Tubes), Composites, Verbundwerkstoff); die Problematik der Korrosion und exemplarische Anwendungen aus der Medizinaltechnik (Implantate, Kunststoff-Einwegteile, Chirurgie-Besteck...) (1 kennen)
• können Polymere in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterscheiden und somit eine Auswahl für Anwendungen treffen. (3 anwenden)
• können entscheiden, welche Materialien für bestimmte Anwendungen in Frage kommen (3 anwenden)
• können wirtschaftliche Konsequenzen der Materialauswahl für ein Produkt abschätzen (Grundlagen zu Rohstoffkosten und Verarbeitungskosten einiger Materialien) (3 anwenden)

Mechanik und Wärme Studierende…

• verstehen die grundlegenden Gesetze der Mechanik und der Wärmelehre und grundlegenden Begriffe, wie z.B. inertiales Bezugssystem, geschlossenes System, Erhaltungssatz (Energie, Impuls, …), konservative Kraft, Arbeit, Leistung, Potential etc. (2 verstehen)
• können die Dynamik von Massenpunkten und -systemen mit Hilfe der Newton’schen Gesetze und der Erhaltungsätze rechnen und auf konkrete Fragestellungen anwenden. (3 anwenden)
• können die Gesetze der Fluidik (Schweredruck, Auftrieb, Oberflächenspannung, Bernoulli, Viskosität) auf konkrete Fragestellungen umsetzen. (3 anwenden)
• können die Gesetze der Wärmelehre (Wärmetransport, Zustand idealer Gase, kinetische Gastheorie, 1. HS, 2. HS, Wärmekraft-Maschine) auf konkrete Fragestellungen umsetzen (3 anwenden)
• verstehen das Phänomen Schwingung, Resonanz und Wellenausbreitung (am Beispiel mechanischer Systeme: Feder-Massen-Schwinger, Wasserwellen, Druckwellen ...). (2 verstehen)

Zellbiologie I Studierende…

• kennen die allgemeine Struktur von Zellen und die Hauptunterschiede zwischen pflanzliche, bakterielle und tierische Zellen (1 kennen)
• verstehen die Funktion der verschiedenen zellulären Komponenten und Kompartimenten (wie z.B. Zellmembran, Zytoskelett, Nukleus, Mitochondrien, endoplasmisches Retikulum, Golgi-Apparat, Lysosomen, Peroxisomen, etc.) und wie sie zur Spezialisierung der Zelle beitragen (2 verstehen)
• können erklären, wie Zellen miteinander kommunizieren (z.B. Signaltransduktion, etc.) (2 verstehen) • können auflisten, welche Anpassungen in der Zellstruktur zur Spezialisierung in bestimmte Zelltypen (z.B. Epithelzellen, Nerven- und Muskelzellen, Gameten, etc.) führen (1 kennen)
• können angemessene, Zelltyp-spezifische, analytische Methoden identifizieren (wie z.B. Gen- und Proteinbestimmungen, zelluläre Atmung, Metabolismus, etc.), die experimentell durchgeführt werden könnten (3 anwenden)

Kursmaterial

• Fachartikel, spezifische Fachberichte
• Fachbuch „Medizintechnik mit biokompatiblen Werkstoffen und Verfahren“, Erich Wintermantel und Suk-Woo Ha, (2002).
• Fachbuch E. Hornbogen, G. Eggeler, E. Werner, Werkstoffe: Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen, Springer Verlag Berlin Heidelberg (2008), ISBN 978-3-540-71857-4.

• Rechnergestützte Vorlesung mittels Beamer.
• Als Lernunterstützung wird das Skript als Datei zur Verfügung gestellt.
• Demonstrationen, Demomaterialien, Labortour.
• Interaktive rechnergestützte Übungen mittels Beamer und Overheadprojektor, zum Teil als Gruppenarbeit.
• Erarbeitung und Präsentation eines englisch verfassten, wissenschaftlichen Artikels.

gemäss Modulverzeichnis in der aktuellen StuPO

3 Lektionen / Woche KW 38 bis 51 (14 Wochen im Herbst- Semester)