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E-Book

Bionik

Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur-, Ingenieur- und Geisteswissenschaft

AutorCameron Tropea, Torsten Rossmann
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2005
Seitenanzahl595 Seiten
ISBN9783540269489
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis78,22 EUR

In vielen Wissenschafts- und Technikzweigen ist der praktische Nutzen der Bionik anerkannt. Die Lösung technischer Probleme mit Hilfe biologisch motivierter Prinzipien wird erfolgreich praktiziert. Außen vor blieb jedoch bisher die Verständigung zwischen den beteiligten Wissenschaftszweigen.

Dieses Buch gibt einen aktuellen Überblick über die unterschiedlichen Forschungsfelder, angefangen von Optimierungsstrategien in der Robotik über Adaptive Beinprothesen, Informationsverarbeitung in natürlichen und künstlichen Systemen, Optimierungsstrategien in der Industrie bis hin zu Philosophischen Aspekten der Bionik. Somit unterstützt es erstmals einen Diskurs zwischen den Disziplinen und ermöglicht einen Austausch zwischen Forschern unterschiedlicher Fachgebiete. Die Beiträge sind allgemein verständlich geschrieben und wagen einen Blick in die Zukunft spannender Forschungsaufgaben.



Torsten Rossmann, geb. 1966, ist Geschäftsführer des Biotechnik-Zentrums (BitZ) an der Technischen Universität Darmstadt. Er studierte Biologie, Geologie/Paläontologie und Maschinenbau. In mehr als 50 Fachartikeln hat er sich mit dem Bau und der Funktion der Lebewesen beschäftigt. Mit dem Aufbau und der Leitung des BitZ findet sein ausgeprägtes fachübergreifendes Interesse eine Herausforderung.

 

Cameron Tropea, geb. 1954, ist derzeit Leiter des Fachgebietes Strömungslehre und Aerodynamik im Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt, wo er sich vor allem mit Forschung im Bereich der Fluidzerstäubung, der Aerodynamik und der Strömungsmesstechnik befasst. Seine Beschäftigung mit der Bionik umfasst die Aerodynamik des Vogelfluges sowie das Aufprallverhalten von Flüssigkeitstropfen auf strukturierten Oberflächen.

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Leseprobe
Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren (S. 351-352)

Eckart Exner, Clemens Müller, Harald Schmidt
Institut für Materialwissenschaften, Technische Universität Darmstadt


Zusammenfassung

Reintitan und einige Titanlegierungen werden als Ersatz für mechanisch hochbelastete Teile in den menschlichen Körper eingebaut. Die positiven Eigenschaften wie exzellente Biokompatibilität und hoher Korrosionswiderstand werden in einigen Anwendungen durch unzureichende mechanische Stabilität eingeschränkt. Diese Problematik wird an zwei Beispielen aufgezeigt: Bei Gelenkprothesen führt häufig der Verschleiß bei Reibung gegen den als Gegenkörper eingesetzten Kunststoff zum Ausfall. Durch Ionenimplantation von Stickstoff und Kohlenstoff wird der Verschleißwiderstand wesentlich erhöht. Im Zahnersatz wird ein Unterbau aus Titan aus ästhetischen Gründen und zum Verschleißschutz durch eine Keramikauflage verblendet. Kritisch für den Einsatz ist, ob diese Maßnahmen andere Eigenschaften, und zwar vor allem die Ermüdungslebensdauer und den Korrosionswiderstand, in nicht zulässigem Maß verändern. Forschungsergebnisse, die in Zusammenarbeit verschiedener Institutionen gewonnen wurden, lassen Schädigungsmechanismen besser verstehen und liefern die Grundlage zu Verbesserungen und neuen Anwendungen von Titanwerkstoffen in der Humanmedizin.

Abstract

Titanium for joint and dental prosthesis: wear and fatigue as life-time limiting factors. Titanium and some of its alloys are used in replacements of highly loaded parts of the human body. Advantageous properties like excellent biocompatibility and high corrosion resistance are often impaired by insufficient mechanical stability. This problem is shown for two examples. In joint replacements, when a titanium alloy is sliding against a polymer used as partner material, excessive wear may limit the lifetime. Scratching can be significantly reduced by ion implantation, particularly with nitrogen or carbon. In tooth replacements, a titanium substrate is covered by a ceramic layer not only to improve the metal against wear but also for aesthetic appearance. In these applications such measures may alter other relevant properties like fatigue life and corrosion resistance to a nontolerable degree. Research carried out in cooperation of a number of institutions helps to understand damaging mechanisms and provides the fundamental knowledge for improvements and new applications of titanium materials in medical technology.

1. Einführung

Tabelle 1 zeigt einen Überblick über die Entwicklung der Humanimplantation. In den letzten 25 Jahren hat die Entwicklung medizinischer Instrumente und der Ersatz von Teilen des menschlichen Körpers (Organen, Knochen und Zähnen) entscheidende Fortschritte gemacht. Abb. 1 zeigt einige typische Implantate im menschlichen Körper. Titan hat sich in vielen Fällen als erste Wahl unter möglichen Werkstoffen erwiesen [1 - 5]. Konkurrenten sind vor allem rostfreie Stähle, Kobaltlegierungen und neuerdings auch keramische Materialien. Die gegenüber Knochen sehr hohe Steifigkeit (hoher Elastizitätsmodul) dieser Materialien, die vor allem bei Patienten mit Metallallergie problematische Biokompatibilität von Stählen und Kobaltlegierungen und die hohe Sprödigkeit der Keramik sind wesentliche Gründe, dass Titan oft der Vorzug gegeben wird, beispielsweise für künstliche Herzklappen, die weltweit pro Jahr etwa 60.000 Patienten eingepflanzt werden, für Elektroden von Herzschrittmachern oder für Stabilisierungselemente der Wirbelsäule.

Arthritis, meistens rheumatisch oder degenerativ bedingt, Nekrose und Krebs können Finger-, Ellbogen-, Hüft- oder Kniegelenke zerstören, und oft ist der chirurgische Weg mit dem vollständigen Ersatz der betroffenen Gelenkteile die beste oder sogar einzige Möglichkeit, die Schmerzen zu beseitigen und ein hohes Maß an Beweglichkeit zu erhalten. Auch im Kauapparat verlangt der Teil- oder Vollersatz von Zähnen oder Kieferteilen eine Kombination von speziellen Eigenschaften, die neben den Edelmetallen auch Titan aufweist. Bevorzugte Einsatzgebiete des Titans und einiger seiner Legierungen liegen deshalb im orthopädischen Bereich und im Zahnersatz. Titan und Titanlegierungen erfüllen zwei wesentliche Voraussetzungen zum Dauereinsatz im menschlichen Körper: Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität. Eine nur wenige Nanometer (ein Milliardstel eines Meters) dicke Oxidschicht an der Oberfläche schützt das Metall vor dem Angriff von Körperflüssigkeiten aller Art und führt dazu, dass das Wirtsgewebe das Implantat nicht oder nur sehr langsam abstößt und nicht von ihm beschädigt wird. In vielen Fällen wird sogar eine gute Anbindung oder das Einwachsen von Knochengewebe in geeignete Oberflächenstrukturen beobachtet.
Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort der Herausgeber7
Vorwort von Prof. Werner Nachtigall9
Inhalt11
1. Bionik15
1.1. Bionik im natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereich15
Sprachlich beschriebene Dynamik und rekurrente Fuzzy-Systeme16
1. Motivation16
2. Logik und Fuzzy-Logik17
3. Sprachliche Modellierung intraspezifischer Konkurrenz18
4. Mathematische Modellierung intraspezifischer Konkurrenz19
5. Fuzzy-Systeme, rekurrente Fuzzy-Systeme und Automaten21
6. Chaos bei der intraspezifischen Konkurrenz23
7. Anwendungen rekurrenter Fuzzy-Systeme24
8. Sequentielle Mustererkennung in Stranggießanlagen25
9. Fazit28
Adaptronik – ein technischer Ansatz zur Lösung bionischer Aufgaben30
1. Bionik und Adaptronik als wissenschaftliche Disziplinen30
2. Schnittstellen von Bionik und Adaptronik: Beispiele34
3. Zusammenfassung42
Microelectronics meets Bionics44
1. The status of Microelectronics44
2. Bionic-electronics48
3. Artificial Neural Network60
4. Future contribution of Microelectronics in Bionics62
Wirbelbildung hinter schlagenden Tragflächen64
1. Einleitung64
2. Material und Methode69
3. Erste Ergebnisse und Ausblick72
Infobionik – Entwurf einer menschzentrierten Benutzerschnittstelle75
1. Einführung75
2. Motivation und Einordnung77
3. Vision80
4. Grundlagen83
5. Probleme86
6. Verwandte Ansätze90
7. Ausblick91
Neurobionik – Prothetik, Biohybride und intelligente Algorithmen93
1. Einleitung93
2. Neuroprothetik94
3. Hybridtechnologie97
4. Intelligente Algorithmen aus der Natur98
Animal attachments: Minute, manifold devices. Biological variety – Basic physical mechanisms – A challenge for biomimicking technical stickers105
1. Introduction105
2. Classical descriptions, mainly in insects106
3. Examples of recent investigations114
4. General biological aspects and technical use120
Bionik im Bauwesen135
1. Einleitung135
2. Arten der Bionik137
4. Ein Beispiel für die Anwendung von Evolutionären Algorithmen anhand der Optimierung von Fassadensystemen – ein bionischer Ansatz147
Laufbewegungen bei Roboter, Tier und Mensch: Analyse, Modellierung, Simulation und Optimierung156
1. Einführung157
2. Grundlagen der vier- und zweibeinigen Fortbewegung157
3. Dynamik des Laufens bei Robotern160
4. Dynamik des Laufens bei Tier und Mensch163
5. Integration von Sensorik und Motorik165
6. Zusammenfassung und Ausblick166
Literatur168
Ein bionisches neuronales Netz zur Periodizitätsanalyse170
1. Motivation170
2. Das auditorische System171
3. Ein neuronales Netz zur zeitlichen Periodizitätsanalyse173
3.3. Modellierung des auditorischen Systems bis zum PAN-Modell177
3.4. Die PAN-Simulation180
4. Simulation mit dem PAN-Modul192
5. Ergebnisse193
6. Ausblick – Bionische Neuronale Netze195
1.2. Bionik im gesellschafts- und wirtschafts- wissenschaftlichen Bereich199
Zirkulierende Körperstücke, zirkulierende Körperdaten: Hängen Biopolitik und Bionik zusammen?200
1. Bionik und – „Biopolitik“?200
2. Ambivalenz der Bionik201
3. Was ist unter Biopolitik zu verstehen?203
4. Und die Bionik?213
5. Antwort und Schluss215
Was ist TechnoWissenschaft? – Zum Wandel der Wissenschaftskultur am Beispiel von Nanoforschung und Bionik217
1. Einführung218
2. Wissenschaftskultur219
3. Perspektivenwechsel221
4. TechnoWissenschaftskultur222
5. Das Interesse der TechnoWissenschaft224
Bionik und Interdisziplinarität227
1. Einführung227
2. Interdisziplinarität und Philosophie228
3. Horizontale Zirkulationen in der Bionik – wissenschaftstheoretische Aspekte235
4. Traditionslinien der Zirkulationstheorie – das Beispiel der Nachahmungsthese241
5. Vertikale Zirkulationen in der Bionik – am Beispiel der Chaosbionik244
6. Perspektiven249
Technologie- und marktorientierte Entwicklung von Bionik-Produkten254
1. Problemstellung254
2. Technologie- und Marktorientierung als Leitidee des Innovationsmanagements256
3. Einordnung der Bionik in das Technologie- und Innovationsmanagement257
4. Kompetenz im Management von Bionik-F&E-Netzwerken259
5. Technologiemanagement im Innovationsfeld Bionik262
6. Produkt- und Prozessentwicklung in der Bionik266
7. Fazit271
Industriedesign für nachhaltige Produkte, was bringt Bionik?273
1. Gestaltung/Industriedesign273
2. Nachhaltiges Wirtschaften277
3. Industriedesign ist komplexe Optimierung279
4. Designqualität, was ist das?281
5. Produktbeispiele mit bionischem Aspekt285
6. Gibt es Bionik-Design-Produkte?288
1.3. Didaktik und Methodik der Bionik289
Lectus CV – „Bionik trifft Adaptive Ergonomie“290
1. Eine Vision290
2. Das Konzept291
3. Fazit295
Interdisziplinarität: „Kritisches“ Bildungsprinzip in Forschung und Lehre296
1. Vorbemerkung zum „Credo“ der Bionik: Natur-Technik- Interdisziplinarität296
2. Interdisziplinarität – Zur Karriere eines Begriffs300
3. Blicke auf das Begriffsfeld: Typen und Auffassungen von Interdisziplinarität303
4. Zwischen Kritik und Funktion: Zur wissenschaftssystematischen Ortsbestimmung von Interdisziplinarität305
5. Die „kritische“ Bildungsfunktion von Interdisziplinarität in Forschung (Wissenschaftsentwicklung) und Lehre (Bildung der Studierenden)310
6. Anfragen zur interdisziplinären Theorie und Praxis an das Bionik-Projekt314
Naturorientierte Innovationsstrategie – Entwickeln und Konstruieren nach biologischen Vorbildern317
1. Einleitung317
2. Natürliche Konstruktionen als Vorbilder319
3. Zielbestimmung/Lösungsfindung unter bionischen Aspekten322
Die Untersuchung des Lokomotionsapparates von Fischen mit der ‘Transduktions-Methode’327
1. Einführung327
2. Bewegungen von Fischen und Fisch-Antrieben330
3. Der innere Aufbau eines Fisch-Körpers331
4. Beschreibung der Transduktions-Methode334
5. Zusammenfassung339
"Biomechanical Animal Design" – ein neues Praktikums-Modell341
1. Einführung341
2. Ablauf des Praktikums "Biomechanical Animal Design"343
3. Zusammenfassung350
4. Fazit350
2. Biomedizintechnik352
Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren353
1. Einführung354
2. Verschleiß von Gelenkprothesen357
3. Ermüdung von Dentalimplantaten365
4. Ausblick371
Tieftemperaturkonservierung lebender Bioproben – Kryotechnologieplattform für die Biotechnologie und Medizin375
1. Wunschtraum der Medizin375
2. Langzeitlagerung von Zellen377
3. Kryokonservierung ist kein natürlicher Prozess378
4. Anforderungen der Biotechnologie und Medizin381
5. Notwendigkeit moderner Kryotechnologieplattformen382
6. Beispiele für eine neue Kryotechnologie-plattform383
7. Modernste Kryobank im Saarland388
8. Lebendsammlungen – Wirtschafts- und Forschungsressourcen von morgen390
9. Ausblick392
Mikro-Elektromechanische-Systeme in der Medizintechnik - Projektkanon am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK)395
1. Einleitung396
2. Minimal-Invasive Chirurgie – Geschichte und Hintergründe396
3. Simulatoren in der MIC – Selbstverständliches wird wieder entdeckt398
4. Schläuche und Drähte als Schienen – Kathetertechnologie ist Zukunft399
5. Tasten im Körper400
6. Miniaturroboter zur Dick- und Dünndarmuntersuchung401
7. Druckmessung – Bedeutung für den Menschen403
Tumortherapie mit Ionenstrahlen411
1. Einleitung411
2. Physikalische Vorteile von Ionenstrahlen412
3. Erhöhte biologische Wirksamkeit416
4. PET Verifikation419
5. Klinische Ergebnisse Darmstädter Kohlenstoff Therapie419
6. Perspektive und weltweite Einbindung der Ionentherapie421
Analyse und Repräsentation akustischer Signale im Hörsystem424
1. Periodizität, eine wichtige Eigenschaft von Kommunikationssignalen424
2. Die Frequenzanalyse im Innenohr427
3. Die zeitliche Analyse im Hörsystem428
4. Orthogonalität von Tonotopie und Periodotopie im Colliculus inferior433
5. Repräsentation zeitlicher Information im Hörcortex436
6. Bedeutung der zeitlichen Analyse für die Musikwahrnehmung437
7. Schlussfolgerung438
Mit Stammzellen und Tissue Engineering zu Netzhautimplantaten440
1. Stammzellbiologie und Tissue Engineering gehören zusammen441
2. Ohne Stammzellen kein Lebendzellersatz442
3. Embryonale oder adulte Stammzellen?442
Funktionelle Behandlung von Kreuzbandverletzungen als Beispiel für angewandte bionische Medizin451
1. Einleitung451
2. Funktionelle Anatomie452
3. Unfallmechanismus und Diagnostik453
4. Funktionelle Behandlung455
5. Rehabilitation457
6. Ausblick: Allografts, bioaktive Substanze und Navigation458
7. Diskussion460
Ion channels as functional components in sensors of biomedical information463
1. Introduction463
2. Biosensing properties of ion channels464
3. Heart beat and cyclic nucleotides:464
4. ATP and insulin secretion465
5. The activity of ion channels can be measured465
6. Ion channel activity assay469
7. Ion channels and bio-engineering470
8. Viral channels as toolbox473
9. The viral K+ channel Kcv is a very small homolouge of eukaryotic K+ channels474
10. Just a few changes in the primary amino acid structure result in dramatic changes in the performance of the Kcv channel protein475
11. Outlook476
Neuronale Mechanismen der Entstehung von Tinnitus479
1. Was ist Tinnitus?480
2. Wo entsteht Tinnitus?480
3. Wie lässt sich ein subjektiver Tinnitus objektiv nachweisen?484
4. Wie entsteht die Tinnitusaktivität?490
5. Spielen Lernvorgänge für die Manifestierung von Tinnitus eine Rolle?491
6. Modell zur zentralen Tinnitusentstehung492
7. Simulation des Tinnitusmodells494
3. Biomechanik498
Magnetrezeption bei Brieftauben499
1. Einführung500
2. Die Magnetfeldrezeption unter magnetischen Gesichtspunkten503
3. Struktur möglicher Magnetsinnesorgane505
4. Rezeptorphysiologische Prozesse bei der Magnetfeldrezeption507
5. Die Modellstruktur im Taubenschnabel (Abb. 1)508
6. Subzelluläre Komponenten und Struktur der Magnetithaltigen Dendriten509
Mechanical stress as the main factor in skull design of the fossil reptile Proterosuchus (Archosauria)514
1. Introduction514
2. Methods515
3. Description518
4. Discussion522
Biodynamische Modellierung des Menschen – Anwendung ingenieurwissenschaftlicher Methoden auf das biologische System Mensch526
1. Strukturdynamik – was ist das?526
2. Schwingungen in der Natur – Ansätze für die Bionik527
3. Biodynamik – Schwingungsverhalten des Menschen527
Neue Prüfkonzepte für Primärstabilität und Dauerfestigkeit mandibulärer Osteosynthesesysteme sowie für mathematische Modelle des Kausystems540
1. Einleitung541
2. Stand der Technik541
3. Entwicklung eines multifunktionalen Prüfaufbaus542
4. Stabilitätsvergleich von Osteosynthesesystemen (Reintitan vs. Formgedächtnismaterial)548
5. Ergebnisse550
6. Diskussion552
7. Zusammenfassung553
8. Ausblick554
Prinzipien und Merkmale gelungener Bewegungen558
1. Einleitung558
2. Qualitative Merkmale gelungener Bewegungen559
3. Optimierungsfunktionen560
4. Ökonomie- und Effizienzkriterien562
5. Simulationen auf der Grundlage der Optimierungsfunktionen und Segmentarbeit563
6. Biomechanische Prinzipien566
7. Zusammenfassung und Ausblick570
Langfristige Verankerung künstlicher Gelenke – kann das gut gehen?572
1. Anatomie und Physiologie der Gelenke573
2. Endoprothesen577
3. Primär- und Sekundärstabilität578
4. Prothesenkonstruktionen und ihre Berechnung579
5. Ausblick588
Autorenverzeichnis590

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