Biomaterialien in der Nanotechnologie (NT-M6/M7-BioMat)15 ECTS
(englische Bezeichnung: Biomaterials-NT)

Lehrveranstaltungen:

• Aus der Veranstaltungsgruppe "Polymerwerkstoffe/Metallische Werkstoffe/Keramische Werkstoffe in der Medizin (Wahl1)" sind 2 Veranstaltungen im Umfang von 6 ECTS zu wählen.
  Aus der Veranstaltungsgruppe "Werkstoffe und Verfahren der medizinschen Diagnostik/Werkstoffe der Elektronik in der Medizin (Wahl2)" ist eine Veranstaltung im Umfang von 3 ECTS zu wählen.
  Aus der Veranstaltungsgruppe "Biomechanik: Mechanische Eigenschaften .../Werkstoffoberflächen ... (Wahl3)" ist eine Veranstaltung im Umfang von 3 ECTS zu wählen.
  In anderen Modulen bereits gewählte Veranstaltungen können nicht erneut gewählt werden.

• NT-M6/M7-BioMat-Pflicht
  • Biomaterials for Tissue Engineering (SS 2018)
    (Vorlesung, 2 SWS, Aldo R. Boccaccini et al., Mo, 10:15 - 11:45, 3.71; ab 16.4.2018)
• NT-M6/M7-BioMat-Wahl1

  Aus der Veranstaltungsgruppe "Polymerwerkstoffe/Metallische Werkstoffe/Keramische Werkstoffe in der Medizin (Wahl1)" sind 2 Veranstaltungen im Umfang von 6 ECTS zu wählen.
  In anderen Modulen bereits gewählte Veranstaltungen können nicht erneut gewählt werden.

  • Keramische Werkstoffe in der Medizin (WS 2017/2018 - optional)
    (Vorlesung, 2 SWS, Stephan E. Wolf, Di, 8:15 - 9:45, H14)
  • Polymerwerkstoffe in der Medizin (WS 2017/2018 - optional)
    (Vorlesung, 2 SWS, Joachim Kaschta, Mo, 12:15 - 13:45, 1.84)
  • Metallische Werkstoffe in der Medizin (WS 2017/2018 - optional)
    (Vorlesung, 2 SWS, Stefan M. Rosiwal, Fr, 12:15 - 13:45, 0.68)
• NT-M6/M7-BioMat-Wahl2

  Aus der Veranstaltungsgruppe "Werkstoffe und Verfahren der medizinschen Diagnostik/Werkstoffe der Elektronik in der Medizin (Wahl2)" ist eine Veranstaltung im Umfang von 3 ECTS zu wählen.
  In anderen Modulen bereits gewählte Veranstaltungen können nicht erneut gewählt werden.

  • Werkstoffe und Verfahren der medizinischen Diagnostik I (WS 2017/2018 - optional)
    (Vorlesung, 2 SWS, Michael Thoms, Do, 12:15 - 13:45, H14)
  • Werkstoffe der Elektronik in der Medizin (SS 2018 - optional)
    (Vorlesung, 2 SWS, Miroslaw Batentschuk et al., Mo, 12:15 - 13:45, 3.71; ab 16.4.2018)
• NT-M6/7-BioMat-Wahl3

  Aus der Veranstaltungsgruppe "Biomechanik: Mechanische Eigenschaften .../Werkstoffoberflächen ... (Wahl3)" ist eine Veranstaltung im Umfang von 3 ECTS zu wählen.
  In anderen Modulen bereits gewählte Veranstaltungen können nicht erneut gewählt werden.

  • Biomechanik: Mechanische Eigenschaften biologischer Materialien (SS 2018 - optional)
    (Vorlesung, 2 SWS, Benoit Merle, Di, 10:15 - 11:45, H14; Beginn: 10.04.2018)
  • Werkstoffoberflächen in der Medizin/Material surfaces in medicine (SS 2018 - optional)
    (Vorlesung, Aldo R. Boccaccini et al., Mo, 14:15 - 15:45, Hörsaal ZMPT)

Inhalt:

Keramische Werkstoffe in der Medizin:

• Die Vorlesung gibt eine grundlegende Einführung über moderne Materialien in der medizinischen Anwendung.

• Deren spezifische Anforderungen an Gewebeverträglichkeit, mechanische Eigenschaften und Methoden der Verarbeitung werden untersucht.

• Weiter werden die Besonderheiten biologischer Materialien wie hierarchischer und regenerierfähiger Aufbau als solche diskutiert sowie deren Anwendung für technische Zwecke beschrieben.
  

Metallische Werkstoffe in der Medizin:

• Die Vorlesung behandelt die wichtigsten in der Medizintechnik eingesetzten Metalle.

• Ausgehend von der metallischen Bindung werden zuerst die für die Anwendung im menschlichen Körper wichtigsten Metalleigenschaften behandelt.

• Darauf folgt ein kurzer Exkurs zu Aufbau und Funktion der natürlich im Menschen gebildeten "Verbundwerkstoffe", der die Problematik des Ersatzes von lebendigen durch "tote" Materialien erläutert.

• Nach der Diskussion der Anforderungen an Biomaterialien und der Definition der Biokompatibilität werden die wichtigsten metallischen Werkstoffgruppen für die Medizintechnik (Stahl/Titan/Cobalt-Chrom) und in ihren speziellen Anwendungen im Körper vorgestellt.
  

Polymerwerkstoffe in der Medizin:

• Wissensvermittlung zu Grundlagen, Technologie, Charakterisierung und Anwendungen von Polymerwerkstoffen, Polymerblends und –composites.

• Herstellung und Eigenschaftsprofil von dünnen Polymerfilmen, Fasern und Nanofasern

• Einfluss der Größenskala auf Eigenschaften

• Wissensvermittlung zu den Vorgängen an Grenzflächen in polymeren Werkstoffsystemen, Kompatibilität verschiedener Polymere
  

Werkstoffe und Verfahren der medizinischen Diagnostik I:

• Leuchtstoffe, Verstärkerfolien, Film/Foliensysteme, Röntgenbildverstärker, CCDs, CCD-basierte Röntgendetektoren, Computertomographie (CT), a-Si Detektoren, optische Diagnostik, Fluoreszenzdiagnostik, Kernspintomographie, Charakterisierung und Optimierung von bildgebenden Systemen, Modulationsübertragungsfunktion, detektive Quanteneffizienz
  

Werkstoffe der Elektronik in der Medizin:

• Meilensteine der Elektronik in der Medizin, Vorteile der digitalen Röntgenographie, Prinzip vom bildgebenden Verfahren der digitalen Radiographie, Speicherleuchtstoffbildplatten, Speicherplatz im Kristallgitter von BaFBr:Eu und CsBr:Eu für die durch Röntgenbestrahlung entstehende Elektronen, Arbeitsprinzip der Computertomographie, Physikalische Grundlagen der Positronenemissionstomographie (PET), Annihilationsdetektion, Szintillatorkristalle, Leuchtstoffröhren in medizinischen Arbeitsbereich, Werkstoffe für die Herstellung weißer LEDs, Ultraschallsender bzw. Detektoren
  

Biomechanik:

• Struktur, Aufbau, Wachstum und mechanische Eigenschaften von biologischen Materialien

Vorlesungseinheiten:

• Zellen, Proteine, Gewebe: Aufbau, Funktion, mechanische Eigenschaften

• Muskulatur: Aufbau, Filamentgleittheorie, aktives und passives Gewebeverhalten, Hill-Modell

• Blutkreislauf: Gefäße, Strömungslehre, Model nach Krämer, Blutrheologie, Erythrozyten

• Biomechanics toolbox: Mechanische Eigenschaften einzelner Zellen, Nanoindentierung

• Knorpel: Struktur und Aufbau, Synovialflüssigkeit, Zug und Druckverhalten, Durchströmungsverhalten

• Knochen: Struktur, Wolff'sches Gesetz, Mechanostat

• Phasendiagramm, mechanische Eigenschaften (Elastizität, Schädigung), Größeneffekte
  

Werkstoffoberflächen in der Medizin:

• Bedeutung der Oberflächeneigenschaften für die Nutzung und Einsetzbarkeit von Biowerkstoffen

• Einfluss der Oberflächenchemie und -topographie von Biomaterialien auf die Zelladhäsion

• Erzeugung verschiedener Oberflächenstrukturen und Beschichtungen auf Implantaten und deren Auswirkungen auf die Integration in den menschlichen Körper

Lernziele und Kompetenzen:

Keramische Werkstoffe in der Medizin:

• Vermittlung vertiefter wissenschaftlicher und praktischer Kenntnisse auf dem Gebiet der mechanischen Eigenschaften von Gläsern und Keramiken für Einsätze in der Medizintechnik

• Die Studierenden können das mechanische Verhalten nichtmetallisch-anorganischer Werkstoffe in verschiedenen Anwendungen bewerten und erläutern.
  

Metallische Werkstoffe in der Medizin:
Die Studierenden

• verstehen den Zusammenhang von Werkstoffeigenschaften und Biokompatibilität bzw. Biofunktionalität.

• können die Einsatzmöglichkeiten unterschiedlicher Metalllegierungen im menschlichen Körper beurteilen.

• verstehen das Werkstoffversagen bei Implantatausfall.

• entwickeln Verständnis für die notwendigen Testungen an neuentwickelten Funktionsmaterialien für den Einsatz im menschlichen Körper.
  

Polymerwerkstoffe in der Medizin:
Die Studierenden

• erhalten einen tiefgehenden Einblick in die Thematik „Polymere Werkstoffe“.

• erwerben ein wichtiges Grundlagenverständnis (Struktur- Eigenschaftsbeziehungen auf allen Größenskalen).

• sind in der Lage, Modifizierungsstrategien für Polymerwerkstoffe in Bezug auf Optimierung von Eigenschaften zu erarbeiten und durchzuführen.

• haben ein Verständnis für industrierelevante Arbeitsmethoden gewonnen.

• kennen wesentliche Anwendungen und Entwicklungsfelder.
  

Werkstoffe und Verfahren der medizinischen Diagnostik:
Die Studierenden

• erwerben Grundkenntnisse der funktionalen Eigenschaften von Werkstoffen für Diagnostikgeräte.

• beschreiben und bewerten die Eigenschaften von Diagnostikgeräten mittels Kenngrößen.

• kennen den Systemaufbau moderner Diagnostikgeräte.

• bewerten den Systemaufbau und folgern Optimierungsstrategien moderner Diagnostikgeräte.
  

Werkstoffe der Elektronik in der Medizin:
Die Studierenden

• kennen und verstehen grundlegende Eigenschaften der Werkstoffe zur Herstellung von Detektoren ionisierender Strahlung.

• erwerben Fachkenntnisse zu den Herstellungsverfahren und weiterer Entwicklung von Röntgen- und Gammastrahlung- Detektoren.

• kennen den Systemaufbau moderner Diagnostikgeräte.

• bewerten Anforderungen an die Arbeitsparameter der Detektoren.

• kennen und verstehen grundlegende Eigenschaften der Materialien zur Herstellung von modernen Nanomarkern in der Biologie und in der Medizin.

• erwerben Fachkenntnisse zur Bewertung und weiteren Entwicklung von Beleuchtungsquellen in der Medizin.

• verstehen Zusammenhänge bei der Wechselwirkung der ionisierenden Strahlung mit anorganischen Materialien und bewerten das Anwendungspotential von Detektoren.

• kennen und verstehen grundlegende Prinzipien des Baus der Therapie-Geräte mit ionisierender Strahlung.
  

Biomechanik:
Die Studierenden

• können über das Verformungsverhalten von biologischen Materialien ausgehend von ihrem Aufbau diskutieren und dabei die Besonderheiten der biologischen Materialien aufzeigen.

• können anhand von empirisch abgeleiteten Gesetzen konstitutive Gleichungen zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften aufstellen.

• erhalten dabei einen einfachen Überblick über die für die mechanischen Eigenschaften wesentlichen Zell-Bestandteile und können ausgehend von der Belastungssituation im Körper das Verformungsverhalten von passivem und aktivem Gewebe verstehen.
  

Werkstoffoberflächen in der Medizin:
Die Studierenden

• verstehen die Bedeutung der Oberflächeneigenschaften für die Nutzung und Einsetzbarkeit von Biowerkstoffen.

• entwickeln Verständnis über den Einfluss der Oberflächenchemie und -topographie von Biomaterialien auf die Zelladhäsion.

Literatur:

Vergleiche bei den einzelnen Veranstaltungen.

Bemerkung:

Vergleiche bei den einzelnen Veranstaltungen.

Organisatorisches:

Vergleiche bei den einzelnen Veranstaltungen.

Studien-/Prüfungsleistungen:

Modulprüfung "Biomaterialien in der Nanotechnologie" (NT-M6/M7-BioMat) (Prüfungsnummer: 947062)

Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
Nur die verpflichtenden und die belegten optionalen Lehrveranstaltungen sind Gegenstand der Prüfung. Zur mündlichen Prüfung soll eine Liste der belegten optionalen Veranstaltungen vorgelegt werden. Details siehe Modulhandbuch.

Erstablegung: SS 2018, 1. Wdh.: WS 2018/2019

1. Prüfer:

Aldo R. Boccaccini