Projekt MiZ – Mikrostrukturierte Zahnimplantate

Oberflächenstruktur durch Ultraviolett Laserstrahlung
Wasserabweisender Effekt (Hydrophobie) der Oberfläche durch Oberflächentexturierung

Bei Zahnimplantaten kann es sowohl gleich nach der OP als auch nach einiger Zeit zu Periimplantitis kommen. Dies ist eine Entzündung, welche durch eine Biofilmbildung auf der Implantatoberfläche verursacht wird und zum Implantatverlust führen kann.

Das Ziel dieses Projekts ist die Minimierung dieser Biofilmbildung und der damit zusammenhängenden Verminderung der Zahnfleischentzündung. Hierbei werden Ultrakurzpuls-Laser verwendet, welche Mikrostrukturen auf der Oberflächen erzeugen.

Was sind LIPSS und wie entstehen sie?

LIPSS (Laser-Induced Periodic Surface Structures) sind laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen in Größenordnung der eingestrahlten Wellenlänge. Durch Verwendung dieser Strukturen lassen sich Oberflächen vielseitig funktionalisieren:

• strukturelle Färbung durch Änderung der Reflexionseigenschaften

• gezielte Kontrolle der Benetzungseigenschaften (Hydrophobie und Hydrophilie)

• Änderung der Tribologie (Reibungseigenschaften)

• Optimierung des Zellwachstums

Ein theoretisches Model für die Entstehung von LIPSS ist bis heute nicht geklärt, aber es stehen mehrere Theorien im Raum. Die ersten zwei Modelle basieren auf Interferenz. Dadurch kommt es zu einer inhomogenen Energieverlagerung ins Material, wodurch es zur Abtragung bzw. Aufschmelzung der Oberfläche kommt. Dabei interferieren bei dem einen rückgestreute Strahlenanteile und beim anderen Plasmonen (Elektronenschwingungen entlang der Oberfläche) mit der einfallenden Laserstrahlung. Bei der Selbstorganisationstheorie löst sich die Kristallstruktur an der Oberfläche durch das starke elektromagnetische Feld des Lasers auf. Durch Abstoßungskräfte im Werkstoff kommt es zur sogenannten Coulomb-Explosion, die periodische Gräben auf der Oberfläche hinterlassen.

Da bisher keine dieser Vermutungen bestätigt wurden, bleibt es demnach ein offenes physikalisches Phänomen, was in Zukunft noch weiterhin untersucht wird.

 

Meine Tätigkeiten und Bezug zum Studium

Zu meinen Aufgaben während des Praktikums zählen unter anderem Recherchearbeiten, Aufnahmen und Auswertungen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM), Benetzbarkeitsmessungen und schließlich Laserbearbeitung von Metalloberflächen. Das Studium bietet in vielerlei Hinsicht eine sehr gute Grundlage für die praktische Anwendung.

Wie funktioniert ein Laser oder wie ist ein Laserstrahl aufgebaut? Die Vorlesung mit dem zugehörigen Labor zur Optischen Gerätetechnik klären all diese Fragen. Dieses Wissen war Voraussetzung und half zum Verständnis einiger Berechnungen. Beispielsweise habe ich aus dem Durchmesser d eines laserinduzierten Kraters die Strahltaille ω0, die schmalste Stelle im Laserstrahl, des Lasers ermitteln können. Im Bildgebungs- und Optiklabor bekamen wir einen Einblick in die Mikroskopie, weshalb die Verwendung und Auswertung im Praktikum keine Probleme bereiteten. Man kann demnach viel Erfahrung durch generelle Praxisnähe des Studiengangs durch die zahlreichen Labore sammeln und im späteren Arbeitsleben anwenden.

So kam es, dass ich im späteren Verlauf des Praktikums selbst die Lasermaschine für die Mikrostrukturierung bedienen durfte. In meiner Bachelorarbeit wird dieser Bearbeitungsprozess noch weiter spezialisiert auf die Lasermikrobearbeitung unter Wasser.

Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK)

Bilder Quellen: Uhlmann, E.; Schweitzer, L.; Cunha, A.; Polte, J.; Huth-Herms, K.: Application of laser surface nanotexturing for the reduction of peri-implantitis on biomedical grade 5 Ti-6Al-4V dental abutments, 2019