Werkstoffverhalten in biologischen Systemen

Inhaltsverzeichnis

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.

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