Künstliche Knochen. Der künstliche Mensch

Transkript

1 Künstliche Knochen Der künstliche Mensch

2 Intro K. Knochen Eigenschaften Modellierung Fertigung Zukunft Was sind Knochen? Einführung

3 Was sind Knochen? Gerüst/Skelett des menschlichen Körpers Safe für lebenswichtige Organe/Prozesse Lebendiges, semi-elastisches Hartgewebe 3

4 Was sind Knochen? mehr als 200 Knochen im Körper Nur 12% des Körpergewichts Häufigste Form: Röhrenknochen Sonst: Platte Knochen, Sesambeine, Kurze / Würfelförmige Knochen 4

5 Was sind Knochen? 5

6 Intro K. Knochen Eigenschaften Modellierung Fertigung Zukunft Einsatzgebiete Aufgaben und Funktion Künstliche Knochen

7 Brüche und Krankheiten Brüche Übermäßiger Knochenabbau: Osteoporose Fehlende Belastung (z.b. Weltraum) Genetische Defekte Schwache oder sogar fehlende Knochen 7

8 Lösungsansätze Flicken, Schienen, Verlängerung, Kürzen und Gipse Medikamente und Hormone Belastungstherapien, materielle Verstärkung Katzen 8

9 Lösungsansätze Kompletter Ersatz: Spendergewebe Künstliche Knochen 9

10 Aufgaben (Pflicht) Achsen der menschlichen Motorik Schutz innerer Organe Gerüst für Weichteilgewebe 10

11 Aufgaben (Optional) Speicherung und Freisetzung von Mineralien Knochenmark: Stammzellen Rot: Blutzellenbildung Gelb: Fettvorräte 11

12 Anforderungen Hohe Belastungen: Energie abdämpfen Kräfte und Vibrationen verteilen Zu Wachstum fähig Regenerativ Elastizität Stabil und leicht 12

13 Intro K. Knochen Eigenschaften Modellierung Fertigung Zukunft Zusammenspiel im menschlichen Körper Materialien und Wekrstoffe Eigenschaften künstlicher Knochen

14 Eigenschaften künstlicher Knochen Biokompatibilität: Gewebeverträglichkeit der Materials hinsichtlich der Struktur und der Wechselwirkungen auf den Organismus Biofunktionalität: Technische Ausstattung in Bezug auf Funktionen im Körper 14

15 Reaktionen des menschlichen Körpers Absterben des Gewebes (toxischer Werkstoff) Bildung von Bindegewebe (inerter Werkstoff) Ersetzen durch Gewebe (resorbierender Werkstoff) Zusammenwachsen (bioaktiver Werkstoff) 15

16 Werkstoffe Metalle hohe Festigkeit korrosionsbeständig Polymere teilweise Abbaubar im Körper billig 16

17 Werkstoffe Keramiken teilweise porös starr Faserverbundwerkstoffe elastisch 17

18 Intro K. Knochen Eigenschaften Modellierung Fertigung Zukunft Von CT-Daten zum 3D Modell Modellierung menschlicher Knochen

19 Modellierungspipeline Vom Knochen zum 3D Modell Computer Tomographie (CT) Segmentieren Registrieren Geometrisches Modell Numerisches Modell (z.b. für Bewegungen) 19

20 Computer Tomographie Röntgenbasiertes Verfahren Stack an Grauwert-Querschnittsbilder Probleme: Langwiedrige Methode Rauschen und Verzerrungen Farbenähnliche benachbarte Gegenden 20

21 Computer Tomographie

22 Segmentierung Gewebetyperkennung für jeden Pixel Thresholding Erfolgreichere Ansätze: Füllungsbasierte Statistische Form-Modelle Morphing von Atlanten Semi-automatische Tools 22

23 Segmentierung 23

24 Registrierung Starre: Ausrichten der Schichten zueinander Nur Rotation und Translationen Elastische: Verformung der Daten, z.b. aus Atlas Skalierungen 24

25 Geometrisches Modell Modellierung von: Volumen Oberflächen Feldern Isowerten Labeling 25

26 Geometrisches Modell 26

27 Numerisches Modell Erweiterung der Geometrie um Eigenschaften und Parameter: Freiheitsgrade Wechselwirkungen Fähigkeiten, pysikalisches System Kraft- und Strömungslinien Parameter (Dicke, Material...) 27

28 Intro K. Knochen Eigenschaften Modellierung Fertigung Zukunft Stereolithographie Sintern und LOM Moderne Fertigungsverfahren

29 Moderne Fertigungsverfahren Stereolithographie 29

30 Moderne Fertigungsverfahren Stereolithographie 30

31 Moderne Fertigungsverfahren Laser Sintern Pulver wird schichtweise aufgetragen Punktuelles Erhitzen des Pulvers bis unter den Schmelzpunkt mittels eines Lasers Laminated Object Modelling (LOM) Objekt schichtweise aus Papier aufbauen 31

32 Intro K. Knochen Eigenschaften Modellierung Fertigung Zukunft Entwicklungen und Möglichkeiten Zukunftsausblick

33 Zukunftstechniken Tissue Engineering Gewebeentnahme Züchtung eines Knochens Natürliche Implantate Implantat ist nur Gerüst je mehr Knochen nachgewachsen ist, desto mehr verschwindet das Gerüst 33

34 Zukunftsaussichten billigere und schnellere Fertigungsverfahren Bessere Integration in menschlicher Motorik und Nervensystem 34

35 Intro K. Knochen Eigenschaften Modellierung Fertigung Zukunft Danke