In-silico-Design von Implantaten auf der Basis eines Multiskalenansatzes

In der zweiten Förderperiode liegt der Fokus auf der simulationsgestützten Entwicklung bioresorbierbarer Implantate, insbesondere auf Magnesiumbasis. Ziel ist es, das Zusammenspiel von mechanischer Belastung, Materialdegradation und biologischer Anpassung des umliegenden Knochengewebes realistisch abzubilden und daraus verbesserte Implantatdesigns abzuleiten. Hierzu wird in TP-7 ein numerisches Mehrphasenmodell entwickelt, das Ermüdung, Diffusion, Korrosion sowie Knochenwachstum und -remodellierung in einem konsistenten Ansatz beschreibt und die Langzeitstabilität während des Resorptionsprozesses vorhersagt. Zur effizienten Simulation hoher Lastspielzahlen wird ein zeitbasierter Multiskalenansatz auf Makroebene verfolgt, bei dem die Entwicklung der relevanten Prozesse in Abhängigkeit der Lastspielzahl modelliert wird. Auf diese Weise können Degradations- und Schädigungsprozesse über lange Zeiträume untersucht werden, ohne den hohen Rechenaufwand konventioneller Ansätze. Die Modellparameter werden anhand experimenteller Daten kalibriert und validiert, um eine realitätsnahe Beschreibung des Implantatverhaltens unter zyklischer Belastung zu gewährleisten. Auf dieser Grundlage werden In-silico-Wöhlerkurven sowie Langzeitprognosen für unterschiedliche Belastungs- und Umgebungsbedingungen generiert.  Die entwickelten Methoden werden in anwendungsnahe Simulationswerkzeuge überführt und innerhalb der FOR 5250 mit experimentellen Teilprojekten verknüpft, sodass Simulation und Experiment iterativ zur Optimierung von Material, Struktur und Implantatdesign beitragen.