Studying piezoelectric excitation of hierarchically structured materials by means of multiscale modeling
Year: 2020
Type: dissertation
Abstract: Es ist wohlbekannt, dass Knochengewebe piezoelektrische Eigenschaften aufweist,aufgrund des entsprechenden Verhaltens auf der Ebene der Knochenbestandteile.In Studien zur Anregung von Zellaktivitäten im Knochengewebe durch mechanische Belastung wurde die mögliche Rolle der piezoelektrischen Aktivierung von Zellen mehrfach genannt. Da die entsprechenden Prozesse auf sehr kleinen Längenskalen ablaufen, ist eine experimentelle Untersuchung allerdings nicht möglich. Ziel dieser Diplomarbeit war die Ergründung der Rolle piezoelektrischer Anregung von Zellaktivitäten im Knochengewebe mittels Multiskalenmodellierung.Zu diesem Zweck wurde das grundlegende Konzept der Kontinuumsmikromechanik substanziell erweitert, sodass die im Rahmen dieses Konzepts etablierten Homogenisierungsschemen nicht nur die elastischen Eigenschaften berücksichtigen,sondern auch die relevanten elektrischen Größen. In weiterer Folge kann dadurch auch die makroskopisch aufgebrachte mechanische Belastung hinsichtlich der entsprechend auftretenden elektrischen Stimuli auf mikroskopischer Ebene interpretiert werden. Diese Modellierungsstrategie wurde dann auf ein bereits etablierte Mehrskalenmodell von Knochengewebe angewendet.Es konnte gezeigt werden, dass die durch physiologische makroskopische Belastung hervorgerufenen elektrischen Stimuli auf Zellebene deutlich zu klein sind um eine eektive Stimulierung der Zellen zu erreichen. Des Weiteren wurden Sensitivitätsstudien durchgeführt, um die Relevanz von morphologischen Kenngrößen sowie den Eekt von Deformationen zu quantizieren. Insgesamt zeigen die erzielten Ergebnisse, dass für die mechanische Stimulierung von Knochenzellen höchstwahrscheinlich andere Mechanismen verantwortlich sind, wiez.B. der hydrostatische Druck, der auf Knochenzellen wirkt.Zusätzlich wurde die vorgestellte Multiskalenmethode auf jene Gewebe, aus denen Zähne bestehen, Zahnschmelz und Dentin, angewendet. Hier zeigen sichinsbesondere bei den elastischen Eigenschaften gute Übereinstimmungen von Modellvorhersagen und experimentellen Daten. Folglich sind die Homogenisierungsschemen,welche für Zahnschmelz und Dentin formuliert wurden, als bemerkenswerte Nebenprodukte dieser Diplomarbeit zu betrachten.
Source: reposiTUm (TU Wien)
Author: Kornfellner, Erik
Language: German
Subfield: Applied Mathematics
Field: Mathematics
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W3088909613