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Natur verstehen mittels Ingenieurwissenschaft:

Entschlüsselung universeller Baupläne im biologischen Werkstoff „Knochen“

Vortrag
Christian Hellmich

Montag, den 22. Juni 2015, 19 Uhr
Salon rouge, Institut français

Sprache: Deutsch

pdfLetzter Vortrag der Reihe « Bionik: Die Natur als Inspiration für die Technik »

Als einer der eminentesten Vertreter auf dem Gebiet der evolutionären Biologie schrieb der austro-amerikanische Zoologe Rupert Riedl (1925-2005), dass „… die lebende Welt von universellen Organisationsmustern überfüllt …“ sei. Während Riedl als klassischer Biologe diese Organisationsmuster in Wort und Bild beschrieb, konnten wir während der letzten 15 Jahre zeigen, wie mittels Ingenieurwissenschaft ein mathematischer Zugang zu universellen Regeln und Mustern in biologischen Strukturen und ihren mechanischen Konsequenzen gewonnen werden kann.


Insbesondere haben wir mineralisierte Gewebe wie Knochen (Bein) untersucht, und dabei die folgenden, mathematisch gefassten Regeln identifiziert:

  1. Die Grundbestandteile von Knochenmaterial, Kalzium-phosphat-Kristalle, Kollagen und eine gelartige wässrige Lösung verschiedenster organischer Bestandteile, treten nicht in beliebigen Dosierungen auf, sondern gehorchen einer präzise realisierten bilinearen Regel; wie Auswertungen von chemischen Untersuchungen an Knochen (Dehydrierung, Demineralisierung, Verbrennung) über ungefähr 100 Jahre deutlich zeigen.
  2. Die Kollagenmoleküle formen als größere, faserige Organisationseinheiten namens „Fibrillen“, und die Mineralkristalle sind zu gleichen Teilen auf die Porenräume innerhalb dieser und zwischen diesen Fibrillen aufgeteilt, wie die zuvor genannten chemischen Auswertungen in Verbindung mit Bildanalysen von transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen  augenscheinlich machen.
  3. Neutronenstrahlversuche und Massendichtemessungen lassen nachweisen, dass zufolge Hydrierung von Kollagenfibrillen der inter-fibrilläre Raum proportional zu den Fibrillen selbst wächst.
  4. Mineralisierung kollagenöser Gewebe erfolgt unter geschlossenen thermodynamischen Bedingungen (d.h. lokal wird den Geweben keine Masse zugeführt), und dies lässt, unter Berücksichtigung aller anderen Regeln (1)-(3), die Volumsanteile der Grundbestandteile eines Stückchen Knochens aus seiner Massendichte berechnen.

Conf Hellmich 22 06 15 photos
All diese Zusammensetzungs- und Strukturregeln liefern ideale Eingangsdaten für mehrskalige mechanische Modelle zur Quantifizierung von Elastizität, Festigkeit und Kriechverhalten (Viskosität) verschiedenster Knochenmaterialien. Sie sind mathematischer Ausdruck universeller, im Wirbeltierreich herrschender Baupläne. In Verbindung mit computertomographischen Aufnahmen öffnet dies neue Zugänge in orthopädischer Diagnose und Therapie.
Die identifizierten mechanischen Interaktionen sind auch äußerst hilfreich für das Verständnis und die Verbesserung klassischer Baumaterialien wie Beton oder Holz.

Conf Hellmich 22 06 15Univ.Prof. Dipl.Ing.Dr. Christian Hellmich (Technische Universität Wien -TU Wien)
ist Universitätsprofessor für Festigkeitslehre und numerische Mechanik am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (Fakultät für Bauingenieurwesen) der Technischen Universität Wien (TU Wien). An dieser Universität promovierte er zum Diplomingenieur 1995, seinen Doktortitel erhielt er 1999 und 2004 machte er seine Habilitation. Zwischen 2000 und 2002 hatte er ein Stipendium als Max Kade Postdoctoral Fellow im Institut für Umwelt- und Bauingenieurwesen des Massachusetts Institute of Technology. Seine Arbeit richtete sich schwerpunktmäßig auf gut validierte Werkstoffe und (Mikro)strukturmodelle, sowohl für Materialien wie Beton, Erde, Steine, Holz oder Knochen als auch künstliches Biomaterial und Strukturen wie Tunnels, Pipelines, Brücken oder das Wirbeltierskelett, einschließlich Implantate und tissue engineering scaffolds – bei Bedarf mit ergänzenden Versuchsexperimenten.
Er leitete mehrere Projekte in der Tunnel- und Pipelineindustrie sowie Aktivitäten im Bereich der interdisziplinären und internationalen Materialforschung, die von der Europäischen Union gesponsert worden sind. In dieser Eigenschaft war er Koordinator des Konsortiums “BIO-CT-EXPLOIT”, das Computertomographie mit Mikromechanik verbindet.
Er hat 96 Beiträge in internationalen wissenschaftlichen Zeitschriften auf dem Gebiet der technischen Mechanik, der Werkstoffkunde und der theoretischen Biologie veröffentlicht, 22 Buchbeiträge und mehr als 100 Artikel in einschlägigen Tagungsberichten.
Prof. Dr. Hellmich war Vorsitzender des Komitees für Werkstoffeigenschaften in der Abteilung für  Maschinenbau bei der Amerikanischen Gesellschaft für Bauingenieure und dem Komittee für Poromechanik am Institut für Technische Mechanik, Mitherausgeber der Zeitschrift für Technische Mechanik  (ASCE) und der Zeitschrift für Nanomechanik und Mikromechanik (ASCE).  Gemeinnützig hat er an mehr als 50 internationalen Konferenzen mitgearbeitet (einschließlich des Vorsitzes 2013 der EMI-ASCE-unterstützten Konferenz für Poromechanik) und 92 Wissenschaftszeitschriften und 12 wissenschaftliche Stiftungen begutachtet.
2004 bekam er den Kardinal Innitzer Förderungspreis (für seine Habilitationsarbeit ), 2005 den Anerkennungspreis des Landes Niederösterreich für Wissenschaft (für seine Leistungen im Bereich der Mikromechanik von hierarchischen Verbundstoffen) und 2008 den Zienkiewicz Award für junge Wissenschaftler in computergestützten Ingenieurwissenschaften, die von der Europäischen Gemeinschaft für Computergestützte Methoden in angewandten Wissenschaften (ECCOMAS) gesponsert wurde.
Für seine Forschungstätigkeit in der multiskalen Poromechanik für Knochenmaterial erhielt er 2010 das renommierte Förderstipendium von Europäischen Forschungsrat : 2011 wurde er zum Mitglied der jungen Kurie der österreichischen Akademie der Wissenschaften gewählt. 2012 bekam er den angesehenen  Walter L. Huber Forschungspreis der ASCE für seine Beiträge zur Mikroporomechanik der hierarchischen Geo- und Biomaterialien; und 2014 wurde er zum Fellow des EMI gewählt.

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