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Tiefenprofiluntersuchungen an ionenleitenden Gläsern mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS)

Zakel, Julia - Philipps-Universität Marburg (2014)


In dieser Arbeit wird das Verhalten von ionenleitenden, bioaktiven Gläsern und Polymermembranen untersucht. Dabei kommt hauptsächlich die Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) zum Einsatz. Damit kann eine dreidimensionale Darstellung der Elementverteilung in einer Probe geschaffen werden.

Nach der Synthese von bioabsorbierbaren Gläsern der allgemeinen Formel CaXA (X% CaO; (55-X)% A2O; 45% P2O5 mit X = 20, 30, 40, 50 und A = Na, K, Rb, Cs) und dem bioaktiven Glas 46S4 (46,4% SiO2; 25,2% Na2O; 25,2% CaO; 3,2% P2O5) werden zwei unterschiedliche Experimente daran angewendet. Zum einen wird eine elektro-thermische Polarisation durchgeführt. Dabei wird bei erhöhter Temperatur ein elektrisches Feld an das Glas angelegt, was zur Ausbildung einer Natrium-Verarmungszone unter der Anodenseite des Glases führt. Durch eine Kombination von Impedanzspektroskopie, Depolarisationsstrommessungen und ToF-SIMS-Tiefenprofilierung kann die Bildung der Verarmungszone beobachtet werden, sowie deren Dicke bestimmt und die darin gespeicherte Ladung ermittelt werden. Anschließend wird der Einfluss der Polarisation auf die Bioaktivität der Gläser überprüft. Bioaktive Gläser sind in der Lage, beim Kontakt mit Gewebe oder Knochen des menschlichen Körpers knochenähnliches Material an ihrer Oberfläche auszubilden und so eine feste Bindung mit dem Gewebe einzugehen. Für die Untersuchung der Bioaktivität werden sie für einige Zeit in eine Lösung eingelegt, die den Ionengehalt und pH-Wert von Gewebsflüssigkeit genau nachbildet (simulierte Körperflüssigkeit).

Die anschließende Analyse der Oberfläche zeigt einen deutlichen Einfluss der Polarisation auf die Bioaktivität und das Löslichkeitsverhalten der Gläser. Zum anderen wird die Technik des bombardement-induzierten Ionentransports (BIIT) auf die Gläser und Polymermembran angewendet. Dabei werden mit Hilfe eines geleiteten Ionenstrahls Alkaliionen auf der Oberfläche deponiert. Dadurch entsteht ein elektrischer Potentialgradient, der zur Wanderung der Ionen durch das Material führt. Mit ToF-SIMS kann dieses Diffusionsprofil gemessen werden. Anschließend wird mit Hilfe der Nernst-Planck-Poisson-Gleichungen das Tiefenprofil mit der Theorie verglichen. Dabei können die konzentrationsabhängigen Diffusionskoeffizienten der Alkaliionen berechnet werden.


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