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B. die Zytotoxizität von Al und V und hohe Elastizitätsmodulwerte.Legierungen vom β-Typ haben im Vergleich zu Ti-Legierungen vom α-Typ und (α + β)-Typ einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine höhere mechanische Festigkeit.Dann werden neue biomedizinische Legierungen vom β-Typ mit nicht zytotoxischen Legierungselementen wie Mo und Nb entwickelt.Daher wurden Legierungen des Ti-5Mo-xNb-Systems durch Argon-Lichtbogenschmelzen hergestellt.Die chemische Zusammensetzung wurde durch EDS-Analyse bewertet, und die Dichtemessungen wurden durch das Verfahren von Archimedes durchgeführt.Die Struktur und Mikrostruktur der Legierungen wurden durch Röntgenbeugung und Licht- und Rasterelektronenmikroskopie erhalten.Mikrohärtewerte wurden analysiert und MTT- und Kristallvioletttests wurden durchgeführt, um ihre Zytotoxizität zu beurteilen.Wenn die Nb-Konzentration zunimmt, wächst auch das Vorhandensein der β-Ti-Phase, wobei die Ti-5Mo-30Nb-Legierung eine einzelne β-Ti-Phase darstellt.Im Gegensatz dazu nimmt die Mikrohärte der Legierungen mit der Zugabe von Nb ab, mit Ausnahme der Ti-5Mo-10Nb-Legierung, deren Mikrohärte wahrscheinlich aufgrund der ω-Phasenausscheidung zunimmt.Biologische In-vitro-Tests zeigten, dass die Legierungen nicht zytotoxisch sind.Heutzutage nimmt die Zahl älterer Menschen weltweit zu.Folglich steigt auch die Nachfrage nach Materialien zum Ersatz von Hartgeweben wie Hüft- und Knieimplantaten, um eine bessere Lebensqualität und eine klinische Behandlung altersbedingter Krankheiten zu ermöglichen1,2.Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften, wie hoher mechanischer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit, niedrigem Elastizitätsmodul und ausgezeichneter Biokompatibilität, werden Ti-Legierungen in biomedizinischen Anwendungen häufig eingesetzt3.CP-Ti und Ti-6Al-4 V-Legierungen werden häufig als Implantatmaterialien verwendet4.Studien haben jedoch gezeigt, dass V-Ionen zytotoxisch sind und Nebenwirkungen im Körper hervorrufen können, während Al-Ionen neurologische Störungen wie die Alzheimer-Krankheit hervorrufen können2,5.Daher werden neue Legierungen ohne Al und V entwickelt, die die bereits bekannten Eigenschaften von Ti-Legierungen beibehalten.Um dieses Problem zu lösen, werden ungiftige und nicht allergene β-stabilisierende Elemente wie Ta, Zn, Sn, Nb und Mo verwendet.Diese Elemente erzeugen Ti-Legierungen mit hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem Elastizitätsmodul6.Obwohl einige Studien darauf hindeuten, dass die Freisetzung von Mo-Ionen toxisch sein kann7,8, zeigen andere, dass Ti-Legierungen, die Mo enthalten, eine ausgezeichnete Biokompatibilität aufweisen9, wie Ti-15Mo10, Ti-15Mo-5Mn11 und Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF)12 .Andere Studien haben gezeigt, dass Mo-haltige Ti-Legierungen eine gute mechanische Kompatibilität aufweisen13, wie Ti-Mo14 und Ti-Mo-Ta15.Auch Karthega et al.16, Oliveira et al.17 und Zhou et al.18 zeigten, dass Ti-Mo-Legierungen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber simulierten Körperflüssigkeiten aufweisen13.Andere Studien haben gezeigt, dass Ti-Mo-Nb-Legierungen gute mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit19,20,21 und angemessene In-vitro-Biokompatibilität22 aufweisen.Mo ist auch ein stark β-stabilisierendes Element.Daher können hohe Konzentrationen zu einer erhöhten atomaren Bindungsenergie führen, wodurch tendenziell der Elastizitätsmodul der Legierungen erhöht wird23.Aufgrund der geringen Anzahl von Studien mit ternären Legierungen aus Ti-Mo-Nb mit niedriger Mo-Konzentration wird daher der Nb-Gehalt von niedrigen bis zu hohen Gehalten variiert und angestrebt, eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls der Legierungen und eine mögliche Zytotoxizität zu vermeiden Mo wurde gewählt, um mit nur 5 Gew.-% Mo-Element in den Legierungen zu arbeiten.Darüber hinaus verfügt Brasilien über etwa 90 % der weltweiten Niobressourcen und macht etwa 95 % der weltweiten Produktion aus.Auf diese Weise ist es aus wirtschaftlicher und strategischer Sicht entscheidend, in die Forschung im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Entwicklung von Legierungen zu investieren, die Niob enthalten, da Brasilien die weltweiten Ressourcen dieses Metalls anführt24,25.In dieser Studie wurde ein neuartiges Ti-Mo-xNb-Legierungssystem (x = 0, 10, 20 und 30 Gew.-%) durch Argon-Lichtbogenschmelzen hergestellt, um die Wirkung von Nb auf die mechanischen Eigenschaften von Legierungen mit einer geringen Menge an Nb zu bewerten Mo.Tabelle 1 zeigt die durch EDS erhaltene chemische Zusammensetzung.Es ist zu beobachten, dass die chemische Zusammensetzung in der Nähe der Nennwerte blieb.Abbildung 1 zeigt das EDS-Spektrum für jeden untersuchten Barren im Gusszustand, in dem nur Peaks der Legierungselemente (Ti, Mo und Nb) beobachtet werden, was auf eine gute Qualität der hergestellten Proben hinweist.Abbildung 2 zeigt die EDS-Elementkartierungen jeder hergestellten Legierung nach dem Schmelzen.Es wird beobachtet, dass die Elemente gut verteilt sind.Es wurden keine agglomerierten und separierten Elemente beobachtet, was die hervorragende Homogenität der Barren zeigt.Zur besseren Visualisierung wurden die Elemente des untersuchten Systems mit unterschiedlichen Farben gekennzeichnet, Ti als Rot, Mo als Grün und Nb als Blau.Qualitative chemische Analyse von Ti-5Mo-Nb-Systemlegierungen im Gusszustand durch EDS.Chemische Kartierung der Elemente Ti (rot), Mo (grün) und Nb (blau) der Ti-5Mo-Nb-Systemlegierungen im Gusszustand durch EDS.Abbildung 3 zeigt den Vergleich zwischen der gemessenen Dichte und der jeweils berechneten theoretischen Dichte der Legierungen.Die theoretische und experimentelle Dichte blieben nahe beieinander, ein Beweis für eine geeignete Stöchiometrie der hergestellten Legierungen.Vergleich zwischen den theoretischen und experimentellen Dichten der Legierungen des Ti-5Mo-Nb-Systems.Mit zunehmendem Nb-Gehalt der Legierungen wird eine Zunahme der Dichte beobachtet, die von 4,66 g/cm3 für die Ti-5Mo-Legierung bis zu 5,48 g/cm3 für die Ti-5Mo-30Nb-Legierung reicht.Dieser Anstieg war darauf zurückzuführen, dass die Dichte der Legierungselemente Mo (10,22 g/cm3) und Nb (8,58 g/cm3) höher war als die Dichte von Ti (4,54 g/cm3)26.Die Dichtewerte der untersuchten Legierungen blieben im Vergleich zu anderen metallischen Biomaterialien wie AISI 316L (7,93 g/cm3) und CoCr-Legierungen (9,2 g/cm3) niedrig, und die Werte liegen relativ nahe am CP-Ti (4,5 g /cm3) und Ti-6Al-4 V-Legierung (4,42 g/cm3)27.Die Röntgenbilder sind in Abb. 4 dargestellt. Die Ti-5Mo-Legierung im Gusszustand besteht hauptsächlich aus der α'-Phase (63 %) und weist außerdem 22 % der α"-Phase und eine kleine Menge β-Phase auf ( 15 %). Wenn 10 Gew.-% Nb zu der Legierung hinzugefügt werden, sind immer noch die drei Ti-Phasen vorhanden, aber die Menge an &agr;"- und &bgr;-Phasen stieg auf 50 % bzw. 38 % mit einer Abnahme bis 12 % der α'-Phase.Die als metastabile β-Legierung vorhergesagte Ti-5Mo-20Nb-Legierung zeigte Peaks der orthorhombischen α"-Phase (40%) und der β-Phase (60%). Schließlich zeigte die Ti-5Mo-30Nb-Legierung nur Peaks der β-Phase So wurde beobachtet, dass es mit der Nb-Zugabe zu einer Erhöhung des β-Phasengehalts in der Mikrostruktur der Legierungen des Ti-5Mo-xNb-Systems kommt, und dass es mit 30 Gew.-% Nb möglich ist, eine zu erhalten Legierung mit vorherrschender β-Phase nach dem Schmelzen.Röntgendiffraktogramme von Legierungen des Ti-5Mo-Nb-Systems im Gusszustand.Obwohl es einfachere Darstellungen der Legierungen Ti-Mo28,29 und Ti-Nb30,31 gibt, zeigt das von Zhang et al.30,31 vorgeschlagene Diagramm den breiten Bereich von Übergangszuständen und Phasenumwandlungen aufgrund des breiten α + β-Feldes.Für niedrige Temperaturen wird die ω-Phasenbildung für alle Nb-Konzentrationen gezeigt.Für Konzentrationen unter und über 14 Gew.-% Nb30 wurden außerdem die Martensitphasenbildung α' und α" dem Diagramm hinzugefügt. Diese Phasenänderung von α' zu α" trat bei den untersuchten Legierungen zwischen 10 und 20 Gew.-% auf von Nb.Hohe Abkühlraten bilden aus dem β-Phasenfeld die α'-Martensitphase.Seine Mikrostruktur, die durch eine grobe nadelförmige Morphologie gekennzeichnet ist, rührt vom fehlenden Diffusionswachstum von der β- zur α-Phase her32.Die martensitische α"-Phase, die ebenfalls durch eine nadelförmige Morphologie gekennzeichnet ist, aber dünner als die α'-Phase ist, kann durch äußere mechanische Verformung oder hohe Abkühlgeschwindigkeiten erzeugt werden und entsteht, wenn die Konzentration an β-stabilisierenden Elementen höher ist als in der α'-Phase 32. Die ω-Phase kann durch mechanische Verformung, schnelles Abkühlen oder thermische Alterungsbehandlung gebildet werden 32,33.Die OM- und SEM-Bilder sind in Abb. 5 dargestellt und bestätigen die Röntgenergebnisse.In der Mikrostruktur der Ti-5Mo- und Ti-5Mo-10Nb-Legierungen wurden zusätzlich zu den für die β-Phase charakteristischen Korngrenzen feine und grobe nadelförmige Nadeln identifiziert, die typisch für die α"- bzw. α'-Phase sind. 5Mo-20Nb- und Ti-5Mo-30Nb-Legierungen haben nur gleichachsige Korngrenzen, die für die β-Phase charakteristisch sind34,35.OM mit 1000-facher Vergrößerung (links) und SEM mit 4000-facher Vergrößerung (rechts) von Ti-5Mo- (a), Ti-5Mo-10Nb- (b) und Ti-5Mo-20Nb-Legierungen (c) im Gusszustand Ti-5Mo-30Nb (d)-Legierungen.Die Vickers-Mikrohärtewerte der Legierungen sind in Abb. 6 dargestellt. Alle Legierungen haben eine größere Mikrohärte als CP-Ti (148 HV), wie in der roten Referenzlinie gezeigt.Durch die Zugabe von 10 % Nb erhöht sich der Mikrohärtewert von 300 auf 515 HV.Xu et al.19 untersuchten die Legierungen des Ti-15Mo-xNb-Systems und erhielten auch eine Erhöhung des Mikrohärtewerts der Legierung mit 10 % Nb, was durch die Bildung der ω-Phase verursacht werden kann, die das Material härter und spröde macht36 ,37,38.Bei Zugabe von 20 % und 30 % Nb kommt es zu einer Reduzierung der Mikrohärtewerte auf 330 HV bzw. 200 HV.Diese Verringerung kann durch die Zunahme der β-Phase in diesen Legierungen erklärt werden, die dazu neigt, die Härtewerte der Legierungen zu verringern, da die Zunahme von β-Stabilisatorelementen die chemische Bindungsstärke verringert und die plastische Verformung erleichtert39,40,41.Die Verringerung der Mikrohärte der Legierungen ist wichtig, da sie ihre mechanische Anpassung erleichtert39.Die Mikrohärte der Ti-5Mo-Legierung blieb nahe der von AISI 316L (289 HV) und Ti-6Al-4 V (304 HV), während die Ti-5Mo-30Nb-Legierung weit unter diesen gleichen metallischen Biomaterialien blieb.Vickers-Mikrohärte von Ti-5Mo-xNb-Systemlegierungen im Gusszustand im Vergleich zu anderen metallischen Biomaterialien.Die Knochenstruktur ist dynamisch und ihr Gewebe kann je nach Belastung variieren42.Tabelle 2 zeigt die Vickers-Mikrohärtewerte der untersuchten Legierungen im Vergleich zum Durchschnitt des menschlichen kortikalen Knochens.Nach dem ISO10993-Standard44 gilt ein Biomaterial nur dann als zytotoxisch, wenn die Zelllebensfähigkeit unter 70 % liegt.Die untersuchten Legierungen zeigten keinen zytotoxischen Effekt (Abb. 7, linkes Feld).Die Zellen im Kulturmedium blieben auch nach der Konditionierung auf die Legierungen lebensfähig, was durch die Aktivierung des zellulären mitochondrialen Signalwegs beobachtet werden kann, den MTT analysiert.Zellviabilitäts- (links) und Adhäsions- (rechts) Assays von Legierungen des Ti-5Mo-Nb-Systems im Gusszustand und einigen anderen metallischen Biomaterialien.In Bezug auf die Zelladhäsion behielten alle analysierten Legierungen Prozentsätze über der Kontrollgruppe bei, wie in 7 dargestellt, was einen Stimulus für die Zelladhäsion im analysierten Kulturmedium zeigt, ein wesentlicher Faktor für das Zellüberleben.Die Unterschiede, die beim Vergleich der untersuchten Legierungen gefunden wurden, könnten mit ihrer Fähigkeit zusammenhängen, mit dem Zellkulturmedium zu interagieren, sobald sie in der Lage sind, Elemente mit weiterer dynamischer Fähigkeit zur Modifizierung der Zellleistung freizusetzen, wie wir bereits früher durch die Bewertung anderer Legierungen berichtet haben45, 46,47.Kurz gesagt, freigesetzte Elemente aus den Legierungen müssen verschiedene intrazelluläre Signalübertragungen antreiben, hauptsächlich solche, die mit der Integrinaktivierung zusammenhängen und die das Gleichgewicht der Wirkungen von Kinasen und Phosphatasen erfordern48,49, aber neue experimentelle Ansätze müssen weiter in Betracht gezogen werden, um diesen Mechanismus besser zu verstehen.Es muss jedoch erwähnt werden, dass alle untersuchten Legierungen im Vergleich zur Kontrolle eine höhere Adhäsion förderten, wenn die Zellen unter klassischen Zellkulturbedingungen gehalten wurden.Mit den erhaltenen Ergebnissen folgt Folgendes:Die halbquantitative chemische Zusammensetzung von EDS bestätigt die hervorragende Qualität der produzierten Barren und dass die Bestandteile der Proben nahe an den ursprünglich vorgeschlagenen nominellen Zusammensetzungen liegen.Die chemische Kartierung der Proben zeigt keine Agglomerate oder segregierten Elemente, was auf eine gute Homogenität der produzierten Barren hindeutet.Die Dichte der Legierungen blieb niedrig und nahe der von CP-Ti und nahm zu, wenn die Menge an Niob zunahm.Die Mikrostruktur der Legierungen erwies sich als empfindlich gegenüber der Zugabe von Nb: Die Menge an β-Phase nahm mit zunehmendem Nb-Gehalt der Legierungen zu, wobei die Ti-5Mo-30Nb-Legierung nur diese Phase aufwies.Die Vickers-Mikrohärtewerte nahmen mit der Zunahme von Nb ab, mit Ausnahme von Ti-5Mo-10Nb, dessen Mikrohärte wahrscheinlich aufgrund des Vorhandenseins einer ω-Phase in seiner Mikrostruktur zunahm.Zytotoxizitätstests zeigen, dass die Legierungen keine zytotoxische Wirkung haben und die Zellen lebensfähig halten, wodurch die Zelladhäsion stimuliert wird, was darauf hindeutet, dass die Legierungen ein großes Potenzial als Biomaterialien für den Einsatz im Gesundheitsbereich haben.Kontaktwinkelmessungen können eine bessere Analyse der Zelladhäsion liefern.Die Proben wurden unter Verwendung von kommerziell reinem Ti Grad 2 (CP-Ti, Sandinox), Mo (99,9 % Reinheit, Sigma-Aldrich) und Nb (99,8 % Reinheit, Sigma-Aldrich) als Vorläufermaterialien hergestellt.Die Metalle wurden in der nominellen Zusammensetzung jeder Legierung getrennt.Barren mit etwa 60 g wurden unter Verwendung eines Lichtbogenschmelzofens mit einer Wolframelektrode in einer inerten und kontrollierten Argongasatmosphäre geschmolzen.Um die Homogenität jeder Probe sicherzustellen, wurden die Barren fünfmal umgeschmolzen.Nach dem Schmelzen wurden die Barren chemisch charakterisiert, wobei Messungen der chemischen Zusammensetzung durch das Verfahren der energiedispersiven Spektroskopie (EDS) unter Verwendung eines Detektors des Modells Oxford, INCA, der mit einer SEM-Ausrüstung gekoppelt war, durchgeführt wurden.Zusätzlich wurden die Dichtewerte der Proben nach dem Verfahren von Archimedes in einer digitalen Waage gemessen.Strukturelle und mikrostrukturelle Analysen wurden durch Röntgendiffraktometrie (XRD), optische Mikroskopie (OM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) durchgeführt.Die XRD-Messungen wurden an einem Panalytical X'Pert-Pro-Modell mit Cu-Kα-Strahlung, 30 mA Strom, 40 kV Potential und kontinuierlichem Zeitmodus durchgeführt.OM- und SEM-Bilder wurden in einem optischen Mikroskop (Olympus BX51M-Modell) und einem Carl Zeiss-Mikroskop (EVO-015-Modell) erhalten.Die Rietveld-Verfeinerung der XRD-Muster wurde von der GSAS-Software50 mit der EXPEGUI-Schnittstelle51 unter Verwendung der kristallographischen Datenblätter metallischer Titanphasen52 durchgeführt, und eine Standard-Ti-cp-Probe wurde verwendet, um den experimentellen Beitrag der Ausrüstung zu eliminieren23.Mikrohärtemessungen wurden in Shimadzu HMV-2-Modellausrüstung mit fünf Vertiefungen in jeder Probe, einer Belastung von 25 gf und 10 s Dauer erhalten.Die Messungen wurden basierend auf der Norm ASTM E9253 durchgeführt.Biologische Tests von MTT und Kristallviolett wurden durchgeführt, um die Lebensfähigkeit und Adhäsion der Zellen bei Kontakt mit Proben der hergestellten Legierungen zu überprüfen.Um das zytotoxische Potenzial der Legierungen zu verifizieren, wurden sie 24 h lang in Zellkultur gehalten, gemäß der Norm ISO 10.99344.Nach der Konditionierungsperiode wurde das Zellkulturmedium (αMEM; Sigma) gesammelt und mit 10 % fötalem Rinderserum (FBS) (Nutricell, Campinas, SP, Brasilien) ergänzt und verwendet, um Präosteoblasten für 24 h zu behandeln.Die Prä-Osteoblasten (MC3T3-E1, Subklon 4) wurden von ATCC erhalten und in dieser Studie gehalten, wie von den Richtlinien des Herstellers empfohlen.Kurz gesagt, die Zellen wurden bei 37 °C und 95 % Luftfeuchtigkeit in 5 % CO2 in einem Inkubator mit einem spezifischen Zellkulturmedium gehalten, das Antibiotika (100 U/ml Penicillin, 100 mg/ml Streptomycin), ergänzt mit 10 % fötalem Rinderserum, enthielt.Die Zellen wurden 24 h vor der Behandlung in einer Platte mit 96 Vertiefungen und mit einer Dichte von 5 × 10 4 Zellen/ml ausplattiert.Nach der ermittelten Einwirkzeit der konditionierten Zellkultur wurde die Lebensfähigkeit dieser Zellen mit dem MTT-Test gemessen.Wo das Kulturmedium entfernt wurde, wurde 1 mg/ml Thiazolylblau-Tetrazoliumbromidsalz (Sigma Aldrich #M5455-1G) zugegeben und weitere 3 h in einen Ofen gestellt.Nach diesem Zeitraum wurde die Zellkultur entfernt und 0,1 ml DMSO wurde zugegeben, um den von den lebensfähigen Zellen gebildeten Farbstoff zu solubilisieren.Danach wurde die Extinktion bei 570 nm unter Verwendung eines Biotek SYNERGY-HTX Multimode-Mikroplattenlesegeräts gemessen.Für Zelladhäsionsassays wurden Präosteoblasten mit Medien plattiert, die durch die Legierungen konditioniert waren.Die Zellen wurden in Platten mit 96 Vertiefungen mit einer Dichte von 5 × 10 4 Zellen/ml ausgesät.Nach 24 h wurde das Medium entfernt und die Adhäsion durch Einarbeiten von Crystal Violet gemessen.Die Absorption wurde bei 540 nm in einem Biotek-Mikroplattenlesegerät gemessen.Die Ergebnisse wurden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) dargestellt.Sie wurden unter Verwendung von Einweg-ANOVA (parametrisch) mit Tukey-Nachtest verifiziert, um alle Gruppenpaare zu vergleichen.In diesem Fall wurde p < 0,05 als statistisch signifikant und p < 0,0001 als hochsignifikant betrachtet.Die verwendete Software war GraphPad Prism 7.Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind beim korrespondierenden Autor erhältlich.Xu, LJ, Chen, YY, Liu, ZG & Kong, FT Die Mikrostruktur und Eigenschaften von Ti-Mo-Nb-Legierungen für biomedizinische Anwendungen.J. 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Stellen Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz bereit und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden.Die Bilder oder andere Materialien von Drittanbietern in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in einer Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist.Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung durch gesetzliche Bestimmungen nicht gestattet ist oder die zulässige Nutzung überschreitet, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen.Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.Cardoso, GC, de Almeida, GS, Corrêa, DOG et al.Herstellung und Charakterisierung neuartiger Ti-Mo-Nb-Legierungen im Gusszustand für biomedizinische Anwendungen.Sci Rep. 12, 11874 (2022).https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:Leider ist für diesen Artikel derzeit kein teilbarer Link verfügbar.Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedItDurch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich mit unseren Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einverstanden.Wenn Sie etwas missbräuchlich finden oder unseren Bedingungen oder Richtlinien nicht entsprechen, markieren Sie es bitte als unangemessen.Wissenschaftliche Berichte (Sci Rep) ISSN 2045-2322 (online)Melden Sie sich für den Nature Briefing-Newsletter an – was in der Wissenschaft wichtig ist, täglich kostenlos in Ihrem Posteingang.