Back to School – Materialien für Implantate in der Generativen Fertigung

1 Einleitung
Kein menschlicher Körper gleicht dem anderen. Obwohl Menschen Großteils den gleichen Bauplan haben, unterscheiden sie sich doch in Größe und Proportionen – Selbst eineiige Zwillinge können starke Unterschiede aufweisen. Zusätzlich besitzt auch jeder Körper eine gewisse Asymmetrie, ein Bein ist vielleicht leicht länger oder die Nase leicht schief. Dies bedeutet, dass Implantate hochgradig individualisiert sein müssen, um optimal im Körper des Patienten zum Einsatz kommen zu können. Zusätzlich müssen sich die Implantate an die organischen Formen des Körpers anpassen, wenn sie Teile ersetzen sollen. Eine Serienfertigung von Implantaten in Einheitsgröße ist also nicht möglich

In diesem Fall bieten sich generative Fertigungsverfahren an, da diese hochgradig komplexe Einzelstücke fertigen können. Weiters bietet sich folgender Arbeitsfluss an: CT-Scans des Patienten können als Grundlage für CAD Modelle des Implantats verwendet werden, und diese dann direkt ausgedruckt werden. Der Großteil der Arbeit geschieht dadurch am Computer.

2 Anforderungen
An Implantate gelten besondere Anforderungen. Sie müssen einerseits im Körper verbleiben können, ohne Schaden anzurichten, andererseits müssen sie den anfallenden mechanischen Belastungen und Verschleiß standhalten. Schließlich besitzt der menschliche Körper die Fähigkeit der Selbstheilung, zusätzlich wurden die Organe durch Millionen von Jahren an Evolution sehr gut an die Erfordernisse angepasst. Implantate haben diesen Luxus einer automatischen internen Wartung nicht. Hinsichtlich der Oberfläche muss Funktionalität gewährleistet sein, so kann das Implantat auf der einen Seite eine Gleitfläche aufweisen und soll auf der anderen möglichst gut in einen Knochen einwachsen.

Die Wahl des Materials ist nun von den Anwendungsbereichen abhängig:

3 Metall
Das Fraunhofer Institut verwendet eine Legierung aus Titan, Aluminium und Vanadium, dem TiAl6v4. Titan bietet gute mechanische Eigenschaften und Körperverträglichkeit: Die Oxid- Schicht, die sich auf der Oberfläche bildet ist ein hervorragender Haftgrund für Zellen. Problematisch ist die schwierige Verarbeitung unter Schutzatmosphäre:

Titanpulver, das mit Sauerstoff in Kontakt kommt, fängt sofort Feuer.
Ein besonderes Merkmal ist die absichtliche poröse Konsistenz: Dank Herstellung mit SLM kann das Implantat mit feinen Hohlräumen ausgestattet werden. Dadurch kann der Knochen mit dem Implantat fest verwachsen, Zellen wachsen in die Hohlräume. Ein weiterer positiver Effekt ist eine erhöhte Elastizität: Ähnlich wie bei dem Verbund zwischen Beton und Stahl im Stahlbeton ist ein ähnlicher e-Modul wichtig. Dadurch verformen sich beide Komponenten bei Belastung gleich stark, es gibt weniger Scherbelastung an den Verbindungsflächen.
Fraunhofer Magazin (2008)

4 Keramik und Polymere: Reabsorptive Implantate
Eine interessante Fähigkeit eines Implantats wäre Reabsorbierbarkeit. Nachdem das Implantat eingesetzt wurde wird es mit der Zeit langsam mit körpereigenem Material durchwachsen und ersetzt. Dafür ist das Implantat hochgradig porös und mit feinen Kanälen durchzogen. In diesen Hohlräumen wachsen die körpereigenen Zellen an. Im Gegensatz zu Metallplatten und Schrauben, wie Sie Beispielsweise bei einer Schädelfraktur angewendet werden, verbleiben diese also nicht gänzlich im Körper. Die dafür verwendbaren Materialien sind Calciumphosphate (Beispielsweise Tricalciumphosphat Ca3(PO4)2), wobei Keramik- Granulat mit Glas als Bindungsmittel verwendet wird.

Durch das richtige Mischungsverhältnis lässt sich die gewünschte Porosität erreichen. Bei Verarbeitung mit SLM wird nur das Glas versintert, die Keramik wird darin gebunden. Als alternatives Bindematerial eignet sich außerdem Polylactid, kurz PLA. Auch dieses Polymer lässt sich vom Körper abbauen. Die wichtige Voraussetzung bei dieser Technik ist, dass sich das Material so schnell vom Körper zersetzen lässt, wie dieser für die Nachbildung des Knochens braucht. In gleichem Masse wie das Implantat schwindet kommt also der Knochen nach.

Durch diese Technik lassen sich Beispielsweise komplexe Frakturen im Schädelbereich versorgen, ohne körperfremdes Material hinterlassen zu müssen. Vorteilhaft ist die schnelle Herstellung der maßgeschneiderten Implantate: Bei einem Hüftgelenk kann lange im Voraus geplant werden und die Implantate in einem langwierigen Prozess hergestellt werden. Im Falle eines Unfalls mit Frakturen im Schädelbereich hingegen wird eine sofortige Versorgung benötigt, die Herstellung eines reabsorbierbaren Implantats aus CT-Daten des Patienten geht dabei quasi “über Nacht”.

Der limitierende Faktor dieser “Resobone” genannten Technik ist, dass nur schwach belastete “Komponenten” ersetzt werden können: Die für die Reabsorbtion benötigte Porosität erweist sich hierbei als Hindernis. Eine ersetzte Schädeldecke oder ein Jochbein können bis sie durch körpereigenes Material ersetzt sind geschont werden, ein Beinknochen oder Arm ist hingegen dauernd wechselnden Belastungen ausgesetzt. Insofern ist diese Methode derzeit auf den Schädelbereich beschränkt.
Fraunhofer Presse(2010)

Literaturverzeichnis
Implantat mit Orangenhaut. (2008). Fraunhofer-Magazin, [online] (4 2008), pp.30-31. Available at: http://www.fraunhofer.de/content/dam/zv/de/forschungsthemen/gesundheit/Magazin4- 2008_Implantat%20mit%20Orangenhaut.pdf [Accessed 24 Jun. 2014]

Fraunhofer-Presse, (2010). Mediendienst Juni 2010. [online] Available at: http://www.fraunhofer.de/content/dam/zv/de/documents/md6_FERTIG_tcm7-55237.pdf [Accessed 25 Jun. 2014].

Reiffel AJ, Kafka C, Hernandez KA, Popa S, Perez JL, et al. (2013) High-Fidelity Tissue Engineering of Patient-Specific Auricles for Reconstruction of Pediatric Microtia and Other Auricular Deformities. PLoS ONE 8(2): e56506. doi:10.1371/journal.pone.0056506