In-vitro-Abbauverhalten von 3D-gedruckten Knochenbefestigungsplatten

In “Mechanical properties and in vitro degradation behavior of additively manufactured phosphate glass particles/fibers reinforced polylactide” untersuchen chinesische Forscher ein neues Materialniveau für den 3D – Druck mit Phosphatglas/Polylactid-Komposite (PG/PLA)  zur Verwendung in medizinischen Anwendungen wie der Herstellung kundenspezifischer Knochenfixationsplatten zur Reparatur von Frakturen.

Während die Knochenregeneration im 3D-Druck und in der additiven Fertigung von großem Interesse ist, ist sie das häufigste Element bei Heilungspausen, da die Forscher weiterhin nach besseren Möglichkeiten suchen, um den Prozess zu verbessern – häufig begleitet von einer Reihe von Knochenfixierungsplatten, Schrauben, Stiften und Stangen. Materialien sind der Schlüssel zusammen mit Integrität im Design. Implantate müssen biokompatibel sein, aber der Prozess ist nahtlos, wenn sie auch biologisch abbaubar sind, wodurch die Notwendigkeit einer Operation entfällt.

Die Materialien wurden auf geeignete mechanische Eigenschaften sowie auf In-vitro-Abbauverhalten getestet, nachdem mit PTC Creo Parametric entworfene Modelle erstellt wurden, die dann in Simplify3D importiert wurden, und die PG/PLA-Verbundwerkstoffe wurden auf einem Ultimaker 2+ 3D-gedruckt. Mit der Fähigkeit, komplexe Geometrien herzustellen, konnten die Forscher auch den Porositätsgrad für Bioprinting- und Tissue-Engineering-Zwecke steuern.

“Es wurden Vergleiche mit PLA und verstärktem PLA durchgeführt, die mit unterschiedlichen Beladungen von PG-Partikeln (PGPs) sowie Verbundwerkstoffen mit Verstärkungen unterschiedlicher Geometrien (PGPs oder gemahlene Phosphatglasfasern (PGFs)) verstärkt wurden.”

Fortlaufende PGF/PLA-Verbundwerkstoffe sind nach Ansicht der Autoren in Bezug auf die tragende Fixierung besser geeignet – ein Merkmal, das mit fortlaufenden Fasern verbunden ist und zu Steifheit führt. Die Biegefestigkeit dieser Materialien war jedoch nach 28 Tagen Abbau um ~80% verringert. Die PGF 10-Verbundstoffe verloren nach einer Abbauzeit von 56 Tagen ~30% des anfänglichen Biegefestigkeit. Der Abbau der Biegefestigkeit könnte ein Ergebnis der Freilegung der Faserenden sein.

„Basierend auf der Berücksichtigung sowohl der anfänglichen mechanischen Eigenschaften als auch der Möglichkeit, Verbundwerkstoffe mit gewünschten Geometrien auf einfache Weise herzustellen, bietet die additive Fertigung von PG/PLA-Verbundwerkstoffen ein gutes Potenzial für die Herstellung patientenspezifischer Fixierungsimplantate für Knochen mit geringem Lastbedarf Tragen zum Beispiel Zygoma, Knöchel und Oberkiefer“, schlussfolgerten die Forscher.
„Es wurde bereits berichtet, dass diese Knochen mit PLA-basierten, biologisch abbaubaren Fixierungsgeräten erfolgreich wiederhergestellt werden konnten. Im Vergleich zu PLA allein konnte gezeigt werden, dass der Einbau von PGF die Biegefestigkeit von Implantaten verbessert. Es wird auch erwartet, dass der Abbau von PGF Magnesium, Calcium und Phosphat freisetzt, um das Knochenwachstum zu regulieren. Darüber hinaus ermöglicht das FDM-Verfahren die direkte Herstellung von Fixationsimplantaten mit kundenspezifischen Geometrien und kann die Notwendigkeit der Konturierung von Implantaten zur anatomischen Anpassung während der Operation beseitigen.“