Neue 3D-gedruckte Titan-Komposite für Knochenimplantate

In der Orthopädie werden Titan und Titanlegierungen aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität häufig als Implantatmaterialien eingesetzt. Allerdings können Legierungselemente wie Aluminium, Vanadium und Nickel gesundheitliche Risiken bergen. Zudem weisen Titanwerkstoffe eine deutlich höhere Steifigkeit als natürliches Knochengewebe auf, was zu Problemen wie Stress-Shielding führen kann.

Forschende haben nun erstmals eine vielversprechende alternative Titanlegierung mittels 3D-Druck hergestellt. Das neue Material Ti28Nb35,4Zr kombiniert exzellente mechanische Kennwerte und geringen Elastizitätsmodul mit hoher Biokompatibilität, erläutern die Wissenschaftler.

Die Legierung wurde als Pulver in einem direkten Metallauftrags-Verfahren (DMD) geschichtet aufgebaut und mit multi-wandigen Kohlenstoff-Nanoröhren als Verstärkungsphase versehen. Die Nanoröhren verbessern die mechanischen Eigenschaften und verleihen dem Material zusätzlich elektrische Leitfähigkeit, was die Wundheilung fördern kann.

Mechanische Tests bestätigten die hohe Druckfestigkeit und Duktilität der Komposite. Bei über 55% Stauchung zeigten sie keinerlei Rissbildung. Tribologische Untersuchungen wiesen außerdem auf gute Verschleißfestigkeit hin.

In Zellkultur-Tests mit menschlichen Knochenzellen erwiesen sich die neuen Werkstoffe als ausgezeichnet biokompatibel und nicht-zytotoxisch. Insgesamt zeigen die Ergebnisse das große Potenzial der neu entwickelten 3D-gedruckten Titankomposite für lasttragenden Knochenersatz und andere Implantate im Bereich der regenerativen Medizin.

Weitere Details können in der Arbeit “Novel carbon nanotubes reinforced Ti28Nb35.4Zr matrix composites fabricated via direct metal deposition for bone implant applications” nachgelsen werden.