Verwendung von Plasmajet zur Förderung der Knochenintegration mit 3D-gedruckten Implantaten

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Krebserkrankungen, Infektionen oder schwere Frakturen können die chirurgische Entfernung von Knochen und das Einsetzen von Implantaten erforderlich machen. In Zusammenarbeit mit europäischen Partnern haben Fraunhofer-Forscher nun eine Technik entwickelt, mit der passgenaue, stabile und in Dimensionen variierbare Knochenimplantate aus einem speziellen Kunststoff 3D-gedruckt werden können. Das Geheimnis liegt im Druckprozess, bei dem die einzelnen Schichten mit kaltem Plasma behandelt werden, um die Bindung knochenbildender Zellen zu verbessern.

Während herkömmliche Oberflächenbehandlungen mit Niederdruck- oder Atmosphärendrucktechniken ein begrenztes Eindringen in das Innere von Knochenimplantaten haben, ermöglicht das neue Verfahren das Aufbringen einer Zellwachstumsfördernden Beschichtung auch im Inneren der Implantate. Zu diesem Zweck setzt das Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Oberflächentechnik und dünne Schichten IST einen Plasmastrahl ein. Das Gerät bläst einen kalten Plasmastrahl mit reaktiven Gruppen direkt auf die gedruckten Schichten. Die Aminogruppen verbinden sich mit der Oberfläche und stellen sicher, dass Knochenzellen ein geeignetes Substrat finden, auf dem sie leicht haften. Einzigartig an dieser Technik ist, dass die 3D-Druck- und Beschichtungsprozesse Hand in Hand gehen und in einem Gerät kombiniert werden. Da für die Beschichtung keine chemische Vorbehandlung mit Lösungsmitteln erforderlich ist, ist sie nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich.

Das Implantatgerüst ist auch in einem 3D-Druckverfahren gedruckt, das sich im Laufe der Zeit auflöst. Die 3D-Drucktechnik ermöglicht eine sehr individuelle, passgenaue Gestaltung und Stabilität. „Unser Ziel ist, dass die Knochenzellen in die künstliche Struktur möglichst schnell hineinwachsen und das Implantat schließlich überflüssig machen. Es wird nach und nach durch körpereigene Enzyme abgebaut“, erklärt Dr. Jochen Borris, Leiter des Geschäftsbereichs Life Science und Ökologie Einheit am Fraunhofer IST.

Die mechanische Stabilität des Implantats kann nicht nur über die Dichte der gedruckten Gerüststruktur, sondern auch über spezielle Füllstoffe, die dem Copolymer zugesetzt werden, kontrolliert werden: Je höher die Füllstoffkonzentration, desto höher die Stabilität. „Diese Entwicklung unserer Projektpartner von der Universität Maastricht ermöglicht es, die Stabilität innerhalb des Implantats individuell zu variieren. Wie der natürliche Knochen, so kann auch das Implantat unterschiedlich feste Bereiche haben“, sagt Dr. Thomas Neubert, Leiter des EU-Projekts am Fraunhofer IST.

Darüber hinaus können Wirkstoffe wie Antibiotika in den Füllstoff eingebracht werden, um das Infektionsrisiko zu verringern.

Das Projektteam hat die bisherigen Projektschritte erfolgreich abgeschlossen; Nun ist geplant, die Technik zu modifizieren und zur Anwendungsreife zu bringen. Derzeit befindet sich der Versuchsaufbau noch im Labormaßstab.

„Zurzeit arbeiten wir daran, den Prozess einfacher und stabiler zu gestalten. Um die Entwicklung weiterzuführen und klinische Studien durchführen zu können, sind wir auf der Suche nach Partnern aus der Industrie“, sagt Borris. Die innovative Technik bietet viel Potenzial, um Knochenimplantate sehr genau an die individuellen Bedürfnisse der Patienten anzupassen. „Mit unserer Methode können wir Form, Porosität, mechanische Stabilität und biomechanische Eigenschaften gut kontrollieren und innerhalb der Implantate variieren. Das bedeutet, dass wir Bereiche mit unterschiedlichen Stärken oder Porositäten herstellen können, die auch mit verschiedenen Funktionsgruppen beschichtet werden können. “In Zukunft könnten Ärzte die Anforderungen für jeden Patienten auf der Grundlage von gescannten Bildern formulieren und die Daten an den medizinischen Druck senden Shops, in denen dann die passgenauen Implantate gedruckt werden.

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