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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)

5 Drucken mit Körpereigenem Material: Knorpel und Organe
Derzeitige Ziele sind das Drucken von ganzen Organen für die Verpflanzung in den Patienten. Dies würde den derzeitigen Mangel an Spendeorganen mit einem Schlag lösen. Die Realität sieht allerdings anders aus: Der Anwendungsbereich ist vor allem dort, wo nur eine Art von Zellen benötigt werden: Knorpel im Ohr, in den Gelenken oder im Gesicht sind gleichförmig haben kein komplexes Zusammenspiel zwischen verschiedenen Gewebe- und Zellarten. Knorpel benötigen außerdem keine direkte Blutversorgung um zu überleben. Gelenksknorpel oder Ohren können in die richtige Form gedruckt und dann verpflanzt werden – Bei normalen Verfahren muss das Gewebe zuerst von anderer Stelle entnommen und zurechtgeschnitten werden. Eine komplexe Form wie die Nasenspitze kann so nur durch viel Aufwand hergestellt werden, weiters belastet die Entnahme des Rohmaterials den Patienten.

Das Drucken in die korrekte Form löst dieses Problem. Es wird dabei eine Art Gerüst aus Collagen, gemischt mit Knorpelzellen, gedruckt. Das Prinzip ist dabei das verbreitete Fused- Deposition-Modelling. Das Implantat wird danach in einer Nährlösung mehrere Tage kultiviert und danach implantiert. Der derzeitige Stand dieser Technik ist noch das Tierversuchs- Stadium.
Reiffel (2013)

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

 

Back to School – Gastbeitrag Serie der Fachhochschule Technikum WienFHTW_Logo_Farbe
von Leopold Kamschal

In der Gastbeitrag Serie „Back to School“ werden Arbeiten von Studenten des FH Technikum Wien veröffentlicht. Diese drehen sich um Additive Fertigung und die technischen Details die dahinter stehen. Die Studenten der Fachrichtung Mechatronik und Robotik publizieren hier ihre Arbeiten aus der Lehrveranstaltung Generative Fertigung mit Dr. Johannes Homa.

Zur Übersicht der Back to School Serie.

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