Plasmastrahl unterstützt das Anwachsen knochenbildender Zellen: Fraunhofer-Forscher entwickeln 3D-Druckverfahren für passgenaue Knochenimplantate

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST arbeiten an einem Verfahren für die Herstellung passgenauer Implantaten aus dem 3D-Drucker. Bei dem neuartigen Verfahren, an dem auch internationale Partner mitgewirkt haben, kommt auch ein Plasmastrahl zum Einsatz. Wir stellen die Forschungsarbeit und das Projekt mit seinen Vorteilen einmal genauer vor.

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Von Forschern des deutschen Fraunhofer-Instituts wurde in Zusammenarbeit mit europäischen Partnern ein Verfahren für passgenaue Knochenimplantate entwickelt, die aus einem speziellen Kunststoff bestehen. Laut einer Pressemitteilung können die Implantate mit einem 3D-Drucker exakt, stabil und variabel hergestellt werden. Implantate aus dem 3D-Drucker gehören zu einem der interessantestes Anwendungsbereiche der additiven Fertigung.

Plasmastrahl unterstützt das Anwachsen knochenbildender Zellen

Als Besonderheit werden im Zuge des Druckprozesses die einzelnen Schichten mit einem kalten Plasmastrahl behandelt, womit das Anwachsen knochenbildender Zellen an der Oberfläche unterstützt wird. In China gibt es bereits Knochenimplantate aus dem 3D-Drucker, die bald auf den Markt kommen sollen.

Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST verwenden einen Plasma-Jet, der einen kalten Plasmastrahl bläst, in dem reaktive Aminogruppen enthalten sind. Der Strahl wird direkt auf die gedruckte Schicht geblasen. Die Aminogruppen sorgen für eine Bindung an der Oberfläche und lassen die Knochenzellen besser anhaften.

Der Druck und die Beschichtung sind in einem Gerät kombiniert worden. Auf eine chemische Vorbehandlung mit Lösungsmitteln wird verzichtet, weshalb die Beschichtung kostengünstig und umweltfreundlich ist.

Beschichtete Gerüststruktur
Die Gerüststruktur des Implantats (Scaffold) ähnelt einem menschlichen Knochen (Bild © Fraunhofer IST).

Weitere Details zu den Implantaten

Die Gerüststruktur des Implantats (Scaffold) ist aus einem speziellen Copolymer hergestellt und ähnelt dem menschlichen Knochen. Mit dem 3D-Druckverfahren wird eine individuelle, passgenaue Formgebung und Stabilität erreicht. Spezielle Füllstoffe, die dem Copolymer beigemengt werden, erhöhen die mechanische Stabilität des Implantats zusätzlich. Von japanischen Wissenschaftlern wurde 2017 eine druckfähige salzbasierte Tinte entwickelt. Mit der Tinte gedruckte Salzknochen sollen dabei helfen, Hüftschmerzen zu reduzieren.

Die Menge der Füllstoffkonzentration entscheidet über die Festigkeit. Die Füllstoffe können außerdem mit medizinischen Wirkstoffen wie Antibiotika ausgestattet werden, um Infektionen zu verhindern. Alle bisherigen Entwicklungsschritte sind erfolgreich abgeschlossen worden. Jetzt soll das Verfahren angepasst und zur Anwendungsreife gebracht werden. Zur Zeit befindet sich der Testaufbau noch im Labormaßstab.

In Zukunft sollen Ärzte ihre Patienten vermessen, individuelle Anforderungen formulieren und die Daten an medizinische Druck-Shops übermitteln können. Hier werden die passgenauen Implantate gedruckt.

Abbildung wie der Plasmastrahl arbeitet
Im Zuge des Druckprozesses werden die einzelnen Schichten mit einem kalten Plasmastrahl behandelt (Bild © Fraunhofer IST).

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