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Forscher aus Aachen untersuchen im Rahmen des Projekts BioStruct patientenindividuelle Implantate mit dem Ziel, im Körper resorbierbare Implantate herzustellen, die an den Einsatzort angepasst für einen optimalen Heilungsverlauf sorgen. Der Lehrstuhl Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickelte den additiven Verarbeitungsprozess für eine neuartige Zink-Magnesium-Legierungszusammensetzung, mit der Gitterstrukturen mit der Laser Powder Bed Fusion (LPBF) herstellbar sind.
Knochendefekte behandeln
Zur Behandlung von Knochendefekten werden häufig dauerfeste Implantate aus Titan oder chirurgischen Stählen sowie Transplantate aus Eigenknochen verwendet. Durch die mechanischen Eigenschaften dauerfester Implantate wird das umliegende Knochengewebe weniger beansprucht und dadurch geschwächt. So steigt das Refraktur-Risiko und das Knochengewebe heilt nicht. Gerade bei älteren Patienten ist ein erneuter chirurgischer Eingriff und einer langen Verweildauer der Implantate im Körper ein weiterer Risikofaktor. Transplantate aus Eigenknochen verhelfen einer Pressemitteilung der RWTH Aachen zufolge, die das 3D-grenzenlos Magazin erreicht hat, dem umliegenden Knochengewebe zur Selbstheilung und bringen optimale Behandlungsergebnisse. Das funktioniert jedoch nur bis zu einer bestimmten Defektgröße.
Critical-size Knochendefekte sind ein komplexes medizinisches Problem. Das große fehlende Knochenvolumen und der Abstand zwischen den freien Knochenenden führen dazu, dass diese Defekte nicht von allein ausheilen. Die Partner des BioStruct-Konsortiums entwickelten ein bioresorbierbares Implantat-Konzept, dessen Materialeigenschaften und geometrisches Design die komplexen Anforderungen einer patientenfreundlichen Knochenheilung erfüllen. Sie mussten die geeigneten Materialien und Geometrien finden, die für den Körper und für die Verarbeitung mit Laser Powder Bed Fusion (LPBF), durch die das Implantat-Konzept überhaupt erst umsetzbar wird.
Zink- und Magnesium-Legierungen
Die Forscher sehen in Zink- und Magnesium-Legierungen ideale Materialien für die resorbierbaren Knochenimplantate. Reines Zink (Zn) zeichnete sich bei der Entwicklung bioresorbierbarer metallischer Legierungen durch gute Abbaueigenschaften im menschlichen Körper aus, ist aber noch nicht mechanisch fest genug für ein Implantat.
Magnesium (Mg) hat knochenähnliche mechanische Eigenschaften und wird als für die Herstellung von Implantaten in der Fußchirurgie und anderen Bereichen verwendet. Im Körper baut es sich jedoch zu schnell ab und im feuchten Milieu des Gewebes kann es zu Gasbildung kommen. Die Forscher untersuchen verschiedene Legierungszusammensetzungen aus diesen Reinmetallen, um die Eigenschaften beider Materialien für den Einsatz im Körper und die Verarbeitbarkeit durch das LPBF gewinnbringend zu kombinieren. Mit der LPBF sind individuelle Implantate möglich, die auf die Anforderungen von Patienten abgestimmt werden können, was mechanische Belastung und Korrosionsverhalten am Einsatzort betrifft. Geometrie und Anordnung der einzelnen Streben bzw. Gitterzellen werden parametrisch generiert, wodurch eine Gitterstruktur entsteht, die an die Knochendefektstelle angepasst und additiv gefertigt wird. Anpassungen des Gitterstrukturdesigns ermöglichen eine gleichmäßige Korrosion über das komplette Bauteil und das Ausschwemmen von Abbauprodukten und gleichzeitig das Einwachsen des Knochens, während das Implantat im Körper resorbiert wird.
Demonstrator erfolgreich hergestellt
Durch Zugabe geringer Mengen an Magnesium in das Zink konnten die Forscher eine Kornfeinung erzeugen und die Mikrostruktur gezielt einstellen. In einem breit gefächerten Legierungsscreening verschiedener Zusammensetzungen, von reinem Zink bis zu einer Zn8Mg-Legierung, wies die ZnMg Legierung mit ≤ 1 wt-% Magnesium die besten Eigenschaften zur Anwendung als Knochenersatzprodukt auf. Ein gitterstrukturiertes Kieferknochenimplantat wurde als Demonstrator hergestellt und aus der ZnMg-Legierung erfolgreich hergestellt. Der Strebendurchmesser der verwendeten Gitterstruktur im Demonstrator beträgt 200 μm. Sie testeten weitere Strukturen für Untersuchungen der Bioverträglichkeit von ZnMg. Diese Strukturen sollen das stabile Gerüst zur Infiltration von beispielsweise Kollagen oder Fibroin bilden, um ein gerichtetes Knochenwachstum zu ermöglichen.
