Passgenaue Knochenimplantate aus dem 3-D-Drucker

Tumorerkrankungen, Infektionen oder schwere Frakturen können die operative Entfernung von Knochen und den Einsatz von Implantaten notwendig machen. Fraunhofer-Forscher haben jetzt in Zusammenarbeit mit europäischen Partnern ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Knochenimplantate aus einem speziellen Kunststoff mittels 3-D-Druck äußerst passgenau, stabil und variabel herstellen lassen. Während des Druckprozesses werden die einzelnen Schichten mit einem kalten Plasmastrahl behandelt, um das Anwachsen von knochenbildenden Zellen an der Oberfläche zu unterstützen.

Herkömmliche Oberflächenbehandlungen mit Niederdruck- oder Atmosphärendruckverfahren, so erläutert die Fraunhofer-Gesellschaft, dringen kaum in die Tiefe von Knochenimplantaten vor. Das neue Verfahren hingegen ermögliche eine zellwachstumsfördernde Beschichtung auch im Inneren der Implantate. Dafür nutze das Forscherteam des Fraunhofer-Institutes für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) einen Plasma-Jet. Das Gerät blase einen kalten Plasmastrahl, der reaktive Aminogruppen enthalte, direkt auf die gedruckte Schicht. Die Aminogruppen würden an der Oberfläche binden und dafür sorgen, dass sich Knochenzellen hier wohlfühlten und gerne anhafteten. Als  Besonderheit des Verfahrens erwähnt die Fraunhofer Gesellschaft, dass 3-D-Druck und Beschichtung “Hand in Hand” gingen und in einem Gerät kombiniert würden. Weil für die Beschichtung keine chemische Vorbehandlung mit Lösungsmitteln notwendig sei, sei sie nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich.

Die Gerüststruktur des Implantates (“Scaffold”), das aus einem speziellen Copolymer gefertigt werde, sei dem natürlichen Knochen nachempfunden, heißt es weiter. Das 3-D-Druckverfahren ermögliche eine sehr individuelle, passgenaue Formgebung 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, Geschäftsfeldleiter Life Science und Umwelt am Fraunhofer IST.

Variabel durch raffinierte Füllstoffe
Die mechanische Stabilität des Implantates lässt sich laut Fraunhofer IST nicht nur über die Dichte der gedruckten Gerüststruktur steuern, sondern auch über spezielle Füllstoffe, die dem Copolymer beigemischt werden – je höher die Füllstoffkonzentration, desto fester. “Diese Entwicklung unserer Projektpartner von der Universität Maastricht ermöglicht es, die Stabilität innerhalb des Implantates individuell zu variieren. Wie der natürliche Knochen, so kann auch das Implantat unterschiedlich feste Bereiche haben”, sagt Dr. Thomas Neubert, der das EU-Projekt am Fraunhofer IST leitet. Die Füllstoffe könnten zudem mit medizinischen Wirkstoffen wie Antibiotika versehen werden, die helfen würden, Infektionen zu verhindern.

Die bisherigen Entwicklungsschritte konnte das Projektteam nach Angaben der Fraunhofer Gesellschaft erfolgreich abschließen, nun soll das Verfahren modifiziert und zur Anwendungsreife gebracht werden. Bisher befinde 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”, so Borris. Das innovative Verfahren biete viel Potenzial, um Knochenimplantate sehr genau an individuelle Erfordernisse der Patienten anzupassen. “Form, Porosität, mechanische Stabilität und biomechanische Eigenschaften können wir mit unserem Verfahren hervorragend steuern und innerhalb der Implantate variieren. Wir können also unterschiedlich feste oder poröse Bereiche herstellen, die sich zusätzlich mit verschiedenen funktionellen Gruppen beschichten lassen.” In Zukunft könnten Ärzte ihre Patienten vermessen, individuelle Anforderungen formulieren und die Daten an Medical Print-Shops senden, wo die passgenauen Implantate dann gedruckt würden.

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft