Amorphe Metalle Biokompatible metallische Gläser für fortschrittliche Implantate

Amorphe Metalle wie Amloy-ZR01 besitzen herausragende physikalische und bioaktive Eigenschaften. Zusammen mit den Möglichkeiten des 3D-Drucks eröffnen sie ganz neue Perspektiven für die orthopädische Chirurgie.

Etwa ein Viertel aller Knochenbrüche sind distale Radiusfrakturen. Hier sind möglichst dünne, individuelle Implantatplatten gefragt. Denn schon wenige Mikrometer zu dick, können sie Schmerzen oder Fehlstellungen verursachen. Konventionell gefertigte dünne Platten sind jedoch nicht fest genug. Die Implantate dürfen sich während der Heilung nämlich auf keinen Fall verformen.

Hier wäre der 3D-Druck ideal, und dank der guten mechanischen Eigenschaften von Zr-basierten amorphen Legierungen kann man das Design des Implantats optimal an Form und Beanspruchung anpassen. Außerdem lassen sich die Platten aus amorphen Metallen dünner herstellen und die Dicke lokal variieren.

Titan ist noch Goldstandard

Gegenwärtig werden die Implantate aus Titan, Titanlegierungen, Stahl sowie Kobalt-Chrom-Legierungen hergestellt. Seit Neuestem kommen Legierungen auf Basis von Magnesium dazu, die sich im Körper auflösen und nicht mehr operativ entfernt werden müssen, und vielversprechende metallische Gläser auf Zirkonium-Basis.

Um seine Funktion zu erfüllen, muss das Implantatmaterial steif genug sein, um schädliche Makrobewegungen im Frakturbereich zu unterdrücken. Gleichzeitig braucht man eine gewisse Elastizität, die Mikrobewegungen gestattet, die die Kallusbildung stimulieren. Titan wird dabei am häufigsten eingesetzt, ist aber für Diabetiker mit einer langsameren Wundheilung, Menschen, die sich einer Strahlentherapie unterziehen mussten, oder Personen mit Knochenheilungsstörungen nicht das Material der Wahl. Hier bieten Zr-basierte metallische Gläser eine vielversprechende Alternative.

Amorphe Metalle als Material mit Zukunft

Amorphe Metalle entstehen aus Schmelzen, die man durch rasches Abkühlen am Kristallisieren hindert. Während bei Silikaten dazu Abkühlraten von 0,1 K/s reichen, liegen die metallischen Gläser in der Größenordnung von über 100 K/s. Eine Hürde ist dabei die Wärmeleitfähigkeit des Metalls. Lange Zeit funktionierte das nur bei dünnen Schichten. Durch Legierungen mit einem möglichst großen Spektrum an Atomdurchmessern ließen sich dann so genannte bulk metallic glasses (BMG) mittels Spritzguss herstellen. Damit erreichte man vollamorphe Strukturen mit bis zu 5 mm Wandstärke. Die additive Fertigung erweiterte diesen Spielraum nochmals deutlich. Die erforderlichen Abkühlungsraten im SLM(selective laser melting)-Prozess liegen, wegen des schichtweisen Aufbaus, des nur lokalen Energieeintrags und der schnellen Wärmeableitung, deutlich über den kritischen Abkühlungsraten, die für die Bildung der amorphen Phase erforderlich sind. Deshalb lassen sich mittels 3D-Druck nahezu beliebig dicke Blöcke komplexester Struktur herstellen.

„Dank fehlender Kristallstruktur besitzen amorphe Legierungen keine Gitterfehler, eine außerordentliche Elastizität um die 1,9 Prozent (Stahl 0,3 %) sowie eine extrem hohe Streckgrenze, bei solchen auf Zirkonium-Basis bis zu 1.700 MPa, verglichen mit 550 MPa Streckgrenze bei 316L Stahl und 600 MPa bei Reintitan (CP-Ti). Damit verbinden amorphe Metalle die elastischen Eigenschaften von Kunststoffen mit der hohen Festigkeit von Metallen“, berichtet Dr. Eugen Milke, Senior Material Expert bei Heraeus Amloy. Auch bei häufiger elastischer Verformung kehren die amorphen Metalle stets in ihren Ausgangszustand zurück. Dazu kommen eine enorm hohe Ermüdungsfestigkeit, ein minimales Korrosionsverhalten, eine hohe chemische Stabilität, und ihr Elastizitätsmodul passt besser zu dem der Knochen als der von Titan.

Zr-basierte amorphe Metalle in der Medizintechnik

Metallene Implantate können den diagnostischen Nutzen von MRT stark einschränken. Forschungen eines chinesischen Wissenschaftlerteams ergaben, dass sich Zr-basierte Legierungen u. a. im Vergleich zu Reintitan als überaus MRT-verträglich anbieten. ^[1]

Mit der Biokompatibilität von BMGs beschäftigen sich mehrere Forschungsgruppen. Ein Team um die Wissenschaftler G. Wang und S.Y. Chen an der Universität Shanghai untersuchte u. a. das BMG Zr₆₁Ti₂Cu₂₅Al₁₂, kurz ZT1 genannt, im Vergleich zu Reintitan und Polyetheretherketon (PEEK). ^[2]

Die Ergebnisse der Forscher zeigen, dass ZT1 eine bessere Korrosionsbeständigkeit als reines Titan hat. Weiter stimuliert ZT1 die Bildung von Knochen und Blutgefäßen, und die Konzentration der freigesetzten Cu-Ionen ist so niedrig, dass sie keine Entzündungen im Organismus verursachen. Bewegungsanalysen bei Ratten mit ZT1-Implantaten ergaben, dass diese Tiere weniger Schmerzen hatten als solche mit CP-Ti- oder PEEK-Implantaten und allergische Reaktionen und Entzündungen gänzlich ausblieben.

3D-Druck bietet großes Potenzial für die zukünftige Implantatherstellung

Momentan werden Implantate meist mittels Spritzguss gefertigt, was teure Formen und entsprechende Stückzahlen erfordert, für einen Durchschnittspatienten, den es eigentlich nicht gibt. Ein Wissenschaftlerteam um Natalia Ferraz und Cecilia Persson von der Universität Uppsala hat sich jetzt speziell mit dem BMG Amloy-ZR01 befasst, das mittels SLM erzeugt wurde. ^[3]

Um die Biokompatibilität von Zr_59.3Cu_28.8Al_10.4Nb_1.5, mit Handelsnamen Amloy-ZR01, in 3D-gedruckten Implantaten zu untersuchen, stellten die schwedischen Wissenschaftler SLM-Proben mittels unterschiedlicher Laserleistungen her. Die Versuche ergaben, dass die Proben das Wachstum bzw. die Vermehrung von Zellen und die Bildung neuer Knochen unterstützten, vergleichbar mit Ti-6Al-4V.

In der schwedischen Studie ^[3] wurde das Ni-freie BMG Amloy-ZR01 auf Biokompatibilität, Korrosionsverhalten und Ionenfreisetzung in biologischen Umgebungen untersucht. Denn diese können im Körper Korrosion und die Freisetzung von Metallionen aus der BMG-Legierung beeinflussen. Weiter sind Entzündungsreaktionen, verbunden mit einem Absinken des pH-Werts in der Umgebung und einem hohen Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies, eine Stabilitätsherausforderung für Metalle und Metalllegierungen.

Die Forschungen ergaben, dass sich die Oberflächenrauheit und -morphologie des additiv hergestellten BMGs Amloy-ZR01 über die im SLM-Prozess eingesetzte Laserleistung steuern lässt. Das gedruckte BMG zeigte eine vergleichbare Biokompatibilität wie Ti Grade 5 in Bezug auf Zellproliferation und Differenzierung der präosteoblastischen Zellen MC3T3-E1. Es zeigte sich, dass die freigesetzten Ionen unter Entzündungsbedingungen die lokale Korrosion des BMG erhöhen, unabhängig von der Oberflächenrauheit der Proben. Im Ganzen ergibt die Studie, dass Amloy-ZR01 ein herausragender Kandidat für die Herstellung patientenspezifischer Implantate mittels 3D-Druck ist, wobei sich Implantate mit komplexen inneren Strukturen herstellen lassen, ähnlich der natürlichen Knochenstruktur.

Zwei Werkstoffe verhindern die Bildung von Tumoren

Deshalb untersuchte im Rahmen des Projekts „CAMed“ (Clinical Additive Manufacturing for Medical Applications) ein Team mit 20 internationalen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft Methoden und Materialien für eine direkte Herstellung von individuellen, passgenauen Implantaten mittels 3D-Druck. Eines der untersuchten Materialien ist das BMG Amloy-ZR02 (allgemein als VIT105 bezeichnet) im Vergleich zu Titan Grade 2 und PEEK. Hier untersuchte man die Wirkung auf noch weitere Zelltypen (vgl. mit der schwedischen Studie).

„Um die Biokompatibilität 3D-gedruckter Biomaterialien zu untersuchen, wurden die Oberflächen nach der Herstellung standardisiert auf die klinisch übliche Rauigkeit poliert und mit humanen Mundschleimhautfibroblasten und tumorigenen Plattenepithelkarzinom-Zelllinien besiedelt. Nach einer 7-tägigen Kultivierungsdauer wurden die Lebensfähigkeit der Zellen als auch die Zytotoxizität der Biomaterialien auf die Zellen analysiert“, berichtet Dr. Birgit Lohberger, Wissenschaftlerin im Camed-Team der Medizinischen Universität Graz.

Bei den gesunden Zellen zeigte VIT105 eine um ca. 10 Prozent bessere Lebensfähigkeit, wohingegen sie bei PEEK abnahm. Bei den tumorigen Zellen zeigten VIT105 wie auch PEEK eine signifikant schlechtere Lebensfähigkeit verglichen mit Titan Grade 2. „In der Erforschung von Prothesenmaterial spielt die Zytotoxizität eine entscheidende Rolle, da sie die Verträglichkeit und Sicherheit von Prothesenmaterialien bewertet. Sowohl bei den gesunden Mundschleimhautzellen als auch bei den Plattenepithelkarzinom-Zelllinien kommt es bei Kontakt mit PEEK zu einem hochsignifikanten Anstieg der Zytotoxizität, während Titan Grade 2 und VIT105 ähnlich niedrige Werte haben. Das bedeutet, dass diese beiden Materialien die Bildung von Tumoren nicht unterstützen“, fasst Lohberger zusammen.

Herstellungsmethode eignet sich für Massenware und individuelle Implantate

Die Ergebnisse der Studien zeigen, dass Zr-basierte BMGs großes Potenzial für die orthopädische Chirurgie haben. „Unser Amloy-ZR02 wurde gemäß der Richtlinien ISO 10993-5 und ISO 10993-12 von der Medizinischen Universität Graz als biokompatibel eingestuft, ist also ein sicheres Material für Implantate“, fügt Valeska Melde, Head of Heraeus Amloy, hinzu. Die unterschiedlichen Herstellungsmethoden erlauben sowohl die Produktion standardisierter Massenware (Spritzguss) als auch die zügige Fertigung individueller Implantate kompatibel zur Knochenstruktur (3D-Druck). Mit dem 3D-Druck lassen sich miniaturisierte, gewichtsoptimierte Konstruktionen mit komplexen, patientenspezifischen Geometrien erzeugen, praktisch ohne Größenbeschränkung, für eine optimale Heilung ohne Komplikationen wie Entzündungen oder Ähnliches. Auch der Übergang von Knochen zu Implantat stellt kein Problem mehr dar.

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Quellen:

[1] MRI compatibility of several early transition metal based alloys, Journal of Biomedical Materials Research Part B Applied Biomaterials, February 2017, DOI: 10.1002/jbm.b.33832

[2] Osteogenesis and angiogenesis of a bulk metallic glass for biomedical implants, Bioactive Materials 8 (2022), 253–266

[3] Biocompatibility of a Zr-Based Metallic Glass Enabled by Additive Manufacturing, ACS Appl. Bio Mater. 2022, 5, 5741−5753

* Eva Brouwer arbeitet im Business Development bei Heraeus Amloy.

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