3D-gedruckte patientenindividuelle Implantate Bioresorbierbare Gitterstrukturen sollen Knochendefekte heilen

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RWTH Aachen

Im Rahmen des Projektes Bio-Struct werden Implantate erforscht, die im Körper resorbierbar und individuell an den Einsatzort angepasst sind und den Heilungsverlauf fördern. Hierfür hat der Lehrstuhl Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen eine neuartige Zink-Magnesium-Legierung in Kombination mit Gitterstrukturen und dem Verarbeitungsprozess mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) entwickelt.

Sogenannte critical-size Knochendefekte stellen ein komplexes medizinisches Problem dar: Aufgrund des sowohl großen fehlenden Knochenvolumens als auch dem Abstand zwischen etwaig freien Knochenenden, kann der Knochen bei diesen Defekten nicht von allein ausheilen. Vor diesem Hintergrund entwickeln die Partner des Bio-Struct-Konsortiums ein bioresorbierbares Implantat-Konzept, dessen Materialeigenschaften und geometrisches Design die komplexen Anforderungen einer patientenfreundlichen Knochenheilung erfüllen. Die Herausforderung liegt in der Wahl geeigneter und verarbeitbarer Werkstoffe sowie Geometrien, zum einen für den Körper, zum anderen aber auch für die Verarbeitung mittels der additiven Fertigungstechnologie Laser Powder Bed Fusion, durch die das Implantat-Konzept überhaupt erst umsetzbar wird.

Zink-Magnesium-Legierung bietet optimale Abbaueigenschaften

Wie der Lehrstuhl DAP mitteilt, besitzt sowohl Zink als auch Magnesium Eigenschaften, die für resorbierbare Knochenimplantate geeignet sind. Die Wissenschaftler untersuchten deshalb unterschiedliche Legierungszusammensetzungen aus diesen Reinmetallen, um die Eigenschaften beider für den Einsatz im Körper wie auch für die Verarbeitbarkeit durch das LPBF gewinnbringend zu kombinieren. In ihren Untersuchungen gelang es den Forschenden durch die Zugabe von geringen Mengen Magnesium in das Zink eine Kornfeinung zu erzeugen und damit die Mikrostruktur gezielt einzustellen. 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.

Algorithmisches Design als innovativer Ansatz

Über das Design der Implantate, das durch das LPBF-Verfahren völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten erhält, kann auf die patientenindividuellen Anforderungen eingegangen werden, wie z.B. mechanische Belastung und Korrosionsverhalten am Einsatzort. Laut DAP liegt der innovative Ansatz in einem algorithmischen Gitterstrukturen-Design: Anhand der definierten Anforderungen werden Geometrie und Anordnung der einzelnen Streben bzw. Gitterzellen parametrisch generiert, die so entstandene Gitterstruktur an die Knochendefektstelle angepasst und für die Fertigung mittels LPBF aufbereitet. Der Strebendurchmesser sei in diesem Zusammenhang eine wichtige Stellschraube. Anpassungen des Gitterstrukturdesigns sollen dabei etwa eine gleichmäßige Korrosion über das komplette Bauteil hinweg sowie das Ausschwemmen von Abbauprodukten und gleichzeitig das Einwachsen von Gewebe ermöglichen, während das Implantat im Körper resorbiert wird.

Kieferknochenimplantat als erster Demonstrator

Ein erster Demonstrator in Form eines gitterstrukturierten Kieferknochenimplantats konnte erfolgreich und reproduzierbar aus dieser ZnMg-Legierung hergestellt werden. Der Strebendurchmesser der verwendeten Gitterstruktur im Demonstrator beträgt 200 µm. Weitere Strukturen wurden mittels LPBF für Untersuchungen der Bioverträglichkeit von ZnMg hergestellt. Zukünftig sollen diese Strukturen das stabile Gerüst zur Infiltration von beispielsweise Kollagen oder Fibroin bilden, sodass ein gerichtetes Knochenwachstum ermöglicht wird.

Optimierung des Designprozesses mittels Datenbanken

Die Projektergebnisse werden in das re-ACT-Bündnis überführt, das in der zweiten Jahreshälfte 2022 mit seinen interdisziplinären Forschungsarbeiten zu den Implantaten der Zukunft bereits begonnen hat. Auf Basis der Erkenntnisse sollen nun einsatzbereite Demonstrator-Implantate entstehen. Darüber hinaus soll der Designprozess optimiert und automatisiert werden. Hierzu entwickeln die Experten am Lehrstuhl DAP eine material- sowie nachbearbeitungsspezifische und eine anwendungsspezifische Datenbank. Erstere bezieht Eingangsgrößen wie mechanische Eigenschaften, LPBF-Designrestriktionen und LPBF-Verfahrensparameter ein. Die zweite Datenbank enthält Informationen über den Patienten wie Alter, Geschlecht, Defektgröße und Anschlussgeometrie.

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