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Implantatmaterialien aus Titan Ganz wie der eigene Knochen

Redakteur: Peter Reinhardt

Titan ist wegen seiner guten Bioverträglichkeit schon lange Zeit als Implantatmaterial im Einsatz. Jülicher Forscher arbeiten gezielt daran, die Eigenschaften der Titanmaterialien weiter zu verbessern und die Herstellverfahren speziell für poröse Implantatwerkstoffe wirtschaftlicher zu gestalten

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Bild 1 | Prototyp eines 2C-MIM-Wirbelsäulenimplantats: Die Grenzen zwischen dem porösen Teil des Implantats und dem dichten Teil sind klar zu erkennen
Bild 1 | Prototyp eines 2C-MIM-Wirbelsäulenimplantats: Die Grenzen zwischen dem porösen Teil des Implantats und dem dichten Teil sind klar zu erkennen
(Bild: Ruhr Universität Bochum)

Massives Titan ist wesentlich steifer als menschlicher Knochen. Die unterschiedliche Elastizität von Implantat und umgebendem Knochen kann auf Dauer dazu führen, dass sich Implantate lockern.

Metallkörper mit definiert planbaren Poren

Vor einigen Jahren entwickelten Jülicher Forscher der Arbeitsgruppe Pulvermetallurgie daher poröse Implantatmaterialien aus Titan. „Auch der natürliche Knochen hat im Innern poröse Anteile, die elastischer sind als die feste äußere Schicht“, erklärt Dr. Martin Bram. Ausgangsbasis ist ein Metallpulver. Die Pulverpartikel werden in eine Form gepresst und bei hohem Druck für mehrere Stunden auf über 1.000 °C erhitzt. Dabei verbinden sich die Pulverpartikel untereinander und ein fester Metallkörper entsteht. Die Form der einzelnen Partikel bleibt dabei weitgehend erhalten, zwischen ihnen bilden sich infolge von Diffusionsprozessen Brücken aus.

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Um nun Metallkörper zu erzeugen, die von Poren durchsetzt sind, deren Größe und Beschaffenheit genau planbar sind, nutzt man Platzhalter. Dazu dienen zum Beispiel Harnstoff oder Kochsalz. „Dieser Prozess ist seit langem etabliert, aber auch sehr aufwändig und für große Stückzahlen nur bedingt geeignet“, erklärt Dr. Bram. „Besonders nach Entfernung des Platzhalters ist die Stabilität des Implantats gering und erfordert eine aufwändige Handhabung, um eine Schädigung vor dem Sintern zuverlässig zu vermeiden.“

Bewährte Lösung aus der Kunststoffindustrie

Die Jülicher Forscher schauten daher eine Formgebungsmethode bei der Kunststoffindustrie ab. Das Ergebnis nennt sich Metallpulver-Spritzguss oder Metal-Injection-Moulding (MIM) und besitzt ein hohes Potenzial zur automatisierten Formgebung.

Das Pulvergemisch wird dabei durch eine Schnecke in eine Form transportiert und darin verdichtet. Um das Verfahren nutzen zu können, braucht man neben Metall- und Platzhalterpulver Binder. Als mögliche Binder testeten die Forscher verschiedene Kunststoffe in unterschiedlichen Mengenanteilen. Etwa ein Viertel der Gesamtmasse wird an Binder zugesetzt, der zum Beispiel aus einer Mischung aus Paraffin und Polyethylen besteht. Der Kunststoff schmilzt im Laufe des Fertigungsprozesses. Da während des Verfahrens Temperaturen von 150 °C und Drücke von 100 MPa herrschen, kann man auch nicht alle Platzhalter nutzen. Die Forscher setzen bevorzugt auf Kochsalz, dessen Schmelzpunkt bei ca. 800 °C liegt.

Nach der Verdichtung der Pulver in der Form werden Binder und Platzhalter in mehreren Schritten entfernt. Paraffin verschwindet im Lösemittelbad, der Platzhalter im Wasserbad, Polyethylen beim Erhitzen durch thermische Zersetzung. Die mechanische Festigkeit des Implantats wird wiederum durch den bereits erwähnten Sinterprozess erreicht.

Implantate kostengünstig herstellen

Auf diese Weise ist es gelungen, die Formgebung des porösen Implantats zu automatisieren. Diese Ergebnisse ermutigten die Jülicher Forscher zu einem weiteren Schritt bei der Nutzung des MIM-Verfahrens. „Für manche Zwecke braucht man Implantate, die gleichzeitig Bereiche mit größerer Porosität und dichte Bereiche haben“, erklärt Dr. Bram. Das MIM-Verfahren wurde dafür auf zwei Komponenten ausgelegt (2C-MIM) und in einer Doktorarbeit intensiv untersucht (Bild 1).

Es werden zwei Partikelmischungen von verschiedenen Seiten in die speziell konstruierte Form geleitet und dort verdichtet. In der Kunststoffindustrie ist der Mehrfach-Spritzguss bereits gängige Praxis. Bei der Implantatherstellung gab es viele offene Fragen wie beispielsweise: Wie hoch kann der Anteil der Feststoffe gegenüber dem Binder sein? Oder: Wie halten dichter und poröser Teil zusammen?

Die Forscher testeten verschiedene Zusammensetzungen aus Metall- und Platzhalterpartikeln und Bindern. Einige Mischungen erwiesen sich als ungeeignet, weil sie zu früh flüssig wurden. Andere ließen sich nicht gut durch die Schnecke in der Maschine transportieren. Es stellte sich heraus, dass der maximal mögliche Anteil fester Partikel bei der Mischung mit Platzhalter größer war (68 Prozent) als bei der Mischung ohne Platzhalter (64 Prozent), weil Partikel-Platzhalter-Mischungen eine höhere Packungsdichte besitzen. Daraus resultiert ein geringerer Bedarf an Binder bei der Platzhaltermischung. Die schließlich gewählte Bindermischung bestand aus 60 Prozent Paraffin, 35 Prozent Polyethylen und 5 Prozent Stearinsäure.

Ergebnis des 2C-MIM-Prozesses sind formtreue Implantate, deren Kontaktstelle zwischen dichtem und porösem Bereich definiert ist. „Durch diese Automatisierung könnten wir solche Implantate viel kostengünstiger herstellen, wenn alle Probleme gelöst sind“, so Dr. Bram. Prinzipiell sind Wirbelsäulenimplantate für den kompletten Bandscheibenersatz möglich (Bild 2).

Kontakt

Forschungszentrum Jülich GmbH

D-52428 Jülich

www.fz-juelich.de

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