Biodegradierbar, osteoinduktiv und maßgeschneidert

Derzeit arbeiten Chirurgen hauptsächlich mit permanenten Titan-Implantaten. Häufig ist es aber gar nicht nötig oder sogar hinderlich, dass Implantate langfristig in ihrer Ursprungsform im Körper des Patienten verbleiben. Mediziner fordern daher biodegradierbare Implantate mit osteoinduktiven Eigenschaften: Implantate, die sich mit der Geschwindigkeit des Knochenwachstums abbauen und dieses gleichzeitig gezielt anregen. Nach einiger Zeit sollen sie komplett durch körpereigenes Material ersetzt werden und den Heilungsprozess auf diese Weise beschleunigen. Zudem soll das Implantat dem Defekt individuell angepasst werden und eine bestmögliche Verträglichkeit im Körper aufweisen.

Feinste Kanäle sorgen für verbesserte Degradierbarkeit

Im Verbundprojekt Resobone haben sich Forscher des Fraunhofer ILT dieser Aufgabe gestellt und auf Basis ihrer Erfahrungen mit SLM-gefertigten permanenten Implantaten ein Verfahren zur Herstellung biodegradierbarer Implantate entwickelt. Damit können biodegradierbare Implantate vor der Operation hinsichtlich ihrer Makrostruktur individuell an den Defekt des Patienten angepasst werden. Die präzise definierte Mikrostruktur des Implantats sorgt schließlich für seine Porösität. Sie ist die Voraussetzung dafür, dass das Implantat mit der Zeit vom Körper resorbiert werden kann. Dazu bedarf es durchgehender Kanäle, damit Blut und Zellen das Implantat vollständig durchdringen können. „Diese schwammartige Gitterstruktur zu schaffen, stellte die große Herausforderung während der Verfahrensentwicklung dar“, so Simon Höges, Projektleiter am Fraunhofer ILT. „Bislang war die Durchdringung des Implantats durch Körperzellen nur sehr beschränkt möglich. Das neue Verfahren versetzt uns in die Lage, mit einer Genauigkeit von 100 Mikrometern (µm) Porenkanäle von 500 bis 1.000 µm Durchmesser zu generieren. In diesem Zusammenhang spielt auch der Werkstoff, aus dem das Implantat gefertigt wird, eine entscheidende Rolle.“

b-Tricalciumphosphat (b-TCP) biete sich als Material zur Herstellung biodegradierbarer Implantate an, da es als Bestandteil des menschlichen Knochens für ein optimales Einwachsverhalten im Körper sorge. Allerdings lässt sich b-TCP aufgrund seiner chemischen Struktur nicht direkt durch Schmelzen verarbeiten. Somit eignet es sich nur bedingt für die Verarbeitung mit dem SLM-Verfahren. „Es galt also, einen Zusatzstoff zu finden, der dem pulverisierten b-TCP beigemischt wird und dessen Vorteile mit einer besseren Schmelzbarkeit vereint. In dem degradierbaren Polymer Polylactid (PLA) haben wir diesen Stoff schließlich gefunden“, erklärt Höges. PLA schmilzt bereits unter 200 Grad Celsius und eigne sich hervorragend für die Verarbeitung durch SLM. Mit diesem Verbundwerkstoff konnte schließlich die Fertigung des biodegradierbaren Implantats realisiert werden. Seine Basis bildet weiterhin das b-TCP, während das beigemischte PLA für die Formgebung sorgt.

Schicht für Schicht zum persönlichen Implantat

Für die Herstellung des degradierbaren Implantats wird zunächst eine Computertomografie-Aufnahme des bestehenden Knochens angefertigt. Basierend auf den Daten des Defekts werden die Konturen des Implantats virtuell konstruiert. Zusätzlich wird auf Grundlage eines Softwaremodells eine definierte Porenstruktur in das virtuelle Implantat eingebracht. So entsteht eine präzise Vorlage für die Mikro- und die Makrostruktur des zu fertigenden Implantats. Nun kann der eigentliche Fertigungsprozess durch SLM beginnen: Resultat ist ein schichtweise maßgeschneidertes, biodegradierbares Implantat mit poröser Struktur aus einem Guss.
Damit steht mit SLM ein reproduzierbares, formgebendes Verfahren zur Verfügung, welches das Potenzial zur Fertigung maßgeschneiderter biodegradierbarer Implantate mit definierter Porenstruktur besitzt. Neben nicht lasttragenden Knochenimplantaten können auch biomedizinische Produkte wie biodegradierbare Stents gefertigt werden, die völlig vom Körper resorbiert werden. Auch in der Kieferchirurgie lässt sich das Verfahren zur Rekonstruktion von Defekten im Kieferknochen einsetzen. Derzeit testen Höges und sein Team in Zusammenarbeit mit den Kooperationspartnern vom Lehr- und Forschungsgebiet Zahnärztliche Werkstoffkunde und Biomaterialforschung (ZWBF) weitere Materialien für die Fertigung von Implantaten, um deren Einwachsverhalten zu optimieren.

Weiterführende Informationen finden Interessenten im Internet unter www.ilt.fraunhofer.de.