Die als Knochenersatz entwickelten Implantate sind innen geschäumt und außen im 3-D-Druck gefertigt.
Fraunhofer IKTS
Auf diese Weise lassen sich individuell angepasste Implantate anfertigen, die vollständig in den Körper integriert und langfristig durch eigene Knochensubstanz ersetzt werden können. Denn ein menschlicher Knochen besteht sowohl aus einer dichten und festen äußeren Hülle (substantia corticalis) als auch aus einer inneren porösen Füllung (substantia spongiosa). Die patientenspezifische, feste äußere Hülle des Knochens kommt aus dem 3-D-Drucker. Die schwammartige innere Knochenstruktur wird durch einen keramischen Schaum nachgebildet.
Vom Schaum zum Implantat
In einem ersten Schritt entwickelten Die IKTS-Forscher um Dr. Matthias Ahlhelm haben zunächst poröse, knochenähnliche Strukturen aus keramischen Materialien wie Hydroxylapatit, Zirkonoxid oder auch Mischungen aus beiden über die sogenannte Gefrierschäumung erzeugt. Dabei wird der Umgebungsdruck um eine wässrige, keramische Suspension in einem Gefriertrockner abgesenkt, wodurch die Suspension erst aufschäumt und dann schlagartig gefriert. Durch die anschließende Wärmebehandlung entsteht ein fester keramischer Schaum. In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT wurde dann die Biokompatibilität und -verträglichkeit dieser keramischen Schäume getestet und bestätigt.
Eine gedruckte Hülle für den Knochen
Anschließend ging es darum, die porösen knochenähnlichen Strukturen mechanisch stabiler zu machen und zudem die patientenspezifische Knochenform zu realisieren. Dazu haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS das 3-D-Druckverfahren der Lithographie-basierten keramischen Fertigung (LCM) ausgewählt. So ließen sich einzelne Röhren, Halbschalen oder komplexe knochenähnliche Hüllen drucken – und das aus den gleichen Materialien wie die poröse Schaumkeramik. Zuletzt wurden die beiden Verfahren miteinander kombiniert: In die gedruckten knochenähnlichen Hüllen wurde die keramische Suspension gefüllt und mittels Gefrierschäumung aufgeschäumt. Derzeit sei die gemeinsame Wärmebehandlung der beiden strukturell unterschiedlichen Komponenten noch eine Herausforderung, so das Institut.
Zukunftsträchtig für die wiederherstellende Chirurgie
Laut Dr. Matthias Ahlhelm, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS, stehen in naher Zukunft erste In-vivo-Versuche in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI an. Dann werden eventuelle Entzündungsreaktionen auf die keramischen Knochen sowie das Einwachsverhalten untersucht. Für Knochenkrebspatienten oder im Bereich Mund-, Kiefer- und Gesichtchirurgie dürften die neu entwickelten Implantate eine vielversprechende Lösung sein.