Fraunhofer-Institut

Kommen Knochenimplantate bald aus dem 3-D-Drucker?

Forscher des Fraunhofer Instituts haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Knochenimplantate aus einem speziellen Kunststoff mittels 3-D-Druck passgenau, stabil und variabel herstellen lassen. Der Clou: Während des Druckprozesses werden die einzelnen Schichten mit einem kalten Plasmastrahl behandelt, um das Anwachsen von knochenbildenden Zellen an der Oberfläche zu unterstützen.

Das Bild zeigt die Beschichtung von Gerüststrukturen für Implantate mit einem Plasmajet. Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Während herkömmliche Oberflächenbehandlungen mit Niederdruck- oder Atmosphärendruckverfahren kaum in die Tiefe von Knochenimplantaten vordringen könnten, ermögliche das neue Verfahren "eine zellwachstumsfördernde Beschichtung auch im Innern der Implantate", wie das Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST jetzt mitteilt.

Dafür nutzt das Forscherteam einen sogenannten Plasma-Jet. Das Gerät bläst einen kalten Plasmastrahl, der reaktive Aminogruppen enthält, direkt auf die gedruckte Schicht. Die Aminogruppen binden an der Oberfläche und sorgen dafür, dass sich Knochenzellen hier wohlfühlen und gerne anhaften.

Das Besondere: 3-D-Druck und Beschichtung gehen Hand in Hand und werden in einem Gerät kombiniert. Und weil für die Beschichtung keine chemische Vorbehandlung mit Lösungsmitteln notwendig ist, sei sie nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich.

Schema zur Herstellung beschichteter Scaffolds: Unmittelbar nach der Extrusion werden die Gerüststrukturen mit einem kalten Plasma behandelt. | Fraunhofer IST

Die Gerüststruktur des Implantats - genannt "Scaffold" -, das aus einem speziellen Copolymer gefertigt ist, ist dem natürlichen Knochen nachempfunden. Das 3-D-Druckverfahren ermöglicht eine sehr individuelle, passgenaue Formgebung und Stabilität: "Unser Ziel ist, dass die Knochenzellen in die künstliche Struktur möglichst schnell hineinwachsen und das Implantat schließlich überflüssig machen. Es wird nach und nach durch körpereigene Enzyme abgebaut", erklärt Dr. Jochen Borris, Geschäftsfeldleiter Life Science und Umwelt am Fraunhofer IST.

Variabel durch raffinierte Füllstoffe

Die mechanische Stabilität des Implantats lässt sich nicht nur über die Dichte der gedruckten Gerüststruktur steuern, sondern auch über spezielle Füllstoffe, die dem Copolymer beigemischt werden: Je höher die Füllstoffkonzentration, desto fester das spätere Implantat.

"Diese Entwicklung unserer Projektpartner von der Universität Maastricht ermöglicht es, die Stabilität innerhalb des Implantats individuell zu variieren. Wie der natürliche Knochen, so kann auch das Implantat unterschiedlich feste Bereiche haben", sagt Dr. Thomas Neubert, der das EU-Projekt leitet. Die Füllstoffe könnten zudem mit medizinischen Wirkstoffen wie Antibiotika versehen werden, die helfen, Infektionen zu verhindern.

Antibiotika könnte direkt ins Implantat gespritzt werden

Die bisherigen Entwicklungsschritte konnte das Projektteam erfolgreich abschließen, nun soll das Verfahren modifiziert und zur Anwendungsreife gebracht werden. Bisher befindet sich der Versuchsaufbau noch im Labormaßstab.

"Zurzeit arbeiten wir daran, den Prozess einfacher und stabiler zu gestalten. Um die Entwicklung weiterzuführen und klinische Studien durchführen zu können, sind wir auf der Suche nach Partnern aus der Industrie", sagt Borris.

Das innovative Verfahren biete viel Potenzial, um Knochenimplantate sehr genau an individuelle Erfordernisse der Patienten anzupassen: "Form, Porosität, mechanische Stabilität und biomechanische Eigenschaften können wir mit unserem Verfahren hervorragend steuern und innerhalb der Implantate variieren. Wir können also unterschiedlich feste oder poröse Bereiche herstellen, die sich zusätzlich mit verschiedenen funktionellen Gruppen beschichten lassen."

In Zukunft könnten Ärzte ihre Patienten vermessen, individuelle Anforderungen formulieren und die Daten an Medical Print-Shops senden, wo die passgenauen Implantate dann gedruckt werden.

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