Individuell angepasste Implantate, die vollständig in den Körper integriert und langfristig durch eigene Knochensubstanz ersetzt werden – dieser Gedanke kann bald Wirklichkeit werden. Möglich wird dies durch eine am Fraunhofer IKTS entwickelte keramische Material- und Verfahrenskombination.

Ein menschlicher Knochen besteht aus einer dichten und festen äußeren Hülle (substantia corticalis) und einer inneren porösen Füllung (substantia spongiosa). Um solche in ihrer Struktur unterschiedlichen Knochen künftig als Implantat nachbilden zu können, wurden am Fraunhofer IKTS spezielle keramische Materialien entwickelt und zwei Technologien intelligent miteinander verknüpft: Die patientenspezifische, feste äußere Hülle des Knochens kommt dabei aus dem 3D-Drucker. Die schwammartige innere Knochenstruktur wird durch einen keramischen Schaum nachgebildet.

Mit dem ausgewählten 3D-Druckverfahren der Lithographie-basierten keramischen Fertigung (LCM) gelang es, einzelne Röhren, Halbschalen oder komplexe knochenähnliche Hüllen zu drucken – und das aus den gleichen Materialien wie die poröse Schaumkeramik. Entsprechend der 3D-Daten wird ein blaues Lichtprofil auf eine mit photosensitiven Monomeren gemischte keramische Suspension projiziert und diese genau an den belichteten Stellen ausgehärtet. Schicht für Schicht entsteht so eine komplexe dreidimensionale Struktur. Im letzten Schritt wurden die beiden Verfahren miteinander kombiniert: In die gedruckten knochenähnlichen Hüllen wurde die keramische Suspension gefüllt und mittels Gefrierschäumung aufgeschäumt. Eine Herausforderung stellt derzeit noch die gemeinsame Wärmebehandlung der beiden strukturell unterschiedlichen Komponenten dar. Hier gilt es, das unterschiedliche Schwindungsverhalten der Materialien so aufeinander abzustimmen, dass es weder zu Rissen noch zu Verformungen in der Komponente kommt.

»Im Ergebnis dessen entsteht eine komplexe Struktur, die aufgrund der Verbindung von dichter äußerer Hülle und porösem Inneren den Weg zu personalisierbaren knochenähnlichen Implantaten ebnet, die bioaktiv und robust sind«, erklärt Dr. Matthias Ahlhelm, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS. »In naher Zukunft stehen erste In-vivo-Versuche an, in denen eventuelle Entzündungsreaktionen auf die keramischen Knochen sowie das Einwachsverhalten untersucht werden«, führt Ahlhelm fort. Hier arbeitet das Fraunhofer IKTS eng mit dem Fraunhofer IZI zusammen.

Die am Fraunhofer IKTS entwickelten keramischen Implantate könnten so künftig eine vielversprechende Lösung für die wiederherstellende Chirurgie sein, zum Beispiel bei Knochenkrebspatienten oder im Bereich Mund, Kiefer und Gesicht.

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Bildquelle: Fraunhofer IKTS