Knochenimplantate aus dem Drucker

passgenaue Knochenimplantate aus dem Drucker

Bei Tumorerkrankungen, Infektionen oder schweren Frakturen müssen Ärzte manchmal Knochen operativ entfernen und durch Implantate ersetzen. Forscher haben jetzt ein Verfahren entwickelt, mit dem sie Knochenimplantate aus einem speziellen Kunststoff mittels 3D-Druck herstellen können. Geniales Detail: Während des Druckens werden die einzelnen Schichten mit einem kalten Plasmastrahl behandelt, um das Anwachsen von knochenbildenden Zellen an der Oberfläche zu unterstützen.

Herkömmliche Oberflächenbehandlungen erreichen mit Niederdruck- oder Atmosphärendruckverfahren kaum die Tiefe von Knochenimplantaten. Das neue Verfahren ermöglicht eine zellwachstumsfördernde Beschichtung auch im Innern der Implantate. Dafür nutzt das Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST einen „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 anhaften. Das Highlight: 3D-Druck und Beschichtung werden in einem Gerät kombiniert. Weil für die Beschichtung keine chemische Vorbehandlung mit Lösungsmitteln notwendig ist, ist sie kostengünstig und umweltfreundlich.

Die Gerüststruktur des Implantats ist aus einem speziellen Copolymer gefertigt und dem natürlichen Knochen nachempfunden. Das 3D-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“, sagt Dr. Jochen Borris, Geschäftsfeldleiter Life Science und Umwelt am Fraunhofer IST. „Es wird nach und nach durch körpereigene Enzyme abgebaut.“

Die mechanische Stabilität des Implantats steuern die Forscher über die Dichte der gedruckten Gerüststruktur, aber auch über spezielle Füllstoffe, die sie dem Copolymer beimischen. Je höher die Füllstoffkonzentration, desto fester. Die Stabilität innerhalb des Implantats kann individuell variiert werden – wie der natürliche Knochen, so kann auch das Implantat unterschiedlich feste Bereiche haben. Die Füllstoffe können die Wissenschaftler zudem mit medizinischen Wirkstoffen wie Antibiotika versehen.

Die bisherigen Entwicklungsschritte konnte das Projektteam erfolgreich abschließen. Jetzt will es das Verfahren modifizieren und zur Anwendungsreife bringen. In Zukunft könnten Ärzte ihre Patienten vermessen, individuelle Anforderungen formulieren und die Daten an Medical Print-Shops senden, die passgenaue Implantate drucken.

Bild: © Fraunhofer IST, Falko Oldenburg / Beschichtung von Gerüststrukturen für Implantate mit einem Plasmajet.