3D-gedrucktes Salzgerüst für Knochenimplantat

Bei komplizierten Knochenbr¨¹chen oder gar fehlenden Knochenteilen setzen Chirurgen in der Regel Metallimplantate ein. Als Materialien der Wahl bieten sich nebst Titan, das mit dem Gewebe weder chemisch noch biologisch wechselwirkt, auch Magnesium und seine Legierungen an. Implantate aus diesem Leichtmetall haben den Vorteil, dass der K?rper sie abbauen und das Magnesium als Mineralstoff aufnehmen kann. So ist keine weitere OP notwendig, um das Implantat zu entfernen. F¨¹r eine schnelle Heilung sollte es oder dessen Oberfl?chen so beschaffen sein, dass sich knochenbildende Zellen gut darauf ansiedeln oder gar in das Implantat einwachsen k?nnen.

Materialforscherinnen und -forscher der ETH Z¨¹rich haben deshalb ein neues Verfahren entwickelt, um Magnesiumimplantate herzustellen, die ¨¹ber zahlreiche regelm?ssig angeordnete Poren verf¨¹gen und trotzdem stabil sind. Ihre Entwicklung wird demn?chst in der Fachzeitschrift externe SeiteAdvanced Materialscall_made publiziert.

Magnesium mit strukturierter Porosit?t

Um eine por?se Grundstruktur zu erhalten, druckten die Forschenden zuerst mit einem 3D-Drucker ein dreidimensionales Gitterger¨¹st aus Salz. Weil reines, herk?mmliches Kochsalz nicht die notwendigen Eigenschaften zum Drucken hat, entwickelten die Forschenden zu diesem Zweck eine gelartige Salzpaste. Der Durchmesser der Gitterstreben und deren Abst?nde lassen sich beim Drucken nach Bedarf einstellen. Um die Salzstruktur zu festigen, wurde sie anschliessend gesintert. Beim Sintern werden feink?rnige Stoffe stark erhitzt. Die Temperaturen liegen jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des Stoffes, damit die Struktur des Werkst¨¹cks erhalten bleibt.

In einem n?chsten Schritt infiltrierten die Materialforschenden den Porenraum zwischen den Salzstreben mit Magnesiumschmelze. ?Dieser Rohling ist mechanisch sehr stabil und l?sst sich durch Polieren, Drehen und Fr?sen gut bearbeiten?, sagt J?rg L?ffler, Professor f¨¹r Metallphysik und Technologie am Departement Materialwissenschaft. Nach der mechanischen Bearbeitung l?sten die Forschenden das Salz heraus und erhielten so das reine Magnesiumimplantat mit zahlreichen, regelm?ssig angeordneten Poren.

Entscheidend f¨¹r klinischen Erfolg

?Die M?glichkeit, die Porengr?sse und deren Verteilung und Richtung im Material zu kontrollieren, ist entscheidend f¨¹r den klinischen Erfolg des Implantats, da knochenbildende Zellen gerne in solche Poren hineinwachsen?, betont der ETH-Professor. Und genau darauf komme es an, damit ein Implantat rasch mit dem Knochen verwachse.

Das neu entwickelte Verfahren zur Herstellung derartiger Hilfsstrukturen aus Salz l?sst nebst der Infiltration mit Magnesium viel Spielraum f¨¹r weitere Materialien. Die Ko-Autoren Martina Cihova und Kunal Masania gehen davon aus, dass auf diese Art und Weise ebenso Polymere, Keramiken oder weitere Leichtmetalle mit einer kontrollierten Porengeometrie versehen werden k?nnen.

Die Idee f¨¹r das neue Herstellungsverfahren entstand im Rahmen der Masterarbeit von Erstautorin Nicole Kleger. Gef?rdert wurde ihre Arbeit mit einem Excellence Scholarship & Opportunity Stipendium von der ETH Z¨¹rich. Diese wurde zudem mit einer ETH-Medaille f¨¹r herausragende Masterarbeiten ausgezeichnet. Mittlerweile arbeitet Kleger als Doktorandin in der Gruppe f¨¹r Komplexe Materialien von ETH-Professor Andr¨¦ Studart, unter dessen Anleitung das Salzger¨¹st 3D-gedruckt wurde. Im Rahmen ihrer Dissertation ist die Forscherin nun daran, das 3D-Druckverfahren weiterzuentwickeln.