Poröse Titanstrukturen für patientenspezifische Implantate

15.01.2024

Poröse Strukturen mit maßgeschneiderter struktureller Steifigkeit können die Lastübertragung vom Implantat auf den Knochen verbessern und haben daher großes Potenzial in der Orthopädie und Traumatologie.

Die additiven Fertigungsverfahren wurden in den vergangenen Jahren bereits in zahlreichen industriellen Sektoren etabliert, wie auch in der Medizintechnik. Für lasttragende Knochenimplantate wird aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit und den osseointegrativen Eigenschaften häufig die Titanlegierung Ti6Al4V eingesetzt. Diese weist eine deutlich höhere Steifigkeit auf als Knochen auf. An der Implantat‐Knochen Kontaktstelle entsteht dadurch eine veränderte Lastübertragung (stress shielding), was zur Osseolyse, zur Rückbildung von Knochengewebe, und schliesslich zur Lockerung des Implantats führen kann.  Poröse Strukturen mit an den Knochen angepasster struktureller Steifigkeit können die Lastübertragung verbessern und haben daher grosses Potential in der Orthopädie und Traumatologie. Das pulverbettbasierte Laserschmelzen (PBF-LB/M) ist ein additives Fertigungsverfahren und ermöglicht die schichtweise Herstellung von solchen komplexen metallischen Strukturen, basierend auf einem 3D Modell. 

Ziel dieser Arbeit war das Etablieren geeigneter Strukturparameter von additiv gefertigten porösen Titanstrukturen für patienten-spezifische Knochenimplantate, die eine gezielte Anpassung der lokalen Struktureigenschaften und zellbiologischen Reaktion ermöglichen. Dafür wurden poröse Strukturen mit unterschiedlichen Porengrössen und -formen entwickelt und mittels PBF/LB-M in Ti6Al4V hergestellt. Anhand der Strukturen wurde die Korrelation von Porengrösse und -form mit Zellwachstum, -morphologie, Stoffwechsel-Aktivität und die Aktivität von frühen Markern der Knochenbildung (ALP Aktivität) in statischen Zellkulturen mit der Osteosarkom-Zelllinie Saos-2 untersucht. Mechanische Eigenschaften wie Druckfestigkeit und Steifigkeit wurden anhand von Druckversuchen untersucht. 

Die zellbiologischen Parameter wie Zellwachstum, -morphologie, -Stoffwechsel-Aktivität und die ALP Aktivität zeigten sich als weitgehend unabhängig von Porengrösse und -form innerhalb des untersuchten Bereichs von 400-700 µm Porengrösse. Die mechanischen Eigenschaften der untersichten Strukturen lagen im Bereich von kortikalem und trabekulärem Knochen. Dies weist darauf auf die Möglichkeit hin, dass die mechanischen Eigenschaften von Implantaten lokal angepasst werden können, ohne die zellbiologische Reaktion massgeblich zu beeinflussen.

Quelle: https://www.additively.com/de/c/poroese-titanstrukturen-fuer-patientenspezifische-implantate.8216