3D-gedruckte Implantate zur Regeneration von nicht-selbstheilenden Knochendefekten
Motivation und Ziele
In Folge von Unfällen oder durch Krebserkrankungen kann es zu großen Knochendefekten kommen. Die klinische Versorgung der Patienten solcher Knochendefekte ist kritisch, da das menschliche Knochenwachstum ab einer gewissen Defektgröße nicht ausreicht, um diese selbstständig zu verschließen. Jede technische Lösung, die das Einwachsen von Knochen beschleunigt, hilft die Versorgung der Patienten zu verbessern. Mithilfe des 3D-Drucks können Produkte hergestellt werden, die in der Vergangenheit so nicht oder nur mit sehr hohen Kosten erzeugt werden konnten. In der Medizintechnik eignen sich diese Verfahren um zusätzliche Funktionen zu realisieren z. B. poröse Strukturen für das bessere Einwachsen von Knochen. Um dies zu ermöglichen, wurde ein spezieller 3D-Bio-Drucker modifiziert. Im Vorhaben HY2PRINT werden 3D-gedruckte Hydrogele aus verschiedenen Schichten mit jeweils besonderen Funktionen und bestehenden Titan-Implantaten kombiniert.
Wissenschaftliche Arbeiten und Lösungsweg
Zu Beginn wurden die medizinischen Anforderungen genau definiert. Anschließend wurden bereits die hierzu erforderlichen Biomaterialien entwickelt. Materialien zur Herstellung des Hybrid materials (Metall und Hydrogel) wurden in Bezug auf die Gelierung und die Haftfestigkeit der Hydrogele an der Grenzschicht zum Titan optimiert. Die gewünschten mechanischen Eigenschaften für die unterschiedlichen Implantatschichten konnten durch gezielte Modifikationen erreicht werden. Die Struktur der unterschiedlichen Schichten sollen das biologische Vorbild des Schädelknochens und der darunterliegenden Gehirnhaut aufgreifen. Die zum Einsatz kommenden biologisch funktionalen Materialien sind v. a. Alginat, Gelatine sowie Hydroxylapatit. Diese werden je nach Schicht unterschiedlich kombiniert, sodass ein mechanisch und anatomisch an das Zielgewebe angepasstes Implantat entsteht. Die biologische Evaluation findet gerade statt, eine Methode zur Auswertung mittels µ-CT ist ebenfalls in Arbeit.
Exponate
Modifizierter 3D-Drucker: HY2PRINT Drucker. © GeSiM – Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme mbH
Prototyp eines 3D-gedruckten HY2PRINT-Implantats: 3D-gedrucktes Composit für die Knochenregeneration. © Lehrstuhl Biomaterialien der FAU
Zellen auf 3D-gedrucktem Prototyp: Zelladhäsion von primären humanen Osteoblasten nach 2-tägiger Kultivierung auf 3D-gedruckten Hydrogelen
Beschreibung: Immunfluoreszenzfärbung der Osteoblasten; grün: Zytoskelettprotein Aktin; rot: Zelladhäsionsprotein FAK; blau: DNA / Eigenfluoreszenz des Hydrogels. © Universitätsklinikum Freiburg