Biomaterialien

Biomaterialien

Wirbelkörper aus Titan
© Fraunhofer IFAM Dresden
Wirbelkörper aus Titan
© Fraunhofer IFAM Dresden
Röntgenaufnahme Wirbelkörper

Durch den Einsatz neuer Werkstoffe in der Medizin können Risiken von Behandlungen und die Zahl der notwendigen Eingriffe verringert werden oder neue Therapiemöglichkeiten erschlossen werden. Das Fraunhofer IFAM Dresden entwickelt auf der Basis pulvermetallurgischer Technologien neue Werkstoffe und Herstellungsverfahren für biomedizinische Produkte.

Im Fokus der Arbeiten stehen die Struktur und die Legierungsentwicklung neuer Werkstoffe:

  • Metallische Implantate mit zellularer Struktur ermöglichen in der Orthopädie die Anpassung der Elastizität und Festigkeit an den Knochen
  • Neue pulvermetallurgische Verfahren ermöglichen die Fertigung von Werkstoffen mit höherer Festigkeit und verbesserten Korrosionseigenschaften oder ermöglichen die Fertigung endkonturnaher Geometrien
  • Für die Anwendung in biodegradierbaren Implantaten entwickeln wir neue Legierungen auf der Basis von Magnesium und Eisen für angepasste Korrosionsraten und Festigkeiten

Anwendungen

Am Fraunhofer IFAM werden Werkstoffe und Verfahren vor allem für die folgenden Anwendungen entwickelt:

Orthopädie

© Fraunhofer IFAM Dresden
Röntgen Defektauffüllung
Übersicht biodegradabler Implantatwerkstoffe
© Fraunhofer IFAM Dresden
Übersicht biodegradabler Implantatwerkstoffe

Große Knochendefekte stellen nach wie vor ein medizinisches Problem dar. Solche Läsionen müssen solange stabil ersetzt werden, bis neu gebildeter körpereigener Knochen in der Lage ist, die mechanische Funktion wieder selbständig zu übernehmen. Knochen wird vor allem dort gebildet, wo er biomechanisch stimuliert wird. Ohne Belastung kommt es dagegen zur Verringerung der Knochendichte, ein Effekt, der beim Einsatz von massiven Implantaten zur Knochendegeneration führt. Ideale Implantate sollten daher an die mechanischen Eigenschaften des Knochens angepasst sein.

 

Zellulare Implantatwerkstoffe aus Titan sind hochbelastbar, und dabei so elastisch wie ein spongiöser Knochen. Als knochenähnliches und durchwachsbares Implantat ermöglichen sie das Ersetzen großer Defekte ohne die Entnahme körpereigenen Knochens. Das Ziel der Entwicklung ist die schnellere Mobilisierung des Patienten und die Beschleunigung des Heilungsprozesses.

 

Ein anderes Konzept wird mit der Entwicklung biodegradabler Werkstoffe verfolgt. Ein ideales Implantat übernimmt hier zu Beginn der Heilung zunächst die volle Stabilisierung. Bei zunehmender Knochenregeneration wird durch die Resorption des Implantatmaterials eine vermehrte Lastübertragung auf den Knochen eingeleitet. In diesem Idealfall wird durch fortschreitende Osteointegration einerseits und Zersetzung des Implantats andererseits jederzeit eine optimale Anpassung an den jeweiligen Festigkeitszustand erreicht. Am Fraunhofer IFAM werden daher zellulare Implantate auf der Basis von Magnesium entwickelt.

Implantate für koronare Interventionen

© Fraunhofer IFAM Dresden

In der Gefäßchirurgie verringern kardiovaskuläre Implantate auf der Basis metallischer degradabler Werkstoffe das Risiko einer Restenose, das von permanenten Implantaten ausgeht, sowie das Risiko einer in-stent Thrombose als Folge der Anwesenheit von Drug-eluting Stents. Solche degradierbaren Gefäßimplantate ermöglichen darüber hinaus neue Behandlungsmöglichkeiten in der Pädiatrie.

Das Fraunhofer IFAM entwickelt neue pulvermetallurgische Technologien und Werkstoffe, mit denen durch ultrafeine Gefüge oder weiterentwickelte Legierungen die Korrosionsraten angepasst werden können.

Implantate für maxillofaziale Applikationen

© Fraunhofer IFAM Dresden
Beispiel für ein Magnesiumimplantat in der Oral-Chirurgie (Modell)
Modell eines Implantats der Schädeldecke
© Fraunhofer IFAM Dresden
Modell eines Implantats der Schädeldecke

Defekte der Schädelkalotte sowie des Mittelgesichts benötigen üblicherweise patientenindividuelle Implantatmaterialien. Dazu werden im Projekt OsteoPAKT (gefördert vom BMBF) Implantatmaterialien mit einem neuartigen Versorgungsansatz für individuelle, patientenspezifische Knochenersatzimplantate insbesondere im Schädel- und Gesichtsbereich entwickelt, mit denen sich funktionell hochwertige Ergebnisse erzielen lassen. Gleichzeitig wird eine schnellere Versorgung des Patienten ermöglicht und eine kosteneffektive Behandlung realisiert, weil durch die Bereitstellung des individuellen Implantats innerhalb von 48 Stunden Mehrfachoperationen vermieden werden können.

Mittels moderner Bildgebung wird ein digitales Modell des Defektbereiches erstellt. Dieses Modell wird für die Herstellung einer Negativschablone mittels 3D-Druck verwandt. Diese patientenindividuelle dreidimensionale Schablone wird für die Formgebung des vorkonfektionierten Verbundmaterials aus einem Titanschwamm und einer Knochenzementpaste gebraucht. Nach der weitgehenden Aushärtung des Knochenzements und der Sterilisation erfolgt die Implantationsoperation.

Im Projekt ResorbM (gefördert vom BMBF) wird untersucht, ob resorbierbare Implantate für die operative Versorgung von Kraniosynostosen bei Säuglingen und Kleinkindern aus Molybdän hergestellt werden können. Das Metall verfügt zum einen über eine hohe mechanische Festigkeit, zum anderen macht seine Resorbierbarkeit eine weitere Operation zur Implantatentfernung überflüssig. Damit ist der Eingriff für das Kind wesentlich leichter zu verkraften. Da die Handhabung von Molybdänimplantaten dem von Titanimplantaten ähneln wird, werden sie sich nahtlos in bestehende Behandlungsprozesse und Arbeitsabläufe der Kliniken integrieren lassen. Damit soll die Qualität der Versorgung in der Schädel-, Kiefer-, und Gesichtschirurgie bei Kleinkindern weltweit auf ein deutlich höheres Niveau angehoben werden.

Werkstoffe für Dentalimplantate

Modell eines Dentalimplantats mit Ceramill Sintron®
© Amann Girrbach
Modell eines Dentalimplantats mit Ceramill Sintron®

Ceramill Sintron® von AmannGirrbach revolutioniert die CNC-basierte Trockenbearbeitung von Nichtedelmetall-Restaurationen mit Desktop-Fräsgeräten im eigenen Labor. Durch die „wachsartige“ Beschaffenheit von Ceramill Sintron® lässt sich das Material mühelos trocken fräsen. Während des anschließenden Sinterprozesses unter Schutzgasatmosphäre erreichen die Gerüste ihren endgültigen Materialeigenschaften – eine CoCr-Einheit mit sehr homogenem Materialgefüge. Die anschließende Verblendung kann unter Verwendung jeder konventionellen CoCr-Gerüstkeramik erfolgen. Ceramill Sintron® wurde in Kooperation mit dem Fraunhofer IFAM Dresden entwickelt.

Werkstoffe

© Fraunhofer IFAM Dresden
offenzellige Schaumstruktur
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Titanpulver
  • Titan und Titanlegierungen für den Einsatz in permanenten Implantaten in der Orthopädie und als Werkstoff für den Dentalersatz
    hohe Festigkeit, gute Biokompatibilität, geringe Korrosion, hohe Osteokonduktivität, hohe Marktakzeptanz
  • Tantal für den Einsatz in permanenten Implantaten in der Orthopädie
    gute Biokompatibilität, geringe Korrosion, bereits in den Markt eingeführt
  • CoCr-Legierungen für den Einsatz im Dentalbereich oder Gelenksendoprothesen
    hohe Festigkeit, gute Biokompatibilität, geringe Korrosion, gute tribologische Eigenschaften, hohe Marktakzeptanz
  • Edelstähle für den Einsatz in temporären Implantaten
    gute Biokompatibilität, geringe Korrosion, bereits in den Markt eingeführt, deutlich geringere Knochenadhäsion als Titan
  • Magnesium und Magnesiumlegierungen
    Vollständige Degradation, Kurze Degradationszeiten, sehr hohe Biokompatibilität, hohe Osteokonduktivität
  • Molybdän und Molybdänlegierungen
    Hohe Festigkeit, sehr hohe Steifigkeit, lange Degradationsraten

Technologien

© Fraunhofer IFAM Dresden
Blick in Spark-Plasma-Sintering-Anlage
© Fraunhofer IFAM Dresden
Melt Spinning zur Herstellung von Pulvern mit nanokristallinem Gefüge
  • Entwicklung Zellularer Metallischer Werkstoffe für steifigkeitsangepasste orthopädische Implantate mit hoher Osteointegrationsfähigkeit
  • Rascherstarrte Magnesiumlegierungen mit stark verringerten Korrosionsraten und verbesserten mechanischen Eigenschaften
  • Spark Plasma Sintering – Sintertechnologie für hohe Festigkeiten und angepasste Korrosionsraten
  • Fasermetallurgie verbindet die Vorteile rascherstarrter Legierungen mit den günstigen Eigenschaften Zellularer Metalle
  • Sintertechnologie
  • Melt-Spinning – Ultrafeinkörnige / amorphe Werkstoffe mit erhöhten mechanischen Festigkeiten und erhöhter Korrosionsfestigkeit
  • Hochenergiemahlen
  • Strukturanalyse
  • Elementaranalyse