Biomaterialien

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.

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.

• SAB-Verbundprojekt QUA DEMOS

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.

• Projekt SynGOMAG

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.

• 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

• 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