Applications of Open-cell Metal Foams

Ein wichtiges klinisches Problem ist der Ersatz von großen Knochendefekten in der Unfallchirurgie, in der Krebstherapie oder in der Behandlung osteoporotischer Brüche. Typischerweise werden derartige Defekte heutzutage durch körpereigene Knochen oder durch massives Knochenersatzmaterial ersetzt. Ersteres erfordert zusätzlich risikobehaftete und schmerzhafte Eingriffe, letztere sind aufgrund ihrer hohen Steifigkeit unvorteilhaft. Diese Implantate übertreffen die Steifigkeit des umgebenden Knochens weit und übernehmen an dieser Stelle die Last, die auf den betreffenden Körperteil wirkt. Da der Knochenaufbau der Lastverteilung folgt, ist die Knochenneubildung in diesem Bereich gestört.

Zellulare Metallische Werkstoffe besitzen aufgrund ihrer porösen Struktur eine stark verringerte Steifigkeit. Dieser Wert liegt typischerweise im Bereich der Steifigkeit eines spongiösen Knochens. Offenzellige Metalle erlauben zudem das Einwachsen von Knochenzellen und von Blutgefäßen, die für das Knochenwachstum notwendig sind.

Als Dauerimplantat werden zellulare metallische Werkstoffe aus einer Titanlegierung gefertigt. Dies ist vor allem begründet in der niedrigen Dichte, der außerordentlich guten Biokompatibilität, gepaart mit einer exzellenten Korrosionsbeständigkeit. Für den Einsatz als Endoprothese spricht darüber hinaus insbesondere die gute Osteokonduktivität von Titan. Titan und seine Legierung Ti6Al4V genießt aus diesen Gründen die höchste Marktakzeptanz unter den metallischen Ersatzmaterialien.

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 offenzellige Metallschäume auf der Basis von biodegradierbarem unlegierten und niedriglegierten Stahl entwickelt.