3D-gedrucktes Salzgerüst für Knochenimplantat

Mithilfe eines 3D-gedruckten Salzgerüstes stellen ETH-Forscher Magnesium mit strukturierter Porosität her. Dieses lässt sich für biologisch abbaubare Knochenimplantate einsetzen.

Bei komplizierten Knochenbrüchen oder gar fehlenden Knochenteilen setzen Chirurgen in der Regel Metallimplantate ein. Als Materialien der Wahl bietet sich neben Titan auch Magnesium und seine Legierungen an. Der große Vorteil: das mit dem Gewebe zeigt weder chemisch noch biologisch Wechselwirkungen. Implantate aus benanntem Leichtmetall kann der Körper abbauen und das Magnesium als Mineralstoff aufnehmen. So wäre keine weitere OP notwendig, um das Implantat zu entfernen. Für eine schnelle Heilung sollte es oder dessen Oberflächen so beschaffen sein, dass sich knochenbildende Zellen gut darauf ansiedeln oder gar in das Implantat einwachsen können.

Materialforscherinnen und -forscher der ETH Zürich haben deshalb ein neues Verfahren entwickelt, um Magnesiumimplantate herzustellen, die über zahlreiche regelmässig angeordnete Poren verfügen und trotzdem stabil sind.

Magnesium hat strukturierte Porosität

Um eine poröse Grundstruktur zu erhalten, druckten die Forscher zuerst mit einem 3D-Drucker ein dreidimensionales Gittergerüst aus Salz. Weil reines, herkömmliches Kochsalz nicht die notwendigen Eigenschaften zum Drucken hat, entwickelten sie eine gelartige Salzpaste. Der Durchmesser der Gitterstreben und deren Abstände lassen sich beim Drucken nach Bedarf einstellen. Um die Salzstruktur zu festigen, wurde sie anschließend gesintert.

In einem nächsten Schritt infiltrierten die Forscher den Porenraum zwischen den Salzstreben mit Magnesiumschmelze. „Dieser Rohling ist mechanisch sehr stabil und lässt sich durch Polieren, Drehen und Fräsen gut bearbeiten,“ so Jörg Löffler, Professor für Metallphysik und Technologie am Departement Materialwissenschaft. Nach der mechanischen Bearbeitung lösten die Wissenschaftler das Kochsalz heraus und erhielten ein reines Magnesiumimplantat mit zahlreichen, regelmässig angeordneten Poren.

Wichtig für den klinischen Erfolg

„Die Möglichkeit, die Porengrösse und deren Verteilung und Richtung im Material zu kontrollieren, ist entscheidend für den klinischen Erfolg des Implantats, da knochenbildende Zellen gerne in solche Poren hineinwachsen„, betont Löffler. So kann das Implantat rasch mit dem Knochen verwachsen.

Zukünftig könnten auch Polymere, Keramiken oder weitere Leichtmetalle mit einer kontrollierten Porengeometrie versehen werden.

Die Idee für das neue Herstellungsverfahren entstand im Rahmen der Masterarbeit von Erstautorin Nicole Kleger. Im Rahmen ihrer Dissertation ist die Forscherin nun daran, das 3D-Druckverfahren weiterzuentwickeln.

Literaturhinweis

Kleger N, Cihova M, Masania K, Studart AR, Löffler JF. 3D Printing of Salt as a Template for Magnesium with Structured Porosity. Adv. Mater. 2019, 1903783, doi: 10.1002/adma.201903783

Die Entwicklung wird demnächst in der Fachzeitschrift Advanced Materials publiziert.

Weitere Infos unter ETH Zürich

Headerbild: Pedro Jonen