Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Von der Natur abgeschaut – Keramische Werkstoffe und Technologien für personalisierte Implantate

15.03.2017

Individuell angepasste Implantate, die vollständig in den Körper integriert und langfristig durch eigene Knochensubstanz ersetzt werden – dieser Gedanke kann bald Wirklichkeit werden. Möglich wird dies durch eine am Fraunhofer IKTS entwickelte keramische Material- und Verfahrenskombination.

Individuell angepasste Implantate, die vollständig in den Körper integriert und langfristig durch eigene Knochensubstanz ersetzt werden – dieser Gedanke kann bald Wirklichkeit werden. Möglich wird dies durch eine am Fraunhofer IKTS entwickelte keramische Material- und Verfahrenskombination.


Außen gedruckt, innen geschäumt – keramischer Knochenersatz.

© Fraunhofer IKTS


Poröse, gefriergeschäumte Knochenstruktur aus Hydroxylapatit.

© Fraunhofer IKTS

Ein menschlicher Knochen besteht aus einer dichten und festen äußeren Hülle (substantia corticalis) und einer inneren porösen Füllung (substantia spongiosa). Um solche in ihrer Struktur unterschiedlichen Knochen künftig als Implantat nachbilden zu können, wurden am Fraunhofer IKTS spezielle keramische Materialien entwickelt und zwei Technologien intelligent miteinander verknüpft: Die patientenspezifische, feste äußere Hülle des Knochens kommt dabei aus dem 3D-Drucker. Die schwammartige innere Knochenstruktur wird durch einen keramischen Schaum nachgebildet.

Vom keramischen Schaum zum Knochenimplantat

In einem ersten Schritt entwickelten die IKTS-Forscher um Dr. Matthias Ahlhelm aus keramischen Materialien wie Hydroxylapatit, Zirkonoxid oder auch Mischungen aus beiden über die sogenannte Gefrierschäumung poröse, knochenähnliche Strukturen.

Bei diesem Verfahren wird der Umgebungsdruck um eine wässrige, keramische Suspension in einem Gefriertrockner abgesenkt, wodurch die Suspension erst aufschäumt und dann schlagartig gefriert. Das enthaltene Wasser sublimiert, d. h. es verdunstet ohne vorher flüssig zu werden. Durch die anschließende Wärmebehandlung entsteht ein fester keramischer Schaum.

Biokompatibilität in Studien bestätigt

Die Biokompatibilität und -verträglichkeit dieser keramischen Schäume wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in-vitro getestet. Dabei brachten die Wissenschaftler zunächst Fibroblastzellen von Mäusen auf die keramische Oberfläche auf und belegten, dass die Zellen prinzipiell auf dem Keramikschaum überleben und darüber hinaus sogar Stoffwechsel betreiben.

Um die nachgewiesene Biokompatibilität auch auf menschliche Zellen übertragen zu können, wurden anschließend humane mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark, sogenannte Vorläuferzellen des Bindegewebes, verwendet. Mit Hilfe eines Markers konnte das Stoffwechselprodukt Kollagen auf der Keramikoberfläche sichtbar gemacht werden, was auf eine aktive Stoffwechselreaktion der Stammzellen schließen lässt.

Die Ergebnisse zeigen, dass diese Stammzellen den Keramikschaum besiedeln und befähigt sind, in unterschiedliche Zell- bzw. Gewebetypen, z. B. in Knochen- oder Muskelzellen, zu differenzieren. Dies ist ein wichtiges Indiz für die Biokompatibilität und -verträglichkeit dieser keramischen Materialien.

Eine gedruckte Hülle für den Knochen

Im nächsten Schritt suchten die Forscher nun ein Verfahren, um die porösen knochenähnlichen Strukturen mechanisch stabiler zu machen und zudem die patientenspezifische Knochenform zu realisieren. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS nutzten dabei ihre langjährigen Erfahrungen im Bereich der additiven Fertigung.

Mit dem ausgewählten 3D-Druckverfahren der Lithographie-basierten keramischen Fertigung (LCM) gelang es, einzelne Röhren, Halbschalen oder komplexe knochenähnliche Hüllen zu drucken – und das aus den gleichen Materialien wie die poröse Schaumkeramik. Entsprechend der 3D-Daten wird ein blaues Lichtprofil auf eine mit photosensitiven Monomeren gemischte keramische Suspension projiziert und diese genau an den belichteten Stellen ausgehärtet.

Schicht für Schicht entsteht so eine komplexe dreidimensionale Struktur. Im letzten Schritt wurden die beiden Verfahren miteinander kombiniert: In die gedruckten knochenähnlichen Hüllen wurde die keramische Suspension gefüllt und mittels Gefrierschäumung aufgeschäumt. Eine Herausforderung stellt derzeit noch die gemeinsame Wärmebehandlung der beiden strukturell unterschiedlichen Komponenten dar. Hier gilt es, das unterschiedliche Schwindungsverhalten der Materialien so aufeinander abzustimmen, dass es weder zu Rissen noch zu Verformungen in der Komponente kommt.

„Im Ergebnis dessen entsteht eine komplexe Struktur, die aufgrund der Verbindung von dichter äußerer Hülle und porösem Inneren den Weg zu personalisierbaren knochenähnlichen Implantaten ebnet, die bioaktiv und robust sind“, erklärt Dr. Matthias Ahlhelm, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS. „In naher Zukunft stehen erste In-vivo-Versuche an, in denen eventuelle Entzündungsreaktionen auf die keramischen Knochen sowie das Einwachsverhalten untersucht werden“, führt Ahlhelm fort. Hier arbeitet das Fraunhofer IKTS eng mit dem Fraunhofer IZI zusammen.

Die am Fraunhofer IKTS entwickelten keramischen Implantate könnten so künftig eine vielversprechende Lösung für die wiederherstellende Chirurgie sein, zum Beispiel bei Knochenkrebspatienten oder im Bereich Mund, Kiefer und Gesicht.

Weitere Informationen:

https://www.ikts.fraunhofer.de/de/press_media/press_releases/Werkstoffe_Technolo...
http://www.periscope.tv/FraunhoferIKTS

Dipl.-Chem. Katrin Schwarz | Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte