Implantat aus porösem Titan hilft bei Bandscheibenschäden

Stabil muss es sein – aber gleichzeitig porös und von Hohlräumen durchzogen: So können Implantat und benachbarte Wirbel schnell und nahtlos miteinander verwachsen. Jülicher Forscher brachten nun ihr Fachwissen über poröse Werkstoffe aus der Brennstoffzellenforschung auch im medizinischen Bereich zum Einsatz. Das Ergebnis, ein Wirbelsäulenimplantat aus porösem Titan, wurde von der Schweizer Firma Synthes in ihre Produktpalette aufgenommen.

„Das Projekt war eine spannende Herausforderung, denn es stellten sich neue Aufgaben, die wir in die Entwicklung mit einbeziehen mussten“, so Dr. Hans Peter Buchkremer vom Jülicher Institut für Energieforschung und ansonsten für die Entwicklung von Brennstoffzellenmembranen verantwortlich. „Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit war für uns äußerst interessant, und wir sind stolz auf das Ergebnis.“

Platzhalter macht Werkstoff Titan erst porös

Grundlage für poröse Werkstoffe ist die Platzhaltermethode: Titanpulver und ein Platzhalterpulver werden zunächst vermischt. Unter dem Druck von 1000 kN wird das Gemisch in einen Block gepresst. So entsteht das Halbzeug, welches durch mechanische Bearbeitung wie etwa Fräsen in die gewünschte Form gebracht wird.

Um das Werkstück porös zu machen, wird es auf rund 80 Grad erhitzt. Der Platzhalter zersetzt sich, entweicht und hinterlässt die gewünschten Poren. Ein weiteres kontrolliertes Erhitzen, das Sintern, dient der Festigung des Titans; eine Temperatur von etwa 1300 °C erlaubt es Atomen, zu wandern und die Titankörner stabil zu verbinden.

Ammoniumhydrogencarbonat als Platzhalter reagiert nicht mit Titan

Das patentierte Jülicher Herstellungsverfahren nutzt den speziellen Platzhalter Ammoniumhydrogencarbonat, der außerordentlich gute Eigenschaften aufweist. „Er hat eine wesentlich niedrigere Zersetzungstemperatur als herkömmliche Platzhalter und reagiert beim Erhitzen kaum mit dem Titan. Daher hinterlässt er keine Rückstände, die die Festigkeit des Werkstoffs oder die Verträglichkeit des Implantats im Körper beeinträchtigen“, erklärt Projektleiter Dr. Martin Bram.

Außerdem schäumt der Platzhalter nicht beim Erhitzen. Deshalb können Größe und Anteil der entstehenden Poren genau gesteuert werden, eine für die Besiedelung mit Knochenzellen wesentliche Voraussetzung.

Medizintechnik-Firma zeigt Interesse an Innovation

Als Bram und seine Kollegen auf einem Kongress im Jahr 2002 ihre Innovation vorstellten, weckten sie sofort das Interesse der Medizin-Firma Synthes. Zusammen entwickelte man ein neues Verfahren zur Herstellung von Wirbelsäulenimplantaten. Diese bestehen zudem aus zwei Zonen unterschiedlicher Dichte, um verschiedenen Ansprüchen bei der Implantation gerecht werden zu können.

Inzwischen brachte Synthes das Produkt „Plivio-Pore“ aus porösem Titan auf dem Markt, das eingesetzt wird, um Patienten mit besonders schweren Bandscheibenschäden ein schmerzfreies Leben zu ermöglichen. Bei dem Eingriff platzieren die Ärzte zwei quaderförmige Implantate horizontal anstelle der defekten Bandscheibe. Mit der Zeit verwachsen sie mit den benachbarten Rückenwirbeln und stabilisieren diese.

Werkstücke aus porösem Metall sollen spritzgegossen werden

In Jülich soll die Platzhaltermethode nun weiterentwickelt werden. „Der nächste Schritt wird es sein, Werkstücke aus porösem Metall per Spritzguss direkt herzustellen“, verrät Bram. Bei diesem Verfahren entfällt die mechanische Bearbeitung der Implantate, was den Produktionsprozess vereinfacht und kostengünstiger macht.