3D-gedrucktes Salzgerüst für Knochenimplantat

26.08.2019

Von Peter Rüegg

ETH-Forschende stellen mithilfe eines 3D-gedruckten Salzgerüstes Magnesium mit strukturierter Porosität her, das sich für bioabbaubare Knochenimplantate eignet.

Wie macht man aus Salz und Magnesium (links) ein Knochenimplantat mit regelmässig strukturierten Poren (r.)? ETH-Forschende entwickelten dazu ein Verfahren über ein Template aus 3D-gedrucktem Salz (Mitte). (Bild: Laboratorium für Metallphysik und Technologie / Komplexe Materialien / ETH Zürich)

Bei komplizierten Knochenbrüchen oder gar fehlenden Knochenteilen setzen Chirurgen in der Regel Metallimplantate ein. Als Materialien der Wahl bieten sich nebst Titan, das mit dem Gewebe weder chemisch noch biologisch wechselwirkt, auch Magnesium und seine Legierungen an. Implantate aus diesem Leichtmetall haben den Vorteil, dass der Körper sie abbauen und das Magnesium als Mineralstoff aufnehmen kann. So ist 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. Ihre Entwicklung wird demnächst in der Fachzeitschrift Advanced Materials publiziert.

Magnesium mit strukturierter Porosität

Um eine poröse Grundstruktur zu erhalten, druckten die Forschenden zuerst mit einem 3D-Drucker ein dreidimensionales Gittergerüst aus Salz. Weil reines, herkömmliches Kochsalz nicht die notwendigen Eigenschaften zum Drucken hat, entwickelten die Forschenden zu diesem Zweck 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. Beim Sintern werden feinkörnige Stoffe stark erhitzt. Die Temperaturen liegen jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des Stoffes, damit die Struktur des Werkstücks erhalten bleibt.

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

Entscheidend für 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 der ETH-Professor. Und genau darauf komme es an, damit ein Implantat rasch mit dem Knochen verwachse.

Das neu entwickelte Verfahren zur Herstellung derartiger Hilfsstrukturen aus Salz lässt nebst der Infiltration mit Magnesium viel Spielraum für weitere Materialien. Die Ko-Autoren Martina Cihova und Kunal Masania gehen davon aus, dass auf diese Art und Weise ebenso Polymere, Keramiken oder weitere Leichtmetalle mit einer kontrollierten Porengeometrie versehen werden können.

Die Idee für das neue Herstellungsverfahren entstand im Rahmen der Masterarbeit von Erstautorin Nicole Kleger. Gefördert wurde ihre Arbeit mit einem Excellence Scholarship & Opportunity Stipendium von der ETH Zürich. Diese wurde zudem mit einer ETH-Medaille für herausragende Masterarbeiten ausgezeichnet. Mittlerweile arbeitet Kleger als Doktorandin in der Gruppe für Komplexe Materialien von ETH-Professor André Studart, unter dessen Anleitung das Salzgerüst 3D-gedruckt wurde. Im Rahmen ihrer Dissertation ist die Forscherin nun daran, das 3D-Druckverfahren weiterzuentwickeln.

3D-gedrucktes Salzgerüst (links, Massstab: 1 mm), in welches in einem weiteren Schritt Magnesiumschmelze infiltriert wird. Nach dem Auswaschen des Salzes bleibt Magnesium mit regelmässig angeordneten Poren zurück (r.). (Bilder: Laboratorium für Metallphysik und Technologie / Komplexe Materialien / ETH Zürich)
Weitere Informationen und Bildquelle: www.eth.ch
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