Medizinische Implantate sind ein ideales Anwendungsfeld für den 3D-Druck, da sie die schnelle Herstellung hochkomplexer und individuell anpassbarer Produkte erfordern. Die Forschung im Bereich additiven Fertigung verbessert kontinuierlich die Qualität dieser Implantate und erweitert die Einsatzmöglichkeiten des 3D-Drucks in der Medizinbranche.
Die Herstellung medizinischer Implantate ist ein anspruchsvoller Prozess, da sie die Zusammenarbeit verschiedenster und hochspezialisierter Forschungsbereiche erfordert. Diese Produkte müssen aus medizinischer, biomechanischer und materialwissenschaftlicher Sicht umfassend analysiert werden.
Eine der größten Herausforderungen bei medizinischen Implantaten ist die Biokompatibilität. Dabei geht es um die Fähigkeit des Implantats, langfristig im Körper angemessen zu funktionieren. Fehlerhaft hergestellte synthetische Implantate können Ionen freisetzen, was das umliegende Gewebe negativ beeinflusst, oder das Immunsystem lehnt das Implantat als Fremdkörper ab. Toxikologie, Immunreaktion und Oberflächenbehandlung sind daher entscheidende Faktoren, um die Biokompatibilität zu gewährleisten.
Neben biologischen Aspekten ist auch das mechanische Design von Implantaten äußerst komplex. Die Biomechanik menschlicher Körperteile ist vielschichtig: Einzelne Komponenten können sich in Eigenschaften wie Kollagengehalt und Lamellenorientierung unterscheiden, was ihnen spezifische mechanische Eigenschaften verleiht. Gelenke leisten über Jahrzehnte unzählige Bewegungszyklen mit minimalem Verschleiß. Diese biomechanischen Eigenschaften synthetisch nachzubilden, ist eine enorme Herausforderung.
Die Geometrie von Knochen und Gewebe unterscheidet sich von Patient zu Patient. Auch Art und Ausmaß der erlittenen Schäden sind stets individuell. Deshalb müssen Implantate maßgeschneidert und spezifisch auf den jeweiligen Patienten zugeschnitten werden.
In praktisch allen Fällen, in denen kleine Chargen individuell gestalteter Produkte hergestellt werden, ist die additive Fertigung die attraktivste und kosteneffizienteste Methode. Komplexe Bauteile mit filigranen inneren Strukturen und kleinsten, aber entscheidenden Variationen lassen sich Schicht für Schicht direkt aus CAD-Daten deutlich einfacher fertigen.
Die additive Fertigung ist im Bereich medizinischer Implantate kein neues Konzept. Knieimplantate beispielsweise werden aus CAD-Modellen 3D-gedruckt. Diese Modelle stammen aus 3D-Scans des Knies des Patienten, wodurch invasive Eingriffe, wie sie traditionell notwendig wären, vermieden werden. Seit über einem Jahrzehnt werden 3D-Druckverfahren für verschiedenste Implantate im menschlichen Körper eingesetzt.
Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie – von einer breiteren Palette an Filamentmaterialien bis hin zu gesteigerter Präzision – lassen erwarten, dass dieses Herstellungsverfahren künftig noch stärker im Bereich medizinischer Implantate Anwendung findet.
Innovationen beim 3D-Druck von Materialien – zuletzt im Jahr 2020 – haben zu bedeutenden Fortschritten im medizinischen Sektor geführt.
Forschungen der australischen Regierungsorganisation CSIRO haben im letzten Jahr ergeben, dass sich Nitinol im 3D-Druck verarbeiten lässt, was die Serienfertigung von Arterienstents für Kreislauferkrankungen ermöglicht.
Nitinol, eine Legierung aus Titan und Nickel, ist aufgrund ihrer Formgedächtniseigenschaften besonders für die Behandlung peripherer arterieller Verschlusskrankheiten (PAD) geeignet. PAD entsteht durch Fettablagerungen in den Arterien der Beine oder Arme, wodurch der Blutfluss in die Extremitäten eingeschränkt wird. Stents, die in solche defekte Arterien eingesetzt werden, müssen sich verformen können, aber dennoch ihre Form behalten, wenn der Patient seine Gliedmaßen bewegt. Aus diesem Grund ist Nitinol das Material der Wahl bei der Herstellung dieser Stents.
Die CSIRO-Forschung hat nun belegt, dass sich Nitinol-Stents per 3D-Druck herstellen lassen. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Metallurgie der additiven Fertigung dar (denn Nitinol wird selten im 3D-Druck eingesetzt) und verbessert zudem die Geometrie dieser Stents. Die 3D-gedruckten Stents verfügen über eine komplexe Netzstruktur, die ihnen ermöglicht, sich effizienter als herkömmliche Stents zu dehnen und zusammenzuziehen.
Mit diesen Forschungsergebnissen gehen alle Vorteile der additiven Fertigung für PAD-Patienten einher. Arterienstents können individuell angepasst und schnell gefertigt werden. Die schnelle Herstellung erhöht zudem die Zugänglichkeit dieser Produkte.
Um das Potenzial des 3D-Drucks in der Medizinbranche voll zu erfassen, ist es wichtig zu berücksichtigen, wie breit das Spektrum der 3D-Drucktechnologien ist. Die zuvor genannten Beispiele – Arterienstents und Knieimplantate – werden mittels eines bestimmten 3D-Druckverfahrens hergestellt: dem Pulverbettverfahren. Es gibt jedoch weitere Techniken, die unterschiedliche Eigenschaften und Vorteile bieten.
Das Pulverbettverfahren beschreibt die Verschmelzung von feinem Pulver zu festen Materialschichten durch eine Wärmequelle wie einen Laser. Neue Pulverschichten werden auf die bereits verschmolzene Querschnittsfläche aufgetragen und das Verfahren wiederholt sich, bis das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut ist.
Dieses Verfahren ist eines der am häufigsten genutzten, da damit präzise und komplexe Strukturen leicht realisierbar sind. Im Fall des Elektronenstrahls liegt die Präzision sogar im Bereich weniger Mikrometer. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden.
Allerdings hat dieses Verfahren auch Nachteile. Wie alle additiven Herstellungsverfahren erzeugt das Pulverbettverfahren Produkte mit rauen Oberflächen, die nachbehandelt werden müssen – ein Problem insbesondere bei empfindlichen Komponenten. Zudem kann der Einsatz von Lasern zur Rissbildung führen, da kleinste Temperaturschwankungen auftreten. Schließlich sind manche Pulver schwer zu beschaffen. Die Nitinol-Stents sind ein Beispiel dafür, da das Nitinol-Pulver speziell hergestellt werden muss.
Die zweite gängigste Methode im 3D-Druck ist die Extrusion. Bei der Materialextrusion wird das Pulver oder Filament durch eine spezielle Düse geführt, die sich in alle drei Achsen bewegen kann und das Material auf ein beheiztes Druckbett aufträgt, sodass Schicht für Schicht das Bauteil entsteht. Extrusionsdrucker sind das, was die meisten Menschen mit „3D-Druck“ verbinden.
Die Materialextrusion ist kostengünstiger als das Pulverbettverfahren und verursacht weniger Abfall. Allerdings treten auch hier Oberflächenrauigkeiten auf, und in Sachen Präzision und biologischer Eigenschaften kann dieses Verfahren nicht mit dem Pulverbettverfahren mithalten. Das Pulverbettverfahren kann beispielsweise die Porosität von menschlichem Knochen effizient nachahmen – winzige Poren, die entscheidend sind, um die mechanischen Eigenschaften biologischer Gewebe zu reproduzieren. Hier zeigt sich der Vorteil des Pulverbettverfahrens gegenüber der Materialextrusion.
Der 3D-Druck ist für den Fortschritt bei medizinischen Implantaten unerlässlich. Ein sinnvoller Mix aus diesen beiden Hauptverfahren sollte genutzt werden, um diese Entwicklung weiter voranzutreiben. Mit der fortschreitenden Technologie steigen auch die Anwendungsmöglichkeiten dieses Herstellungsverfahrens.
