Forschungsbereich

Biomaterialien

Materialien für die Additive Fertigung

Materialien für das Additive Manufacturing im medizinischen Bereich gewinnen immer mehr an Bedeutung. Aus diesem Grund bildet die Entwicklung solcher Materialsysteme in Zusammenarbeit mit kompetenten Partnern (Durchführung der Druckverfahren) einen Forschungsschwerpunkt im Bereich Biomaterialien.

Calciumphosphate werden auf Grund ihrer Ähnlichkeit mit der mineralischen Phase des humanen Knochens und ihrer osteokonduktiven Eigenschaften seit langem als Implantatmaterialien im Hartgewebebereich eingesetzt. Gegenwärtig kommen diese Materialien als Granulate, aushärtbare Zemente oder vorgefertigte Formkörper mit einfacher Geometrie, kaum aber als patientenspezifische Implantate mit individuell angepasster Form und Strukturierung in der Klinik zum Einsatz.
 

Unter diesem Gesichtspunkt steht die Entwicklung von Pulver-Binder-Systemen, die in einem herkömmlichen 3D-Pulverdruckverfahren zu stabilen dreidimensionalen Formkörpern mit vorgegebener Geometrie verarbeitbar sind. Als Pulverkomponente werden Calciumphosphate (Tri- bzw. Tetracalciumphosphat) allein oder in Mischung mit anderen Verbindungen (Calciumcarbonat, Hydroxylapatit) eingesetzt, die an definierten Stellen unter Einwirkung wässriger Binderflüssigkeiten aushärten. Die Analyse der entstandenen Kristallphasen erfolgt mittels Röntgendiffraktometrie.

Mit den optimierten Systemen lassen sich komplexe Körper drucken, wobei die Leistungsfähigkeit des Verfahrens am Beispiel der Fertigung von Formkörpern mit sich in x-, y- und z-Achse kreuzenden Kanälen sowie von filigranen Gesichtsschädel-Strukturen demonstriert werden kann.

Die mechanische Stabilität der porösen Formkörper kann mittels Infiltration mit biokompatiblen radikalisch vernetzbaren Monomeren deutlich erhöht werden. In In-vitro-Versuchen mit ausgewählten Zelllinien und in ersten In-vivo-Studien wurde die Zyto- bzw. Biokompatibilität der gedruckten und nachbehandelten Körper nachgewiesen.

Neben anorganischen Materialien für den Pulverbett-3D-Druck entwickeln wir photochemisch verarbeitbare Materialsysteme, die für moderne additive Verfahren wie die Stereolithographie (SLA), das Digital Light Processing (DLP) oder die Multi-Photonen-Polymerisation (MPP) eingesetzt werden können. In der Entwicklung befinden sich strahlungsvernetzende Harzsysteme, deren Flexibilität im polymerisierten Zustand je nach gewünschtem Einsatzgebiet variabel gestaltet werden kann. Es wird angestrebt, diese Systeme u. a. für Ohrpassstücke, Septumbuttons oder Epithesen nutzbar zu machen.


Gabriele Grimm
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