Biokompatible Implantate – 3D-Druck unterstützt die Medizin

Feb 26, 2018

3D-Drucktechnologien werden heutzutage für verschiedene patientenbezogene Behandlungen in der Medizin verwendet. Einer der Kernbereiche, in denen der 3D-Druck am weitesten verbreitet ist, ist die Entwicklung von Modellen für die Planung und Vorbereitung der chirurgischen Arbeit. In Bezug auf humane Implantat-Anwendungen wurden 3D-Druck-Werkzeuge hauptsächlich verwendet, um metallische Modelle für strukturelle Zwecke in orthopädischen, spinalen und kraniomaxillofazialen Bereichen herzustellen.

Mehrere Studien weisen darauf hin, dass nicht alle Patienten metallische Implantate (insbesondere solche mit Nickel, Kobalt und Chrom) tolerieren können, da aufgrund von Metallionen immunologische Allergie-Reaktionen hervorgerufen werden können. Forschungsarbeiten mit nichtmetallischen Materialien, wie Keramik auf Mineralbasis und diversen Polymeren, zeigt, dass diese biokompatiblen Materialien keine nachgewiesenen, immunologischen Reaktionen verursachen. In den letzten 20 Jahren gab es einen großen sowohl experimentellen als auch praxisbezogenen Aufschwung, PEEK (Polyetheretherketon) in einer Reihe von menschlichen Implantat-Szenarien anzuwenden. PEEK ist für hervorragende mechanische und biokompatible Eigenschaften bekannt.

Aufgrund seiner Eigenschaften ähnelt das Hochleistungspolymer menschlichen Knochen mehr als jedes metallische Implantatmaterial und wird daher für medizinischen Knochenimplantat-Anwendungen bevorzugt, in denen die Spannungsabschirmung eine potentielle biomechanische Herausforderung darstellt. Aufgrund seiner geringeren Belastbarkeit im Vergleich zu metallischen Materialien hat PEEK eine breitere Anwendung in der kraniomaxillofazialen und Wirbelsäulenchirurgie erfahren.

Weitere Fakten über PEEK

  • Aufgrund seiner Wärmeleiteigenschaften dienen PEEK-Implantate im Vergleich zu metallischen Implantaten als bessere Isolatoren bei extremen Temperaturen.
  • Bearbeitete Oberflächen von PEEK-Implantaten zeigen eine gute Osseointegration, welche einen beschleunigten Heilungsprozess ermöglicht.
  • PEEK ist röntgentransparent und macht seine Verwendung als humanes Implantat daher besonders vorteilhaft. Das Gewebe- und Knochenwachstum rund um die PEEK-Implantate kann mithilfe von Bildgebungsverfahren artefaktfrei dargestellt werden; im Gegensatz zu Metallimplantaten, die keine Röntgentransparenz aufweisen und daher keine artefaktfreie Bildgebung ermöglichen.
  • Aufgrund seiner Elastizität ist es einfacher, die Oberfläche von PEEK-Implantaten zu formen und zu modifizieren als die jedes anderen metallischen Implantatmaterials.
  • Die vergleichsweise ähnlichen Eigenschaften von PEEK zu menschlichen Knochen fördern die mechanische Stressentlastung des Knochens und ermöglichen es, auf Belastungsreaktionen zu reagieren, um strukturelle Instabilitäten im Knochenimplantatbereich zu überwinden und Knochenabbau zu verhindern.
  • Preislich sind PEEK-Implantat-Komponenten wirtschaftlich günstiger als Titan-Prothesen.

Personalisierte Patientenversorgung mit 3D-gedruckten PEEK-Implantaten

Bis vor 5 Jahren war es nicht möglich, PEEK-Teile mit additiven Fertigungswerkzeugen wie 3D-Druck herzustellen. Die meisten PEEK-Implantate wurden mit Spritzgussverfahren oder CNC-Frästechniken produziert. Diese Verarbeitungsmethoden bieten jedoch nicht den Grad an Gestaltungsfreiheit, der für die Herstellung von patientenspezifischen Implantaten unter Verwendung von Bildgebungsdaten von Patienten benötigt wird.

Der 3D-Druck von PEEK mit laserbasierten AM-Methoden hat sich als deutlich aufwändigere und kompliziertere Verarbeitungsmethode erwiesen. PEEK-Teile, die mithilfe von Laser-AM-Verfahren hergestellt werden, weisen zudem nicht die gewünschten Eigenschaften für PEEK auf, da sie Modifikationen auf molekularer Ebene ausgesetzt sind.

Vor kurzem hat die Apium Additive Technologies GmbH jedoch gezeigt, dass das PEEK-Material mittels Materialextrusion 3D-gedruckt werden kann. Apium´s patentierte Technologie, welche in den  3D-Druckern der M220-Serie zu Verfügung gestellt wird, bietet Herstellern von Medizinprodukten die seltene Gelegenheit, PEEK-Teile unter sehr erschwinglichen Bedingungen herzustellen. Die M220-Maschinen wurden entwickelt, um die Biokompatibilität und Sterilität des verarbeiteten PEEK-Filaments zu bewahren, wodurch Apium sein Versprechen erfüllt, ein Werkzeug bereitzustellen, welches die Patientenversorgung revolutionieren kann.

Folgende Arbeitsschritte sind für die Verwendung von 3D-gedruckten PEEK-Implantaten notwendig. Es werden CT- oder MRT-Daten von Patienten verwendet, um lesbare Datenformate für 3D-Drucker zu erzeugen, nachdem die Rohbilddaten analysiert, segmentiert und unter Verwendung von Slicing-Softwaretools rekonstruiert wurden. Die Aussicht, solch erstaunliche Leistungen zu erreichen, hat zu einer besseren Versorgung von medizinischen Traumata bei CMF, Hand- und Wirbelsäulenoperationen geführt. Dieser kritische Zugang zu einem medizinischen Gesundheitsmanagements mit derart hohem Niveau, ist durch Apiums M220 3D-Drucker geebnet worden.

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