OsteoLas

Ziele des Projekts

Infolge des demografischen Wandels und der gestiegenen Lebenserwartung nimmt die Prävalenz altersbedingter Krankheiten wie Osteoporose weiter zu. Daraus ergibt sich ein Bedarf an verbesserten Implantaten.

Das Projekt "OsteoLas" befasst sich mit der Entwicklung einer ganzheitlichen laserbasierten Prozesskette für die Herstellung von orthopädischen Implantaten, die speziell auf die Bedürfnisse von Osteoporose-Patienten zugeschnitten sind. Dies umfasst in einem ersten Schritt die additive Fertigung von individualisierbaren Knochenimplantaten aus einer speziellen Titanlegierung (Ti-13Nb-13Zr) mittels selektives Laserstrahlschmelzen (LPBF). Dieser Ansatz ermöglicht die Herstellung von geformten Implantatkörpern mit maximaler Designflexibilität, geringer Steifigkeit und hoher Festigkeit.

Ein zweiter Schwerpunkt des Projekts ist die Schaffung biofunktioneller Oberflächenstrukturen auf diesen LPBF-Implantaten. Dies geschieht durch gezielte Mikrostrukturierung mittels Direkter Laserinterferenzstrukturierung (DLIP). Diese Technik zielt darauf ab, die Biokompatibilität der Implantate zu erhöhen, indem hierarchische Oberflächenstrukturen mit Mikro- und Nanometerauflösung auf komplexen 3D-Geometrien erzeugt werden. Dadurch soll die Anlagerung von Knochengewebe gefördert und die Stabilität der Implantat-Knochen-Verbindung verbessert werden.

Insgesamt zielt das Projekt darauf ab, die Herstellung von Implantaten für Osteoporose-Patienten zu optimieren und Sachsen als führenden Standort in der innovativen laserprozessbasierten Implantatfertigung national und international zu etablieren. Das Projekt führt Expertengruppen des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und des Fraunhofer IWS Dresden zusammen, um Synergieeffekte zu schaffen und eine systemische Prozesskette für individualisierbare Implantate zu realisieren. Mögliche Anwendungen und Weiterentwicklungen in den Bereichen Materialermüdung unter biomechanisch relevanten Belastungsszenarien, präklinische Studien und Technologietransfer zu Industriepartnern sind ebenfalls angedacht.
 

Ergebnisse

Im Rahmen des OsteoLas-Projekts wurde die Entwicklung fortschrittlicher orthopädischer Implantate mit Schwerpunkt auf additiver Fertigung und Oberflächenmodifikationstechniken untersucht. Das Projekt umfasste mehrere Forschungsarbeiten, deren wichtigste Ergebnisse im Folgenden aufgeführt sind:

Additive Fertigung: Im Rahmen des Projekts wurde das additive Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Verfahren zur additiven Herstellung einer Ti-13Nb-13Zr-Legierung für orthopädische Implantate eingesetzt. Die Forscher optimierten die Prozessparameter und führten eine Wärmebehandlung durch, um verbesserte mechanische Eigenschaften und einen niedrigen Elastizitätsmodul zu erzielen, so dass sich die hergestellten Teile für unter Last stehende Implantate eignen. Es konnte gezeigt werden, dass die Korrosionsbeständigkeit dieser in LPBF hergestellten Implantate vergleichbar mit der herkömmlich hergestellter Legierungen war.

Direkte LaserInterferenzstrukturierung (DLIP): DLIP wurde eingesetzt, um komplexe Oberflächenmuster auf der Ti-13Nb-13Zr-Legierung zu erzeugen. Unter Verwendung unterschiedlicher Laserwellenlängen und Pulsdauern wurden verschiedene Oberflächenstrukturen, einschließlich laserinduzierter periodischer Oberflächenstrukturen (LIPSS) mit unterschiedlichen Ortsfrequenzen und Merkmalsgrößen erzeugt. Mit nanosekundengepulstem DLIP wurden einskalige Oberflächentexturen erzeugt. Mit Piko- und Femtosekunden-DLIP konnten hierarchische Oberflächenmuster aus DLIP und LIPSS erzeugt werden. Der Laserparameterraum und die daraus resultierenden Oberflächengeometrien wurden umfassend charakterisiert. Dies bot die Möglichkeit, die Oberflächeneigenschaften der Implantate zu optimieren.

Umfassende Oberflächencharakterisierung: Für eine erste Auswahl optimierter DLIP-Topographien wurden Stromazellen aus menschlichem Knochenmark auf verschiedenen DLIP-texturierten, in LPBF hergestellten Ti-13Nb-13Zr-Proben kultiviert. Ihre Biokompatibilität wurde anhand von Fluoreszenzmikroskopie-Messungen qualitativ bewertet. Zwei DLIP-Texturen (eine einskalige und eine hierarchische) mit vergleichbaren Tiefenprofilen (1-2 µm Tiefe) und einer Struktureriode von 5 µm wurden aufgrund ihrer vorteilhaften Zellanhaftung zur weiteren Charakterisierung ausgewählt. Multiskalige chemische Oberflächen- und

mikrostrukturelle Analysen (AES, XPS, XRD, SEM, TEM, GD-OES, Kontaktwinkel) dieser DLIP-Zustände wurden durchgeführt, um das Korrosionsverhalten in einer physiologischen PBS-Lösung zu verstehen. Erhöhte Beta-Phasen-Anteile und gleichmäßig dicke Passivschichten von ns-DLIP-Oberflächen führten zu einer verbesserten Korrosionsstabilität im Vergleich zu ps-DLIP mit defektem Oberflächenoxid. Beide DLIP-Zustände kontrollieren die Oberflächenbenetzbarkeit und begrenzen dadurch die Korrosions- und Metallionenfreisetzungsraten, was für Implantatanwendungen von Vorteil ist.

Verbesserung der Biokompatibilität: Diese ein- und mehrskaligen Oberflächentexturen auf 3D-gedruckten Titanimplantaten wurden mit Stromazellen aus menschlichem Knochenmark mittels MTS- und TNAP-Tests getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass beide Arten von Texturen die Stoffwechselaktivität und die Zellproliferation im Vergleich zu nicht texturierten Proben deutlich erhöhten. Die Oberflächentopografie, die Rauheit und die Oberflächenchemie beeinflussten das Zellverhalten, einschließlich Adhäsion, Proliferation und Differenzierung.

Insgesamt hat das OsteoLas-Projekt erfolgreich das Potenzial der additiven Fertigung und der Oberflächenmodifikationstechniken wie DLIP zur Herstellung biokompatibler und mechanisch geeigneter orthopädischer Implantate aufgezeigt. Diese Innovationen sind vielversprechend für die Verbesserung patientenspezifischer Implantate und die Verbesserung der Osseointegration für eine bessere Knochenheilung.