Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWSLaser-basiertes Prozessieren einer neuartigen near-beta Ti-Nb-Zr-Legierung zur Herstellung und Funktionalisierung von Knochenimplantaten für Patienten mit altersbedingter Osteoporose
Abstract
In der Implantatfertigung gewinnen Laser-basierte Verfahren an rasant zunehmender Bedeutung. Additive Verfahren, vor allem selektives Laserschmelzen (SLM), werden als DIE Schlüsseltechnologien für Metallimplantate angesehen. Neben dem Potenzial zur Patienten-individualisierten Implantatfertigung zeichnen sich diese materialeffizienten Verfahren durch einen hohen Designfreiheitsgrad sowie der Möglichkeit einer endkonturnahen Produktherstellung aus. Die topographische Beschaffenheit der Implantatoberfläche ist einer der wichtigsten Faktoren für das Anwachsen von Knochengewebe (Osseointegration) und ist maßgeblich für die Biokompatibilität bzw. Körperverträglichkeit des Implantates verantwortlich. Das gezielte Funktionalisieren der Oberfläche kann mit einer weiteren Schlüsseltechnologie der Zukunft - der direkten Laserinterferenzstrukturierung (engl. Direct Laser Interference Patterning) – realisiert werden. Maßgeschneiderte hierarchische Oberflächentopographien mit Mikro- und Nanometerauflösung können zu einer verbesserten Knochenzellaktivität führen. Infolge kann so die Stabilität der Implantat/Knochen-Verbindung gezielt gesteuert und das Einheilverhalten signifikant verbessert werden.
Ziel des beantragten Vorhabens ist die materialspezifische Entwicklung einer ganzheitlichen Laserverfahrensbasierten Prozesskette zum Herstellen von orthopädischen Formkörpern mit maßgeschneiderten Material- und Oberflächeneigenschaften. Dabei soll der Einfluss von SLM-Prozessparametern auf die Morphologie und das Gefüge von massiven Formkörpern und daraus resultierender mechanischer Eigenschaften wird im Detail untersucht. Durch Anwenden des DLIP-Verfahrens werden maßgeschneiderte Oberflächenstrukturen auf komplexen Formkörpern realisiert. Dabei wird im Wesentlichen zwischen Oberflächen mit verschiedenen Rauigkeiten unterschieden, auf denen mittels DLIP-Verfahren hierarchische Strukturen (Mikro- und Nanostruktur) aufgebracht werden. Deren Biokompatibilität wird im Hinblick auf die Stimulation von Knochenzellwachstum durch begleitende zellbiologische Studien evaluiert. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse werden mit optimalen Parametersätzen Demonstratoren, d.h. komplexe Implantatgeometrien (Osteosynthesematerial) realisiert und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet.