LightStem

Motivation

Metallische Implantate wie z. B. Endoprothesen im Bereich von Knochen und insbesondere als Gelenkersatz sind Bestandteil der modernen medizinischen Versorgung. Im Kontaktbereich zwischen der metallischen Implantatoberfläche und dem körpereigenen Gewebe der Patienten bildet sich eine biomechanische Grenzfläche mit annähernd sprunghafter Änderung der mechanischen Eigenschaften. 

Dies führt nicht selten zu Gewebeirritation mit Knochenabbau und in der Folge zu einer Lockerung des Implantates. Schlecht eingewachsene Implantatoberflächen ermöglichen zudem eine Ansiedelung und Kolonisierung durch Bakterien, was zur Inflammation bis hin zu Abstoßung, sowie einer Sepsis führen kann. Im Falle einer Wechselwirkung mit Blut kann die Implantatoberfläche weitere Komplikationen wie Thrombosen oder anormale Gewebeproliferation verursachen, welche im direkten Gegensatz zum Ziel der Implantatanwendung stehen. Diese negativen Einflussfaktoren durch mit Körpermedien in Kontakt stehenden technischen Materialoberflächen wirkt sich im besten Falle negativ auf die Heilung, im schlimmsten Falle kritisch auf den Patientenzustand aus. 

Eine Möglichkeit diesem Umstand entgegenzuwirken, bietet die gezielte Modifikation der Materialoberflächen, was im Fall von Endoprothesen bereits durch beispielsweise Sandstrahlen oder Ätzverfahren erfolgt. Entgegen der hierbei entstehenden stochastischen Topographie ermöglicht die Erzeugung deterministischer periodischer Strukturen durch das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) das Zusammenspiel zwischen Körpergewebe und technischer Materialoberfläche auf die gewünschte Interaktion hin zu optimieren.

Ziele und Vorgehen

Mit Hilfe von DLIP werden durch maßgeschneiderte periodische Oberflächentopographien im Mikro- und Nanometerskalenbereich die Haft- und Interaktionsmöglichkeiten z. B. für Bakterien und Thrombozyten reduziert bzw. inhärente antimikrobielle Effekte zusätzlich verstärkt. Andererseits können mit ähnlichen Mikrotopographien für Endothel- und Fibroblastzellen günstige Bedingungen zur Implantatbesiedelung und -körperintegration erzeugt werden, welche die Einheilung fördern und weitere entzündliche Prozesse unterdrücken. 

Die Herausforderung: Die meist komplexe Geometrie der Implantate mit Hilfe der DLIP-Technologie zu funktionalisieren. Denn bisher wird die Direkte Laserinterferenzstrukturierung bei ebenen Bauteiloberflächen eingesetzt. Mit der Entwicklung einer Anlage mit 5-Achs-Werkstückführung hat das Fraunhofer IWS sich dieser Technologielücke angenommen und wird im Projekt LightStem erstmalig Hüftgelenke aus Titan mit DLIP funktionalisieren. Unterstützt wird das Fraunhofer IWS durch seinen Partner SurFunction GmbH, die im Laufe des Projekts eine neuartige DLIP Optik mit großem Inferenzvolumen und Tophat Profil entwickeln wird. Die 5-Achs-Werkstückführung mit implementiertem SurFunction Optikmodul wird homogene DLIP-Strukturen auf Freiformflächen ermöglichen.

Innovation und Perspektiven

Durch die Zusammenführung des technologischen Knowhows beider Partner kann auf diese Weise erstmalig eine Prozesstechnologie entwickelt werden, die eine Realisierung erweiterter Oberflächenfunktionalisierungen zur Erhöhung der Biokompatibilität und Verbesserung des Einwachsverhaltens von Patientengewebe ermöglicht und die Überführung der Technologie in die industrielle Praxis vorangetrieben werden.

Projektergebnisse

Im Projekt LightStem wurde erfolgreich eine 3D-Strukturierungsanlage zur Direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) komplexer Implantatgeometrien am Fraunhofer IWS aufgebaut und in Betrieb genommen. Ergänzend entwickelte die SurFunction GmbH eine speziell für die 5-Achs-Bearbeitung ausgelegte ELIPSYS-Optik mit elongiertem Laserfokus und einstellbarer Elliptizität, ausgelegt auf eine Strukturperiode von 5 µm. In gemeinsamen Versuchen konnten geeignete Prozessparameter zur Erzeugung homogener Oberflächenstrukturen mit unterschiedlichen Tiefen und Aspektverhältnissen von bis zu 1:1 ermittelt werden.

Durch die Entwicklung einer eigenen skriptbasierten Bahnsteuerung gelang schließlich die erfolgreiche vollflächige DLIP-Strukturierung einer Hüftgelenkspfanne aus Titan. Damit wurde die Funktionalisierung komplexer dreidimensionaler Implantatgeometrien mittels DLIP erstmals erfolgreich demonstriert.

Die Ergebnisse schaffen eine wichtige technologische Grundlage für die gezielte Funktionalisierung von Implantatoberflächen. Perspektivisch eröffnet die Technologie neue Möglichkeiten, die Biokompatibilität und das Einwachsverhalten von Implantaten zu verbessern und unerwünschte biologische Wechselwirkungen zu reduzieren.