Entwicklung von zellularen Implantatwerkstoffen aus Titan

Durchwachsene Strukturen

von Dr. -Ing. Peter Quadbeck

Zellulare Implantatwerkstoffe aus Titan sind hoch belastbar und dabei so elastisch wie ein spongiöser Knochen. Als knochenähnliches und durchwachsbares Implantat ermöglichen sie das Ersetzen großer Defekte ohne die Entnahme
körpereigenen Knochens. Das Ziel der Entwicklung ist die schnellere Mobilisierung des Patienten und die Beschleunigung des Heilungsprozesses.

Große Knochendefekte stellen nach wie vor ein medizinisches Problem dar. Nicht nur bei Sportverletzungen, sondern auch in der Traumatologie oder bei der operativen Behandlung von Knochentumoren oder Absiedlungen anderer bösartiger Tumoren im Knochen entstehen Defekte, die vom Körper nicht spontan kompensiert werden können. Diese Läsionen müssen solange stabil ersetzt werden, bis neu gebildeter körpereigener Knochen in der Lage ist, die mechanische Funktion wieder selbstständig zu übernehmen. In der Regel werden solche Defekte heutzutage durch körpereigene Knochen ersetzt und beinhalten damit zusätzliche risikobehaftete Eingriffe. Alternativ wird massives Knochenersatzmaterial eingesetzt, das allerdings aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften unvorteilhaft ist. Solche Implantate sind weitaus steifer als der umgebende Knochen und übernehmen an dieser Stelle die gesamte Last, die auf den betreffenden Körperteil wirkt. Knochen wird vor allem dort gebildet, wo er biomechanisch stimuliert wird. Ohne Belastung kommt es dagegen zur Verringerung der Knochendichte, ein Effekt, der beim Einsatz von massiven Implantaten zur Knochendegeneration führt.

Zellulare Metalle

Zellulare metallische Werkstoffe besitzen aufgrund ihrer porösen Struktur eine stark verringerte Steifigkeit. Dieser Wert liegt typischerweise im Bereich der Steifigkeit eines spongiösen Knochens. Als Spongiosa wird die am Ende des Knochens im gelenknahen Bereich vorliegende hochporöse Struktur des Knochens bezeichnet, die gerade bei osteoporotischen Patienten häufig Defektfrakturen erleidet. Offenzellige Metalle erlauben das Einwachsen von Knochenzellen und von Blutgefäßen, die für das Knochenwachstum unbedingt notwendig sind. Neben diesem Effekt der mechanischen Verklammerung des Implantats ist die Stimulation des Knochenwachstums noch wichtiger. Für den Patienten bedeutet das eine schnellere Mobilisierung und einen schnelleren Heilungsprozess. Dabei können die mechanischen Eigenschaften des Knochenersatzmaterials durch eine gezielte Einstellung der Dichte und der Struktur an die des individuellen Knochens angepasst werden. Insbesondere kann so eine auf den Patienten zugeschnittene Anpassung an den Zustand des umgebenden Knochenmaterials vorgenommen werden. Dadurch kann das Material beispielsweise sowohl an einen jugendlichen Knochen als auch an einen osteoporotischen alten Knochen angepasst werden.

TiFoam-Projekt

Für dauerhaft im Körper verbleibende Implantate ist Titan der gängige Werkstoff. Einer der Hauptgründe dafür ist die gute Biokompatibilität dieses Materials. Das ist wichtig für eine binde gewebs- und entzündungsfreie Knochenbindung. Für den Einsatz als Endoprothese sprechen darüber hinaus insbesondere die gute Osteokonduktivität und die außerordentlich hohe Festigkeit von Titan, das aus diesen Gründen die höchste Marktakzeptanz unter den metallischen Ersatzmaterialien besitzt. Es liegt daher nahe, die Entwicklung eines neuartigen Knochenersatzmaterials auf der Basis von Titan durchzuführen. Im Projekt „TiFoam“, koordiniert durch das Dresdner FraunhoferInstitut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM), haben sich die Partner darauf konzentriert, die Tauglichkeit des Titanschaums beim Ersatz defekter Wirbelkörper nachzuweisen. Er eignet sich jedoch ebenso zur »Reparatur« anderer stark belasteter Knochen. Seit 2006 forscht und entwickelt ein interdisziplinäres Team an Fertigungstechnologien und deren medizinischer Umsetzung. Es ist nun gelungen, durch Prozessoptimierung offenzellige Titanschäume mit den gewünschten duktilen Eigenschaften zu fertigen. Die ersten Tests mit Dauerimplantaten zeigen dabei ein hervorragendes Einwachsverhalten von Knochenzellen in das Material, das auch für die Füllung größerer Defekte geeignet erscheint.

Perspektive

Neben den Werkstoffwissenschaftlern der FraunhoferInstitute IFAM und IKTS, dem Institut für Keramische Technologien und Systeme in Dresden waren Mediziner der Uniklinik der TU Dresden sowie mehrere Unternehmen an der Entwicklung des Titanschaums beteiligt. Projektpartner InnoTERE GmbH hat bereits angekündigt, aus dem „TiFoam“Werkstoff Knochenimplantate entwickeln und herstellen zu wollen, um sie baldmöglichst dem Markt zugänglich zu machen.

Peter.Quadbeck@ifam-dd.fraunhofer.de