Lebenslauf - Life Science Nord

Anpassung der Elastizität von Implantatoberflächen an
Knochengewebe (P)
Olaf Rehme, Claus Emmelmann, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH),
Institute of Laser and System Technologies (iLAS), Denickestr. 17, 21073 Hamburg
Tel. (040) / 428 78 – 4323, o.rehme@tuhh.de, www.tuhh.de/iLAS
Ziel
Implantate, wie z.B. Hüftendoprothesen, werden heute typischerweise aus Titanlegierungen hergestellt,
da dieser Werkstoff im Vergleich eine bessere Dauerfestigkeit aufweist und der Elastizität von
Knochengewebe näher kommt, als andere biokompatible metallische Werkstoffe. Dennoch liegt der
Elastizitätsmodul von Titanlegierungen um das ca. 4 bis 8-fache höher als der von Knochengewebe.
Dieses kann zu sog. „stress shielding“ führen, einem Effekt, der bewirkt, dass eine Krafteinleitung
in einen Knochen bevorzugt über das metallische Implantat erfolgt. Die Folge können atrophische
Erscheinungen sein, d.h. es tritt z.B. ein Gewebsschwund auf. Um diesem Effekt entgegen zu
wirken, besteht die Möglichkeit durch konstruktive Anpassung der oberflächennahen Schicht eines
Implantats in Form eines feinen offenzellulären Netzwerks den Elastizitätsmodul zu beeinflussen.
Dadurch wird die Elastizität des Implantats der des Knochens weiter angenähert und das „stress
shielding“ verringert. Die Herstellung solcher offenzellulären Strukturen erfolgt mit dem sog. Lasergenerieren,
einem schichtweisen, generativen Fertigungsverfahren, dessen Stärke insbesondere
die Herstellung komplexer Geometrien ist.
Methoden
Das Prinzip des Lasergenerierens basiert darauf, dass ein pulverförmiger Grundwerkstoff auf eine
Bauplattform in sehr dünnen Schichten aufgetragen und mit einem Laserstrahl durch thermische
Einwirkung zum Verschmelzen gebracht wird. Die Pulverkörner haben dabei eine statistisch verteilte
Korngröße von 10 bis 50 µm. Die Dicke einer Schicht beträgt daher minimal etwa 20 bis 50 µm.
Der Laserstrahl generiert in jeder Schicht die Konturen des Werkstücks durch Verschmelzen der
Pulverkörner, bevor die Bauplatte nach unten verfahren und eine neue Schicht Pulver aufgetragen
wird. Hierzu wird durch eine Einrichtung zur Pulververteilung z.B. mit einem Wischer oder einer
Walze die neue Pulverschicht an die vorangehende Schicht gedrückt. Der Laserstrahl wird durch
eine sogenannte Scanner-Spiegeloptik (drehbar gelagerte Spiegel) an die jeweilige Wirkstelle umgelenkt,
an der Pulverkörner geschmolzen werden sollen. Mit diesem Verfahren wurden aus Edelstahl-Pulver
(316L) lasergenerierte Raumgitterkörper exemplarisch als offenzelluläre Strukturen
hergestellt, die anschließend auf ihr elastisches Verformungsverhalten in Abhängigkeit ihrer Dichte
und ihrer Struktur hin geprüft wurden.
Ergebnisse
Die Untersuchungen ergaben, dass zunächst insbesondere die Dichte einen wesentlichen Einfluss
auf das elastische Verformungsverhalten hat und sich ein Materialgesetz mit der relativen Dichte
einer offenzellulären Struktur in Form einer Potenzfunktion aufstellen lässt. Vorherige Untersuchungen
ergaben bereits, dass massive lasergenerierte Bauteile trotz ihres schichtweisen Aufbaus
einen isotropen Elastizitätsmodul aufweisen. Aufgrund der strukturbedingten Richtungsabhängigkeit
der Steifigkeit von Raumgittern ist jedoch deren elastisches Verhalten anisotrop, was durch
entsprechende Strukturfaktoren im Materialgesetz berücksichtigt werden muss.
Schlussfolgerung
Das Lasergenerieren ist Fertigungsverfahren, dass insbesondere in der Herstellung von Bauteilen
mit komplexen Geometrien bei kleinen Stückzahlen seine Stärken unter Beweis stellen kann. In der
Anwendung zur Herstellung von offenzellulären Strukturen für Implantatoberflächen können diese
Stärken besonders nutzbar gemacht werden. Daher sind im nächsten Schritt Erkenntnisse über die
Dauerfestigkeit dieser Strukturen zu erarbeiten.
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