■ [ SPECIAL 3D-DRUCK ] AUSSEN GEDRUCKTE STRUKTUR, INNEN NUR SCHAUM Keramik | Individuell angepasste Implantate, die vollständig in den Körper integriert und langfristig durch eigene Knochensubstanz ersetzt werden – dieser Gedanke kann bald Wirklichkeit werden. Möglich wird dies durch eine am Fraunhofer IKTS entwickelte keramische Material- und Verfahrenskombination. Bild: Fraunhofer IKTS Ein menschlicher Knochen besteht aus einer dichten und festen äußeren Hülle und einer inneren porösen Füllung. Um solche Strukturen künftig als Implantat nachbilden zu können, wurden am Fraunhofer IKTS in Dresden spezielle keramische Materialien entwickelt und zwei Technologien verknüpft: Die patientenspezifische, feste äußere Hülle des Knochens kommt dabei aus dem 3D-Drucker. Die schwammartige innere Knochenstruktur wird durch einen keramischen Schaum nachgebildet. In einem ersten Schritt entwickelten die IKTS-Forscher um Dr. Matthias Ahlhelm aus Hydroxylapatit, Zirkonoxid oder auch Mischungen aus beiden über die so genannte Gefrierschäumung poröse Strukturen, die dem Vorbild im Inneren der Knochen ähneln. Bei diesem Verfahren wird der Umgebungsdruck, der auf eine wässrige, keramische Suspension in einem Gefriertrockner wirkt, langsam abgesenkt. Das führt dazu, dass die Suspension erst aufschäumt und dann schlagartig gefriert. Das enthaltene, gefrorene Wasser sublimiert, es verdunstet also, ohne vorher flüssig zu werden. Durch anschließende Wärmebehandlung entsteht unter diesen Bedingungen ein fester keramischer Schaum. Die am Fraunhofer IKTS entwickelten keramischen Implantate könnten künftig eine viel versprechende Lösung für die wiederherstellende Chirurgie sein, zum Beispiel bei Knochenkrebs - patienten oder im Bereich Mund, Kiefer und Gesicht Dass solche keramischen Schäume biokompatibel und biovertäglich sind, haben die Beteiligten mit Forschern des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT In-vitro getestet. Dabei brachten sie Fibroblastzellen von Mäusen auf die keramische Oberfläche auf, die auf dem Keramikschaum überleben und Stoffwechsel betreiben. Stammzellen zeigen auf dem Material Stoffwechselaktivität Um die Biokompatibilität auch bei menschlichen Zellen zu zeigen, wurden humane mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark verwendet. Mit Hilfe eines Markers konnte das Stoffwechselprodukt Kollagen auf der Keramikoberfläche sichtbar gemacht werden, was auf Stoffwechseltätigkeit der Stammzellen schließen lässt. Die Stammzellen besiedelten also den Keramikschaum und können sich dort in Knochen- oder Muskelzellen differenzieren. Im nächsten Schritt suchten die Forscher ein Verfahren, um die porösen knochenähnlichen Strukturen mechanisch stabiler zu machen und die patientenspezifische Knochenform zu realisieren. Dabei half ihnen die langjährige Erfahrung im Bereich der additiven Fertigung. Mit der Lithographie-basierten keramischen Fertigung (LCM) gelang es, einzelne Röhren, Halbschalen oder komplexe knochenähnliche Hüllen zu drucken – aus den gleichen Materialien wie die poröse Schaumkeramik. Entsprechend der 3D-Daten des Patienten wurde ein blaues Lichtprofil auf eine mit photosensitiven Monomeren gemischte keramische Suspension projiziert und diese genau an den belichteten Stellen ausgehärtet. Schicht für Schicht entstand so eine komplexe dreidimensionale Struktur. Im letzten Schritt wurden die beiden Verfahren miteinander kombiniert: In die gedruckten knochenähnlichen Hüllen wurde die keramische Suspension gefüllt und im Gefriertrockner aufgeschäumt. Schwindungsverhalten muss aufeinander abgestimmt sein Die gemeinsame Wärmebehandlung der beiden strukturell unterschiedlichen Komponenten ist derzeit noch eine Herausforderung. Hier gilt es, das unterschiedliche Schwindungsverhalten der Materialien so aufeinander abzustimmen, dass es weder zu Rissen noch zu Verformungen in der Komponente kommt. „Im Ergebnis entsteht eine komplexe Struktur, die aufgrund der Verbindung von dichter äußerer Hülle und porösem Inneren den Weg zu personalisierbaren knochenähnlichen Implantaten ebnet, die bioaktiv und robust sind“, erklärt Dr. Matthias Ahlhelm vom Fraunhofer IKTS. „In naher Zukunft stehen erste In-vivo-Versuche an, in denen eventuelle Entzündungsreaktionen auf die keramischen Knochen sowie das Einwachsverhalten untersucht werden“, führt Ahlhelm fort. Hier arbeitet das Fraunhofer IKTS eng mit dem Fraunhofer IZI in Leipzig zusammen. (op) ■ www.ikts.fraunhofer.de 66 medizin&technik 03/2017
Multilaser-Anlage Bis 80 % mehr Produktivität für die Dentalindustrie Der metallpulverbasierte 3D-Drucker Truprint 1000 mit Multilaser-Option ist für die Fertigungsanforderungen der Dentalindustrie optimiert. Er ist mit zwei 200 W starken Laserstrahlquellen ausgestattet, die im metallischen Pulverbett Schicht für Schicht Bauteile mit beliebigen Konturen gleichzeitig aufbauen. So lassen sich Brücken und Kronen aus Kobalt-Chrom oder Titanlegierungen generieren. Die Anlage ist nach Angaben des Anbieters, der Ditzinger Trumpf GmbH + Co. KG, sehr flexibel bei individuellen Kundenaufträgen. Bei gleichbleibender Auslastung generiert die Maschine bis zu 80 % mehr Bauteile, heißt es aus Ditzingen. Bauteile mit bis zu 100 mm Durchmesser und 100 mm Höhe können in der Anlage hergestellt werden Bild: Trumpf Faserverbundwerkstoffe Strukturen wie Fachwerk drucken Ultraleichte Fachwerk-Strukturen lassen sich mit einem 3D-Druck-Roboter herstellen. Entwickelt hat diesen ein Team aus Studierenden der Hochschule Ravensburg- Wein garten und der ETH Zürich. Dafür wird ein Druckkopf eingesetzt, der so genannte faserverbund - verstärkte Kunststoffe ausdrucken kann. „Unser Verfahren ermöglicht es, Kunststoffstrukturen auszudrucken, die eine um den Faktor 20 höhere Steifigkeit aufweisen als konventionelle Kunststoffstrukturen bei gleichem Gewicht,“ sagt Martin Eichenhofer, der die dreiköpfige Projektgruppe leitet. Im Inneren des Druckkopfes werden dabei innerhalb weniger Sekunden Thermoplast- mit Carbonfasern verschmolzen. Nach dem Erstarren entsteht ein hochsteifer Fachwerkstab. Der Druckkopf selbst ist an einen Industrieroboter des An - bieters Kuka angebracht und kann sich flexibel in alle Richtungen drehen. Damit können die Stäbe auch diagonal in den Raum auf eine Platte gedruckt werden. Das Verfahren sei günstig, da weniger Material verbraucht wird als bei konventionellem 3D-Druck. Zwei, die intelligentes Toolmanagement mögen. StoreManager | Toolmanager für Werkzeuge STECHEN | DREHEN | BOHREN | FRÄSEN Ganz einfach arbeiten mit dem StoreManager: Unser automatisiertes Werkzeugverwaltungssystem für 100% Lagerkontrolle und effizientes Controlling. • Nur 1,5 m 2 Platzbedarf • Bis zu 2.160 Fächer • Einfache Bedienbarkeit mit gesicherter Einzelentnahme • NEU: Schubladenelement für größere Artikel Mehr Präzision finden Sie auf arno.de/storemanager Mitarbeiter von ARNO haben immer alles im Blick. Besuchen Sie uns in Halle 5, Stand A32 30.05. bis 02.06.2017, Stuttgart Karl-Heinz Arnold GmbH, Karlsbader Str. 4, 73760 Ostfildern Tel.: 0711/34 802-0, Fax: 0711/34 802-130, anfrage@arno.de www.arno.de 03/2017 medizin&tec hn i k 67
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