Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) stellen mithilfe eines 3-D-gedruckten Salzgerüstes Magnesium mit strukturierter Porosität her, das sich für bioabbaubare Knochenimplantate eignet.
Bei komplizierten Knochenbrüchen oder fehlenden Knochenteilen setzen Chirurgen in der Regel Metallimplantate ein. Als Materialien der Wahl bieten sich nebst Titan, das mit dem Gewebe weder chemisch noch biologisch in Wechselwirkung tritt, auch Magnesium und seine Legierungen an. Magnesiumimplantate haben den Vorteil, dass der Körper sie abbauen und das Magnesium als Mineralstoff aufnehmen kann. So ist keine weitere OP notwendig, um das Implantat zu entfernen. Für eine schnelle Heilung sollte es oder dessen Oberflächen so beschaffen sein, dass sich knochenbildende Zellen gut darauf ansiedeln oder gar in das Implantat einwachsen können.
Materialforscherinnen und -forscher der ETH Zürich haben deshalb ein neues Verfahren entwickelt, um Magnesiumimplantate herzustellen, die über zahlreiche regelmäßig angeordnete Poren verfügen und trotzdem stabil sind. Ihre Entwicklung wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials publiziert.
Erst drucken, dann sintern
Um eine poröse Grundstruktur zu erhalten, druckten die Forschenden zuerst mit einem 3-D-Drucker ein dreidimensionales Gittergerüst aus Salz. Weil reines, herkömmliches Kochsalz nicht die notwendigen Eigenschaften zum Drucken hat, entwickelten die Forschenden zu diesem Zweck eine gelartige Salzpaste. Der Durchmesser der Gitterstreben und deren Abstände lassen sich beim Drucken nach Bedarf einstellen. Um die Salzstruktur zu festigen, wurde sie anschließend gesintert. Beim Sintern werden feinkörnige Stoffe stark erhitzt. Die Temperaturen liegen jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des Stoffes, damit die Struktur des Werkstücks erhalten bleibt.
3D-gedrucktes Salzgerüst (Maßstab: 1 mm), in das in einem weiteren Schritt Magnesiumschmelze infiltriert wird.
Nach dem Auswaschen des Salzes bleibt Magnesium mit regelmäßig angeordneten Poren zurück.
In einem nächsten Schritt infiltrierten die Materialforschenden den Porenraum zwischen den Salzstreben mit Magnesiumschmelze. „Dieser Rohling ist mechanisch sehr stabil und lässt sich durch Polieren, Drehen und Fräsen gut bearbeiten“, erklärt Jörg Löffler, Professor für Metallphysik und Technologie am Departement Materialwissenschaft. Nach der mechanischen Bearbeitung lösten die Forschenden das Kochsalz heraus und erhielten so das reine Magnesiumimplantat mit zahlreichen, regelmäßig angeordneten Poren.
Verlockende Poren für Osteoblasten
„Die Möglichkeit, die Porengröße und deren Verteilung und Richtung im Material zu kontrollieren, ist entscheidend für den klinischen Erfolg des Implantats, da knochenbildende Zellen gerne in solche Poren hineinwachsen“, betont der ETH-Professor. Und genau darauf komme es an, damit ein Implantat rasch mit dem Knochen verwachse.
Originalbeitrag:
Kleger N, Cihova M, Masania K, Studart AR, Löffler JF. 3D Printing of Salt as a Template for Magnesium with Structured Porosity. Adv. Mater. 2019, 1903783, doi: 10.1002/adma.201903783
Das neu entwickelte Verfahren zur Herstellung derartiger Hilfsstrukturen aus Salz lässt nebst der Infiltration mit Magnesium viel Spielraum für weitere Materialien. Die Ko-Autoren Martina Cihova und Kunal Masania gehen davon aus, dass auf diese Art und Weise ebenso Polymere, Keramiken oder weitere Leichtmetalle mit einer kontrollierten Porengeometrie versehen werden können.
