Neue Werkstoffentwicklungen für den Menschen

Häufig werden die Oberflächen daher mit Wirkstoff abgebenden Beschichtungen versehen oder durch Ätzen angeraut. Verschiedene Alternativen zu diesen Ansätzen werden am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM durch die Einstellung anwendungsspezifischer Materialkombinationen oder gezielte Oberflächenstrukturierung verfolgt.

Die Strukturierung der Oberfläche und Porosität beeinflusst massiv die Wechselwirkung von Implantat und Zellen und somit das Einwachsen von Knochen oder Gewebe in das Implantat. Daher werden am IFAM beispielsweise Metall- und Keramikimplantate gezielt mit regelmäßigen Oberflächenstrukturen bis hinunter zu 5 μm oder offener Porosität bis zu 90 % versehen.

Neben der Optimierung der Oberfläche entwickelt das Fraunhofer IFAM Komposite und deren Verarbeitungsprozesse, mit denen Knochenimplantate gefertigt werden können, die ihrem Einsatzort angepasst sind. Bei Implantaten unterscheidet man zwischen Permanentimplantaten, die im Körper verbleiben (z.B. Prothesen, Knochenersatzimplantate) und temporären Implantaten (z.B. Schrauben, Platten). Aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften werden für die Herstellung häufig Metalle wie Edelstähle, Titan- oder Kobalt-Chrom-Legierungen genutzt.

Ein Nachteil ist, dass diese Implantate bei Komplikationen bzw. nach erfolgter Heilung teilweise aufwendig wieder entfernt werden müssen. Implantate, die sich im Körper im Lauf der Zeit abbauen (degradieren), können eine Implantatentfernung überflüssig machen. Daher untersucht das Fraunhofer IFAM die Anwendbarkeit von degradierbaren Werkstoffen in der Implantattechnik.

Degradierbare Werkstoffe werden auch heute schon eingesetzt, zumeist Polymere, aber auch einige Keramiken und Metalle kommen in Betracht. Auf Seiten der Herstellungsverfahren ist das Pulverspritzgießen (PIM) auf Basis von keramischen und metallischen Pulvern besonders geeignet, die Werkstoffeigenschaften gezielt einzustellen und komplexe Bauteile ohne Nachbearbeitung zu erzeugen.
Komposite aus mindestens zwei verschiedenen Komponenten bieten die besondere Möglichkeit, Eigenschaften in weiten Grenzen zu variieren und dem Anwendungsfall anzupassen. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften sind Polymermatrix-Komposite tendenziell für den Einsatz als nicht-lasttragende Implantate geeignet, wohingegen lasttragende Metall-Keramik-Komposite derzeit Gegenstand der Forschung und Entwicklung sind.

Kontakt:
Janne Haack,
Fraunhofer IFAM
janne.haack@ifam.fraunhofer.de