|
|
Titanschäume ersetzen verletzte Knochen
Archiv | 04.09.2010 | Flexibel und fest wie der menschliche Knochen und sofort belastbar: Ein neuartiges Implantat aus Titanschaum ähnelt im Aufbau der Struktur im Knocheninneren. Dies macht ihn nicht nur weniger steif als herkömmliche massive Implantate. Es fördert auch das Einwachsen in den angrenzenden Knochen.
Der Mensch wächst mit seinen Aufgaben. Dasselbe gilt für seine
Knochen: Werden sie stärker belastet, entwickelt sich dichteres Gewebe.
Weniger stark beanspruchte Teile des Skeletts weisen eine geringere
Knochendichte auf. Der Reiz der Belastung stimuliert das Wachstum der
Matrix. Diesen Effekt wollen Mediziner künftig verstärkt nutzen, um
Implantate dauerhafter und stabiler mit den Knochen des Patienten zu
verbinden. Dafür muss der Knochenersatz jedoch so gestaltet sein, dass
er ein Einwachsen begünstigt – mit Poren und Kanälen, durch die
Blutgefäße und Knochenzellen ungehindert hindurch wachsen können.
Material der Wahl bei Implantaten ist Titan der Legierung Ti6Al4V. Es
ist langlebig, stabil und belastbar und wird vom Körper gut vertragen.
Eher problematisch ist dagegen seine Verarbeitung: So reagiert Titan
unter hohen Temperaturen mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Es
wird dadurch spröde und brüchig. Entsprechend begrenzt ist die Palette
der Produktionsverfahren.
Komplexe Innenstrukturen lassen sich mit
den etablierten Verfahren noch nicht herstellen. Deshalb werden bei
Defekten lasttragender Knochen hauptsächlich massive Titan-Implantate
eingesetzt. Viele verfügen zwar über strukturierte Oberfl ächen, um
Knochenzellen Halt zu bieten. Doch die entstandene Verbindung bleibt
fragil. Hinzu kommt, dass massive Implantate andere mechanische
Eigenschaften aufweisen als das menschliche Skelett: Sie sind wesentlich
steifer. »Der angrenzende Knochen wird kaum noch belastet und bildet
sich im schlimmsten Fall sogar zurück. Das Implantat lockert sich und
muss ausgetauscht werden«, erklärt Dr. Peter Quadbeck vom
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte
Materialforschung IFAM in Dresden. Quadbeck koordiniert das Projekt
»TiFoam«, in dem ein Titan-Werkstoff für eine neue Generation Implantate
entstand. In seiner schaumartigen Struktur ähnelt der Werkstoff der
Spongiosa im Knocheninneren. Der Titanschaum entsteht durch ein
pulvermetallurgisches Abformverfahren, welches sich bereits zur
industriellen Herstellung keramischer Filter für den Aluminium-Guss
bewährt hat: Offenzellige Schäume aus Polyurethan (PU) werden mit einer
Lösung aus Bindemittel und feinem Titanpulver imprägniert. Das Pulver
lagert sich an den Zellstrukturen der Schäume an. PU und Binder werden
verdampft. Zurück bleibt ein Abbild der Schaumstrukturen, das
schließlich gesintert wird. »Die mechanischen Eigenschaften der so
hergestellten Titanschäume kommen denen des menschlichen Knochens sehr
nahe«, berichtet Quadbeck. »Das betrifft vor allem die Balance zwischen
hoher Festigkeit und geringer Steifi gkeit.« Ersteres ist eine wichtige
Voraus- setzung für die Verwendung in Knochen, die Gewicht und Bewegung
standhalten müssen. Eine knochenähnliche Steifi gkeit leitet
Belastungsreize weiter und fördert mit der Neubildung von Knochenzellen
das Einheilen des Implantats. Dieses kann und soll deshalb sofort nach
dem Einsetzen belastet werden.
Im Projekt »TiFoam« haben sich die
Partner darauf konzentriert, die Tauglichkeit des Titanschaums beim
Ersatz defekter Wirbelkörper nachzuweisen. Er eignet sich ebenso zur
»Reparatur« anderer stark belasteter Knochen. Neben den
Werkstoffwissenschaftlern der Fraunhofer-Institute 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 hat
bereits angekündigt, künftig aus dem »TiFoam«-Werkstoff
Knochenimplantate zu entwickeln und herzustellen.
|
|