Ganz wie der eigene Knochen: Materialforscher entwickeln Herstellungsverfahren für poröse Implantate

22.05.2012: Knochenersatz wie eine künstliche Hüfte muss vielen Ansprüchen genügen: Implantate müssen verträglich und haltbar sein, ähnliche Eigenschaften haben wie der Knochen und sich gut mit diesem verbinden. Titan ist wegen seiner guten Bioverträglichkeit seit langem als Implantatmaterial im Einsatz. Ingenieure arbeiten daran, die Eigenschaften der Titanmaterialien immer weiter zu verbessern und die Herstellungsverfahren speziell für poröse Implantatwerkstoffe zu optimieren. Sie schauten bei der Kunststoffindustrie ab und nutzen erfolgreich das "Metal Injection Moulding". Darüber berichtet RUBIN, das Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität, in seiner aktuellen Ausgabe.

Poröse Materialien sind dem Knochen ähnlicher

Massives Titan ist wesentlich steifer als menschlicher Knochen. Die unterschiedliche Elastizität von Implantat und umgebendem Knochen kann auf Dauer dazu führen, dass sich Implantate lockern. Vor einigen Jahren entwickelten die Jülicher Forscher der Arbeitsgruppe Pulvermetallurgie um Dr. Martin Bram (Institut für Energie- und Klimaforschung IEK-1: Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren am Forschungszentrum Jülich, RUB-Prof. Dr. Detlev Stöver) daher poröse Implantatmaterialien aus Titan, die dem natürlichen Knochen ähnlicher sind. Auch er ist im Innern porös, und dank der Poren verbindet sich der gesunde Knochen fester mit dem Implantat. Die Herstellung solcher Implantate war bislang allerdings aufwendig und für große Stückzahlen nur bedingt geeignet. Deswegen schauten die Ingenieure bei der Kunststoffindustrie ab.

Automatisierte Herstellung

Sie nutzen ein Verfahren namens Metal Injection Moulding. Dabei wird eine Mischung aus Metallpulver, Platzhalterpartikeln (z.B. Salz) und Binder (z.B. Paraffin und Polyethylen) durch eine Schnecke in eine Form transportiert und darin verdichtet. Die Platzhalterpartikel sorgen für die gewünschten Poren. Nach der Verdichtung werden Binder und Platzhalter in mehreren Schritten entfernt. Paraffin verschwindet im Lösemittelbad, der Platzhalter im Wasserbad, Polyethylen beim Erhitzen durch thermische Zersetzung. Die mechanische Festigkeit des Implantats wird durch einen Sinterprozess erreicht. Auf diese Weise ist es gelungen, die Formgebung des porösen Implantats zu automatisieren. Diese Ergebnisse ermutigten die Forscher zu einem weiteren Schritt bei der Nutzung des MIM-Verfahrens. Sie stellten auch Implantate her, bei denen ein Teil porös, der andere aber dicht ist, und auch das gelang. Tests mit adulten Stammzellen im Berufsgenossenschaftlichen Universitätsklinikum Bergmannsheil ergaben, dass Knochenzellen in die Poren des Werkstoffs einwachsen und darin überlegeben - unabhängig vom Herstellungsverfahren.