Neue Studie belegt: Medizinische Implantate aus Titan sind äußerst wirksam
3D-Druckverfahren für Titan
Im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren zeigen sich die Vorteile der 3D-Drucktechnologie bei der Herstellung personalisierter chirurgischer Implantatformen vor allem in folgenden Punkten: Durch die freie Formgebung des 3D-Drucks kann das innere Implantat schnell und präzise angepasst werden, wodurch das Problem der Inkompatibilität der herkömmlichen universellen Implantatform mit dem menschlichen Körper und der nicht den Standards entsprechenden mechanischen Eigenschaften überwunden werden kann. Bei der Herstellung komplexer Strukturen und schwer zu verarbeitender Produkte können personalisierte Mikrostrukturen, insbesondere poröse durchgehende Strukturen, nicht nur bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften erfüllen, sondern auch die Biohistokompatibilität verbessern.
Diese Reihe von Vorteilen kann die üblichen Probleme der Spannungsabschirmung und der geringen biologischen Aktivität von Implantaten wirksam überwinden. Die derzeit am häufigsten und am weitesten verbreiteten 3D-Druck-Titanlegierungen sind die SLM-Technologie und die EBM-Technologie.
Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) wird der Laser als Wärmequelle verwendet, um vorgefertigte Pulvermaterialien selektiv zu bestrahlen und so eine schnelle Schmelzformung zu erreichen. Das Hauptarbeitsprinzip besteht darin, dass das Instrument und die Ausrüstung unter SchutzgasbedingungenPmEnt steuert den Laserstrahl entsprechend dem Füllscanpfad, der durch den Systemdesignmodus generiert wird, um jede Pulverschicht auszuwählen und zu schmelzen.
Anschließend wird die Plattform nach unten gefahren, erneut Pulver aufgetragen und Sintern wird wiederholt, bis die gesamte Form geformt ist. Der Schutz durch Inertgas verhindert, dass das Metall bei hohen Temperaturen mit anderen Gasen reagiert. Die SLM-Technologie bietet eine große Bandbreite an Formmaterialien, ist materialsparend und recycelbar und erfordert keine Konstruktion und Vorbereitung komplexer Trägersysteme. Diese Reihe von Vorteilen führt dazu, dass die SLM-Technologie immer häufiger eingesetzt wird.
Allerdings hat SLM auch einige Nachteile: Aufgrund der begrenzten Laserleistung und des Ablenkwinkels des Scan-Galvanometers ist die Größenpalette der durch SLM hergestellten Teile begrenzt. Hochleistungslaser und hochwertige optische Geräte sind teuer in der Herstellung, was die wirtschaftliche Belastung in gewissem Maße erhöht. Aufgrund der Verwendung von Pulvermaterialien in der SLM-Technologie kann die Oberflächenqualität der Formteile problematisch sein, was eine erneute Bearbeitung des Produkts für nachfolgende Arbeiten erforderlich macht. Auch können im Verarbeitungsprozess Sphäroidisierungs- und Verzugsfehler auftreten, was einen weiteren Schritt zur strikten Optimierung des Verarbeitungsverfahrens erfordert. Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist ein Verfahren, bei dem Elektronenstrahlen als Wärmequelle verwendet werden, um Metallpulver in einer Vakuumumgebung Schicht für Schicht zu schmelzen und so die additive Fertigung zu ermöglichen.
Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Vorbeschichtetes Pulver, Ablenkung eines hochenergetischen Elektronenstrahls nach Fokussierung, um in einem kleinen lokalen Bereich hohe Energie zu erzeugen, die Pulverschicht abzutasten, um eine hohe Temperatur zu erzeugen und gleichmäßig zu schmelzen, durch kontinuierliches Abtasten des Elektronenstrahls, um Energie zwischen dem Schmelzbad und der Verfestigung zu erzeugen, verbunden zu einer linearen und ebenen Metallschicht.
Nach Abschluss der aktuellen Schicht wird der Pulverauftragsvorgang wiederholt. Im Produktionsprozess nutzt EBM eine echte Luftschmelzumgebung, um die hohe Festigkeit des Materials zu gewährleisten und die Oxidation der Legierung zu vermeiden. Im Vergleich zu SLM bietet EBM folgende Hauptvorteile: Die effiziente Erzeugung der Elektronenstrahlleistung verbraucht weniger Strom, die Produktionsgeschwindigkeit ist hoch, sodass die tatsächliche Gesamtleistung der gesamten Maschine hoch ist. Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfordert keine Bewegung des Geräteteils, was die Scangeschwindigkeit weiter verbessert. Die gute thermische Umgebung gewährleistet die Formstabilität der 3D-gedruckten Teile, gewährleistet ihre statischen mechanischen Eigenschaften, erfüllt biologische Anforderungen und das Metallpulver ist recycelbar.
Status und Fortschritt von 3D-gedruckten chirurgischen Implantaten
Chirurgische Implantate und Orthesen mit 3D-Druck haben eine vielversprechende Anwendungsperspektive im Bereich der Osteologie. Jetzt gibt es immer mehr 3D-gedruckte Implantatmaterialien wie Hörgeräte, Prothesen, personalisierte orthopädische Chirurgieführungen, künstliche Gelenke, künstliche Außenohren, personalisierte Zahnimplantate und andere Anwendungen in der klinisch personalisierten Behandlung. Berichten zufolge implantierten Forscher der Peking-Universität im Jahr 2014 einem 12-jährigen Jungen erfolgreich eine personalisierte, 3D-gedruckte künstliche Wirbelsäule mit Mikrolöchern – der erste Fall weltweit. Im selben Jahr statteten Ärzte und Wissenschaftler ein 5-jähriges Mädchen in Schottland mit einer 3D-gedruckten Handflächenprothese aus.
Das Stomatologie-Fachzentrum des 411. Krankenhauses der Volksbefreiungsarmee setzte erfolgreich EBM-Technologie ein, um einem Patienten mit Hemimaxillärresektion ein Unterkieferimplantat aus Titanlegierung individuell anzupassen und zu implantieren. Die Implantation erfolgte anhand einer hochgradig personalisierten anatomischen Simulation. Während der Operation wurden die Resektion des erkrankten Unterkiefers und die individuelle funktionelle Reparatur in einem Durchgang abgeschlossen, und der defekte Unterkiefer wurde individuell repariert und rekonstruiert. Der postoperative Effekt war zufriedenstellend. Lethaus B. und andere Forscher nutzten 3D-Drucktechnologie, um bei 20 Patienten mit Unterkieferresektion Knochen- und Mikrogefäßlappen zu rekonstruieren, wodurch die Operationszeit verkürzt und die Operationsqualität verbessert wurde. Auch der postoperative Effekt war gut. In den letzten Jahren sind zahlreiche ähnliche Nachrichten und Forschungsergebnisse aufgetaucht, was die guten Anwendungsaussichten des 3D-Drucks im medizinischen Bereich voll und ganz widerspiegelt.
Auch im Bereich der orthopädischen Produkte werden 3D-gedruckte chirurgische Implantatmaterialien zunehmend kommerzialisiert und vermarktet. 2007 erhielten die von den italienischen Unternehmen Adler Ortho und LIma-LTO entwickelten biogedruckten Acetabulum-Cups mit Hartgewebegerüst die CE-Zertifizierung. Das Produkt von Exactech wurde 2010 von der FDA zugelassen. 2009 erhielt auch das von der amerikanischen Firma AMT im 3D-Druckverfahren hergestellte Volltitan-Körperfusionsgerät die EU-CE-Zertifizierung. 2013 wurde das erste biogedruckte Schädelimplantat in den USA von der FDA zugelassen, zugleich die weltweit erste personalisierte 3D-gedruckte PEEK-Schädelimplantatfigur.
Auf dieser Grundlage erhielt die US-amerikanische Oxford Company 2014 die FDA-Zulassung für den 3D-Druck von Kiefer- und Gesichtsknochenprodukten (5IOK-Modus). Darüber hinaus wurde berichtet, dass das vom Third Hospital of Beijing Medicine und der Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD. entwickelte 3D-gedruckte menschliche Implantat – ein künstliches Hüftgelenk – im September 2015 von der staatlichen Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde registriert wurde. Das 3D-gedruckte Hüftgelenk hat die Massenproduktionsphase erreicht, was bedeutet, dass auch die 3D-gedruckten Implantate Chinas in die Produktionsphase eingetreten sind.
Die 3D-Drucktechnologie spielt in der Medizinwissenschaft und bei technologischen Innovationen eine immer wichtigere Rolle. Auch die Forschung und Anwendung verschiedener personalisierter Implantatprothesen, Prothesen, Zahnimplantate und anderer Bereiche nimmt immer mehr zu. Daher bedarf die Bewertung der Biosicherheit von Implantaten, die mit diesem neuen Verfahren hergestellt werden, zunehmender Aufmerksamkeit.
Forschung zur Biosicherheit von 3D-Druck-Titan
Die Sicherheit biomedizinischer Materialien spiegelt sich hauptsächlich in der Wechselwirkung zwischen Gewebe und Material wider. Damit biomedizinische Metallmaterialien den Standards für implantierbare Geräte entsprechen, muss die durch die Implantation im menschlichen Körper verursachte Reaktion auf einem akzeptablen Niveau liegen und gleichzeitig dürfen keine qualitativen Veränderungen der Struktur und Eigenschaften des Materials hervorgerufen werden. Die Wechselwirkung zwischen menschlichem Körper und menschlichem Körper spiegelt sich hauptsächlich in seiner Biokompatibilität und biologischen Funktion wider.
Daher sollte das Implantat nach der Implantation in den menschlichen Körper keine Nebenwirkungen wie Allergien, Entzündungen und chemische Reaktionen in menschlichen Zellen, Blut und Organen oder die Abstoßung von Fremdkörpern hervorrufen. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass Implantate, die über einen längeren Zeitraum implantiert werden, gute statisch-mechanische Eigenschaften aufweisen, d. h. ausreichende Festigkeit, einen angemessenen Elastizitätsmodul, hohe Stabilität, gute Korrosionsbeständigkeit und lange Haltbarkeit. Die chirurgische Implantation von Titanlegierungen wird mittlerweile häufig in der klinischen Praxis eingesetzt, und die Forschung zur Biokompatibilität ist ausgereift. Daher konzentriert sich die Sicherheit von Titanlegierungsteilen im 3D-Druck hauptsächlich auf die Sicherheit ihrer biomechanischen Funktion.
Die Forschung, ob 3D-gedruckte Metallimplantate hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität mit herkömmlichen Implantaten vergleichbar sind und ob einige der statischen mechanischen Eigenschaften des Legierungsimplantats den klinischen Anforderungen und nationalen Standards entsprechen, ist noch im Gange. Es wurde festgestellt, dass die teilweisen statischen mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Titanimplantaten den klinischen Anforderungen entsprechen. Mit der EBM-Technik hergestellte Ti6A14V-Proben wurden im direkten Zugversuch und im heißisostatischen Pressversuch geprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeit der TI6A14V-Proben den Schmiedestandard übertraf.
Die Korrosionsbeständigkeit der mit SLM-Technologie hergestellten Co-Cr-Mo-Legierung ist vergleichbar mit der im herkömmlichen Verfahren hergestellten Legierung. Auch die Ionenauflösung in der simulierten Speichelumgebung ist beim 3D-Druck geringer als bei der im herkömmlichen Verfahren hergestellten Legierung. EOS stellte fest, dass das mit DMLS-Technologie hergestellte Ti6A14V-Produkt durch angemessene Nachbearbeitung die gleichen statischen mechanischen Eigenschaften und die gleiche Ermüdungsbeständigkeit aufweist wie das herkömmliche Schmiedestück. Das mit EBM hergestellte Wirbelfusionsimplantat aus poröser Titanlegierung wurde in einen Ziegenkörper implantiert und erzielte im Halswirbelfusionsmodell von Schafen gute Ergebnisse. Die Knochen-Material-Grenzfläche war besser als beim PEEK-Fusionsimplantat.
Klinisch gesehen entsprechen der Elastizitätsmodul und andere mechanische Eigenschaften von Titanlegierungen nicht den Eigenschaften von menschlichem Knochen. Dies führt zu einem „Stress Shielding“-Phänomen im peripheren Knochengewebe des Implantats und verursacht Osteoporose, was zu Knochenresorption, Lockerung und Verlust des Implantats sowie zu dessen Versagen führt. Um dieses Problem bei Titanimplantaten zu reduzieren, sind Implantate mit poröser Struktur ins Blickfeld der Forschung gerückt. Studien haben nun gezeigt, dass sich die Mikrostruktur von Implantaten durch 3D-Druck hochpräzise anpassen lässt, um ihren Elastizitätsmodul und ihre mechanischen Eigenschaften zu verändern und sie so an das menschliche Knochengewebe anzupassen. So werden die biomechanischen Funktionen weiter verbessert, indem eine angemessene physiologische Belastung sichergestellt wird.
Die kontrollierte Struktur des Ti6AI4V-Körpers wurde mittels EBM-Formgebungstechnologie hergestellt. Unter dem Rasterelektronenmikroskop wurde festgestellt, dass die innere Hohlraumstruktur mit dem theoretischen Entwurf übereinstimmt. Dadurch wurde eine präzise Kontrolle der EBM-Struktur der 3D-gedruckten Produkte erreicht. Im mechanischen Leistungstest beträgt die entsprechende Druckfestigkeit 163 MPa und der Elastizitätsmodul 14 MPa bei einer Porenporosität von 60,1 %, was dem menschlichen Knochen nahekommt. Die In-vitro-Zellkultur zeigte zudem eine gute Zellkompatibilität.
Die porösen Gerüste wurden mittels EBM-Technologie durch Optimierung der Designparameter hergestellt und ihre mechanischen Eigenschaften bewertet. Es zeigte sich, dass die Biomechanik der entwickelten porösen Materialien bei der Simulation der Phasenkompatibilität und der Implantationsanpassung deutlich überlegen war. Drei mittels SLM hergestellte poröse Titansorten mit 300 g, 600 g und 900 µm wurden in die Tibia von Kaninchen implantiert, um den Einfluss des Porenverhältnisses auf das Knochenwachstum zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Knochengewebe mit einer porösen Struktur von 600 µm eine bessere Länge und Biokompatibilität aufwies.
Aus Sicht des Knochenwachstums ist ein Gerüst mit einstellbarer Porosität und Öffnung förderlicher für die Nährstoffübertragung im menschlichen Körper und kann auch das Knochenwachstum fördern, die Verbindung zwischen Implantaten und Knochenbetten verbessern und die Lebensdauer der Prothese verlängern, wodurch bessere medizinische Effekte als bei einer Titanlegierung mit fester Struktur erzielt werden. In den letzten Jahren hat sich die Titanlegierung mit mehreren Löchern schrittweise als das idealste neue klinische Material für die Reparatur und den Ersatz von Hartgewebe erwiesen, und die Anwendung von 3D-gedruckten Titanlegierungsimplantaten mit verschiedenen mikroskopischen Strukturen oder Durchgangsstrukturen hat ebenfalls ein neues Feld eröffnet.