Ist ein Knochen durch einen Unfall, Verschleiß oder Krankheit nicht mehr zu retten, muss künstlicher Ersatz her. Titan-Implantate haben sich dabei als stabil, belastbar und langlebig herausgestellt. Sie können natürlich nicht geplant werden, als seien sie Bauteile eines Autos. Vielmehr müssen sie Teil des Organismus werden, mit dem biologischen System interagieren und dessen Regeneration unterstützen, bis der Körper wieder in der Lage ist, sich selbst zu helfen. Knochen-Implantate werden daher seit kurzem via 3D-Drucker mit einer sehr komplexen Mikro-Struktur produziert. Diese Struktur ermöglicht es, dass Knochenzellen und Blutgefäße in das Implantat einwachsen können und eine Verbindung zur erhaltenen Knochensubstanz herstellen.
(Bild: Universität Siegen)
Wenn der Knochenersatz aus dem 3D-Drucker bricht
An der Weiterentwicklung und Optimierung der Mikrostruktur solcher Knochenimplantate arbeitet Prof. Christian Hesch vom Lehrstuhl Numerische Mechanik mit Prof. Tamara Reinicke vom Lehrstuhl für Produktentwicklung an der Universität Siegen. Gemeinsam untersuchen sie die sehr komplexe Mechanik dieser neuen Generation von Implantaten.
Dazu simulieren die Forscher computergestützt das Verhalten bis zum Bruch eines Knochenersatzes, der im 3D-Druck hergestellt wurde. „Wir beginnen erst, das mechanische Verhalten dieser Implantate im Zusammenspiel mit dem Körper der Patienten zu verstehen“, erklärt Prof. Hesch. Dabei spiele die Mikro-Geometrie der 3D gedruckten Implantate bei normalen Belastungen, aber auch beim Versagen eine wesentliche Rolle. „Letzteres ist für den Patienten besonders schlimm, da ein Versagen von außen selbst mit modernen Computertomographen nur sehr schwer zu erkennen ist.“ Versagen kann sowohl ein Bruch des Implantates, aber auch eine Lockerung in seiner Einbaulage sein.
Mikro- und Makrostruktur der Implantate im Blick
Die Wissenschaftler müssen beim Simulieren und Modellieren komplexer Materialien – wie sie in einem Implantat eingesetzt werden – Informationen aus verschiedenen Skalen zusammenführen. Es zählen sowohl die Sub-Millimeter Skala in den filigranen Strukturen als auch die Zentimeter Skala für das gesamte Implantat. Nur so ist eine effiziente Simulation dieser Materialien mit Mikrostruktur möglich. Und: Es minimiert die Rechnerleistung und die für die Simulationen verbrauchte Energie. Denn um die Implantate zu optimieren, sind viele Simulationen erforderlich.
Fördermittel der DFG umfassten die Kosten für die experimentellen Untersuchungen verschiedener 3D-Strukturen mit Hilfe eines 3D Laserdruckers an der Universität Siegen.
Kontakt:
Universität Siegen
Prof. Christian Hesch
Telefon: +49 (0)271 740 5204
E-Mail: christian.hesch@uni-siegen.de
