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Hüfte und Gelenk kommenaus dem Drucker

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Additive Fertigung | Für einen jungen Krebspatienten musste in kurzer Zeit ein stabiles Hüftimplantat aus Titan hergestellt werden. Aufgrund des anspruchsvollen Designs entschied man sich für das Direkt-Metall Laser-Sinter-Verfahren von EOS.

Wiebke Jensen EOS, Krailing

Die Diagnose ist für alle Betroffenen immer ein Schock: Krebs. Im Falle eines Jungen aus Kroatien galt dies besonders, denn eine aggressive Form von Knochenkrebs hatte die Hüfte des Teenagers zerstört. Der einzige Ausweg für die behandelnden Ärzte war die Rekonstruktion des Hüftknochens. Der im medizinischen Bereich erfahrene 3D-Druck-Dienstleister Alphaform, der zwischenzeitlich von Protolabs übernommen wurde, setzte für die Produktion des Implantats auf die EOS-Technologie.
Die totale Arthroplastik der Hüfte war die Grundvoraussetzung dafür, dass die Geschwüre sich nicht weiter im Körper des Jungen ausbreiten. Ein derartiger Eingriff schränkt die Bewegungsfähigkeit des Gelenks und damit des Erkrankten stark ein. Insbesondere bei einem so jungen Patienten ist es wichtig, nach einer Lösung zu suchen, die keine bis wenige Spätfolgen nach sich zieht. Durch ein passgenaues Implantat können die motorischen Fähigkeiten künftig größtenteils normal ablaufen.
Die exakte Formung eines Ersatzknochens ist gerade im Hüftbereich so wichtig, da der Oberschenkelhals als zentrales Gelenk für das Bein und damit die Geh- und Lauffunktion einen perfekten Anschluss an den Körper braucht. Dabei geht es nicht so sehr um die Einpassung des Gelenkknochens in das Hüftgelenk; vielmehr muss die gesamte künstliche Hüfte möglichst exakt dem ursprünglichen Knochenteil entsprechen, sodass der gesamte Sitz und alle Winkel wieder zueinanderpassen.
Exakte Formung des Ersatzknochens ist wichtig
Die Herstellung eines solchen Implantats ist per se kein einfaches Unterfangen. Zudem machte auch das schnelle Fortschreiten des Krankheitsbildes den Ärzten Sorgen – die Zeit drängte. Darüber hinaus sollte das neue Implantat auch noch beim Gewicht überzeugen. Leichtbau, Präzision, Geschwindigkeit, so lautete also der Dreiklang, mit dem das kroatische Ärzteteam bei Alphaform vorstellig wurde und nach einem entsprechenden Metallknochenersatzteil fragte.
Der deutsche Additive-Manufacturing-Experte hat sich mit der Produktion von Implantaten einen Namen gemacht, bei der ein Laser Schicht für Schicht das künstliche Knochenteil aus einem pulverförmigen Werkstoff aushärtet. Nach dem Studium der vorhandenen Informationen zeigte sich schnell, dass dem Jungen geholfen werden kann. Christoph Erhardt, Director Additive Manufacturing bei Alphaform: „Der Designprozess war eine echte Herausforderung. Wir erhielten von Instrumentaria, einem kroatischen Hersteller von Medizingeräten, die kompletten Daten inklusive der Hohlräume. Auf Basis dessen konnten wir mit der präzisen Fertigung des Implantats beginnen.“ Dabei kamen die Vorteile des innovativen Produktionsverfahrens der EOS GmbH, Krailing bei München, voll zum Tragen.
3D-Druck baut Implantat Schicht für Schicht auf
Um das Gewicht der künstlichen Hüfte so gering wie möglich zu halten, plante Instrumentaria eine große Zahl an Hohlräumen ein. Derartige Aussparungen bei sonst massiven Teilen sind nur mit der Additiven Fertigung zu erreichen; Feinguss oder Fräsen erzielen eine derart komplexe Form nicht. Die Herausforderung bei der Integration der Leerstellen war, die richtige Mischung aus Stabilität und Gewichtsreduktion zu finden – denn das Implantat sollte auch hohen physischen Belastungen standhalten können.
Das Bauteil wurde innerhalb einer Woche mit der Eosint M 280 von EOS aus einer stabilen und doch leichten Titanlegierung gefertigt. Die Anlage basiert auf dem innovativen Direkten Metall-Laser-Sintern-Verfahren (DMLS) des Herstellers. Es fertigt Werkstücke vollautomatisch, werkzeuglos und direkt, ausgehend von dreidimensionalen CAD-Konstruktionsdaten. Dazu schmilzt sein 200 W oder 400 W starker Faserlaser feines Metallpulver und baut das Produkt Schicht für Schicht auf. Das konstante Überwachen des Prozesses stellt die bestmögliche, reproduzierbare Qualität aller Bauteile sicher.
Von der ersten Computerskizze bis hin zur Fertigstellung des Implantats vergingen dabei nur sechs Wochen. In diesen Zeitraum eingeschlossen ist auch die aufwendige Nachbearbeitung des künstlichen Knochenteils. „Wir stellen hier ja etwas her, was in den menschlichen Körper gelangt. Bereits kleinste Verunreinigungen, Rückstände oder Grate hätten katastrophale Folgen“, erklärt Erhardt. Auch hier machte sich die große Erfahrung des 3D-Dienstleisters positiv bemerkbar: Das gereinigte Implantat ist innerhalb kürzester Zeit und gemäß den hohen medizinischen Anforderungen in Kroatien eingetroffen.
Die folgende Operation verlief erfolgreich: Das Ärzteteam entfernte die vom Krebs befallenen Partien vollständig. Anschließend wurde die neue, künstliche Hüfte samt dem integrierten Gelenk eingesetzt. Außerdem wurde dem jungen Patienten ein Teil des Oberschenkels ausgetauscht, sodass beide Gelenkteile ideal ineinander passen. Das passgenaue Leichtbau-Implantat erfüllte alle medizinischen Anforderungen, und der Grundstein für eine erfolgreiche Genesung des Patienten war gelegt. ■


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