Titanschäume ersetzen künftig verletzte Knochen

Der Mensch wächst mit seinen Aufgaben, auch seine Knochen. Werden sie stärker belastet, entwickelt sich ein 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 verstärkt nutzen, um Implantate dauerhafter und stabiler mit den Knochen des Patienten zu verbinden. Allerdings muss der Knochenersatz ein Einwachsen begünstigen – mit Poren und Kanälen, durch die Blutgefäße und Knochenzellen ungehindert hindurch wachsen können. Bevorzugtes Material bei Implantaten ist Titan der Legierung Ti6Al4V. Es ist langlebig, stabil und belastbar und wird vom Körper gut vertragen. Problematisch ist dagegen seine Verarbeitung. So reagiert Titan unter hohen Temperaturen mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Es wird spröde und brüchig, was die Palette der Produktionsverfahren begrenzt.

Komplexe Innenstrukturen lassen sich mit den etablierten Verfahren noch nicht herstellen. Deshalb werden bei Defekten lasttragender Knochen hauptsächlich massive Titan-Implantate eingesetzt. Zwar verfügen viele über strukturierte Oberflächen, um den Knochenzellen Halt zu bieten. Doch die entstandene Verbindung bleibt fragil. Außerdem weisen massive Implantate andere mechanische Eigenschaften auf als das menschliche Skelett. Sie sind wesentlich steifer. „Der angrenzende Knochen wird kaum noch belastet und bildet sich im schlimmsten Fall zurück. Das Implantat lockert sich und muss ausgetauscht werden“, erklärt Dr. Peter Quadbeck vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden. Er koordiniert das Projekt „TiFoam“, in dem ein Titan-Werkstoff für eine neue Generation Implantate entwickelt wurde. In seiner schaumartigen Struktur ähnelt der Werkstoff der Spongiosa im Knocheninneren.

Der Titanschaum entsteht durch ein pulvermetallurgisches Abformverfahren, das 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 Steifigkeit.“ Ersteres ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung in Knochen, die Gewicht und Bewegung standhalten müssen. Eine knochenähnliche Steifigkeit 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 Unternehmen an der Entwicklung des Titanschaums beteiligt. Projektpartner InnoTERE will aus dem „TiFoam“-Werkstoff Knochenimplantate entwickeln und herstellen. lb