7 Millionen Mal atmet ein gesunder Erwachsener pro Jahr. Bei jedem Atemzug heben und senken sich die Rippen und rotieren leicht um ihre Längsachse. Muss der Chirurg hier einen Tumor entfernen, ist oft eine Rippenresektion erforderlich – gleiches kann nach einer Infektion oder Nekrose des Knochengewebes der Fall sein. Wenn dann Fehlstellen mit einem Implantat ausgeglichen werden, müssen Material und Design stimmen, damit der Patient ohne Einschränkungen in der Atemmechanik Luft holen kann.
Alternative für Implantate: Amorphe Metalle auf Zr-Basis als neue Werkstoffklasse
Aktuell bestehen solche Implantate in der Regel aus traditionellen Metallen. Interessant für solche Anwendungen ist aber auch eine neue Werkstoffklasse, die amorphen Metalle auf Zr-Basis. Diese oft als metallische Gläser bezeichneten Werkstoffe haben eine atomare Struktur ohne Korn- oder Phasengrenzen, Seigerungen – ungleichmäßige Verteilung von Elementen – oder sonstige Defekte. Daher weisen sie auch eine außergewöhnliche Streckgrenze auf: Sie liegt bei etwa 1700 MPa und damit etwa doppelt so hoch wie die von Ti-6Al-4V Gr. 5 (890 MPa). Auch bringen sie eine ausreichende Härte mit, womit sie sich für hochbelastete Anwendungen wie Implantate eignen.
Gleichzeitig zeigen Zr-basierte amorphe Metalle eine gute Elastizität mit einem Elastizitätsmodul von 89 GPa und eine hohe elastische Verformungsgrenze. Unter Belastung verbiegen sie sich, kehren aber wieder in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn die Belastung endet.
Amorphe Metalle: korrosions- und verschleißfest
Im Vergleich zu vielen herkömmlichen (kristallinen) Metallimplantaten, weisen amorphe Metalle auf Zr-Basis auch eine höhere Korrosions- und Verschleißfestigkeit auf. Somit verringern sich sowohl das Risiko eines Implantatversagens unter physiologischen Bedingungen als auch das der Freisetzung von Abriebpartikeln in das umliegende Gewebe. Amorphe Legierungen auf Zr-Basis wurden auch als biokompatibel eingestuft, werden also vom menschlichen Körper gut vertragen.
Oberfläche der Implantate sorgt für gutes Einwachsen
Aufgrund ihrer Oberflächeneigenschaften interagieren sie aktiv mit biologischem Gewebe. „Diese Wechselwirkung kann eine verbesserte Osseointegration und damit eine gute Integration des Implantats in das umgebende Knochengewebe fördern“, erläutert Valeska Melde, Head of Heraeus Amloy Technologies GmbH, Karlstein am Main. Das Unternehmen bietet seit 2016 amorphe Metalle auf Zr-Basis an.
Komponenten aus diesem Material lassen sich mit verschiedenen Methoden endkonturnah fertigen. Während sich das Spritzguss-Verfahren für die Herstellung von standardisierter Massenware anbietet, eignet sich die additive Fertigung für Implantate mit geringen Stückzahlen bis hin zum individuellen Implantat.
(Bild:Heraeus Amloy)
Amorphe Metalle im 3D-Druck zu Implantaten formen
Mit dem 3D-Druck lassen sich nicht nur hochkomplexe Formen herstellen, auch die Oberfläche kann nach Bedarf rauer oder glatter gestaltet sein. So lassen sich auf Basis von CT-Scans der Patienten maßgeschneiderte Implantate fertigen. Das bietet Vorteile gegenüber dem heutigen Vorgehen, bei dem der Chirurg während des Eingriffs Standardimplantate an die Anatomie des Patienten anpasst. So ein Implantat wird dann durch Bohren, Schneiden und Biegen in die gewünschte Form gebracht – zumindest so gut, wie dies möglich ist.
Heraeus und Trumpf wollen zeigen, was amorphes Metall im 3D-Druck kann
Maßgeschneiderte Implantate können den Eingriff demgegenüber erleichtern und beschleunigen. Zudem ist bekannt, dass passgenaue Implantate die Anpassung für Patienten nicht nur verkürzen und weniger schmerzhaft machen, sondern auch das Risiko von Komplikationen wie Lockerung oder schlechter Ausrichtung des Implantats minimieren.
Oberflächen der amorphen Metalle hängen von Druckparamatern ab
Die Beschaffenheit der Oberfläche wiederum beeinflusst Faktoren wie Zelladhäsion, Gewebeintegration oder Reibung. Die Faktoren, mit denen sich die Oberflächeneigenschaften gezielt anpassen lassen, sind Druckparameter, Nachbehandlung und Oberflächentechnik.
(Bild: Heraeus Amloy)
Simulationen anhand präziser Patientendaten geben schon früh Aufschluss darüber, wie sich unterschiedliche Geometrien und Materialien unter verschiedenen mechanischen und physiologischen Bedingungen verhalten. „Durch computergestützte Simulation lässt sich das Verhalten des individuell angepassten 3D-gedruckten Knochenersatzes untersuchen“, erklärt Dr. Hamed S. Shahabi, der die Simulationsprozesse bei Heraeus Amloy verantwortet. „Dabei geht es nicht ausschließlich um das Verhalten des Implantats unter normalen Bedingungen. Auch das Verhalten unter Extremsituationen sollte berücksichtigt werden.“ Ein Versagen, wie ein Bruch oder eine Lockerung der Einbaulage, sei natürlich unbedingt zu vermeiden.
Im Spritzguss entstehen Chirurgieinstrumente aus amorphen Metalllegierungen
Durch die Erstellung virtueller Prototypen und die simulierten Belastungsbedingungen können verschiedene Geometrien schnell bewertet und optimiert werden, um das vielversprechendste Design zu finden, das den biomedizinischen Eigenschaften des Patienten entspricht.
Anforderungen an ein Rippenimplantat
Die Anforderungen an das Material für ein Implantat, das nach einer Rippenresektion eingesetzt wird, können je nach Umfang des chirurgischen Eingriffs variieren. Einige Überlegungen gelten jedoch für alle Implantate:
- Biokompatibilität:
Das Implantatmaterial muss biokompatibel sein, um das Risiko von unerwünschten Reaktionen oder Abstoßung durch den Körper des Patienten zu minimieren. - Festigkeit und Steifigkeit:
Das Implantat sollte ausreichend fest und steif sein, um die Brustwand zu stützen und physiologischen Belastungen standzuhalten. Seine strukturelle Integrität soll ohne Komplikationen wie Verformung oder Bruch erhalten bleiben. - Individuelle Formbarkeit:
Wenn das Material die Möglichkeit bietet, die Form und Größe des Implantates an die Anatomie des Patienten anzupassen, gewährleistet das eine bessere Passform und ein besseres funktionelles und kosmetisches Ergebnis. - Kompatibilität mit
bildgebenden Verfahren:
Das Implantatmaterial sollte mit gängigen bildgebenden Verfahren wie einem MRT-Scan kompatibel sein. So lässt sich bei Nachuntersuchungen überwachen, wie sich Position, Stabilität und Integration des Implantats in das umgebende Gewebe entwickeln. - Langfristige Stabilität:
Implantate zur Brustwandrekonstruktion verbleiben dauerhaft im Körper. Sie sollten daher langfristig stabil und haltbar sein, um den ständigen dynamischen Belastungen standzuhalten. - Elastizität:
Das Implantat sollte eine hohe Elastizität aufweisen, um eine normale Atmung ohne Anstrengung oder Beschwerden zu ermöglichen.
