Selective Laser Melting für medizinische Implantate

Themenbroschüre »Selective Laser Melting für medizinische Implantate«

Themenbroschüre »Selective Laser Melting für medizinische Implantate«

Die Verwendung von individuell angepasstem Knochen- und Gelenkersatz oder medizinischen Implantaten mit vergrößerter Funktionalität, z.B. durch integrierte, definierte Porenstrukturen, könnte die medizinische Versorgung signifikant verbessern. Zur Herstellung solcher komplexen und individualisierten Implantate eignet sich insbesondere das generative Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM).

Trends und Herausforderungen in der Medizintechnik

Der demographische Wandel und das Bedürfnis nach einer immer besseren medizinischen Versorgung stellen neue Herausforderungen an die Gesundheitsforschung. Insbesondere die personalisierte Medizintechnik gilt als eine der vielversprechendsten Zukunftsfelder. Durch die Berücksichtigung der individuellen medizinischen Bedürfnisse des Patienten z.B. bei der Operationsplanung oder der Implantatgestaltung können minimalinvasive Operationen weiter verbessert und eine optimale Patientenversorgung gewährleistet werden. Dadurch können einerseits das Wohlbefinden des Patienten beträchtlich gesteigert und andererseits die Kosten für das Gesundheitswesen und die Volkswirtschaft systematisch reduziert werden.

Auch die Verwendung von resorbierbaren Implantaten als Knochenersatz setzt neue Maßstäbe. Diese Implantate lösen sich im Körper des Patienten auf und werden sukzessive durch körpereigenen Knochen ersetzt. »Mitwachsende« Implantate für Kinder können so realisiert und unnötige Operationen zur Entfernung eines Implantates nach der Knochenheilung oder das permanente Verbleiben eines Implantates im Körper verhindert werden.

Individuell und funktional

Beim SLM werden Bauteile Schicht für Schicht aus einem feinen Pulver durch lokales Aufschmelzen mit Laserstrahlung gemäß einem CAD-Modell aufgebaut. Durch diese werkzeuglose Fertigung und den schichtweisen Aufbau von Bauteilen ist das SLM hervorragend für die kostengünstige Individualfertigung komplexer Geometrien geeignet. Implantate können direkt aus medizinischen Bilddaten (CT, MRT) am Computer für den Patienten individuell gestaltet und anschließend mit SLM kostengünstig gefertigt werden. Bei Bedarf können diese patientenspezifischen Implantate mit zusätzlichen Funktionalitäten versehen werden, die bei konventioneller Fertigung gar nicht oder nur sehr kostenintensiv realisierbar wären. Zum Beispiel kann durch definierte Porenstrukturen das Einwachsverhalten (Osseointegration) und die Versorgung mit neuem Gewebe (Vaskularisierung) des Implantates verbessert werden. Außerdem erlaubt das SLM die Einstellung optimaler mechanischer Eigenschaften, die für den jeweiligen Implantationsort und den Patienten erforderlich sind.

Insbesondere bei resorbierbaren Implantaten sind definierte Porenstrukturen ein entscheidender Vorteil gegenüber nicht porösen Implantaten. Die Menge an abzubauendem Volumen kann maßgeblich reduziert und ein effektiver Abtransport der Abbauprodukte durch eine vollständige Vaskularisierung des Implantates gewährleistet werden. Gleichzeitig kann der Knochenaufbau im Inneren des Implantates erfolgen, so dass das Implantat während des Abbauprozesses durch neuen körpereigenen Knochen gestärkt wird.

SLM-gefertigte medizinische Implantate

Das SLM wird für viele metallische Biomaterialien wie z.B. Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen oder Edelstahl kommerziell eingesetzt. Für Anwendungen in der Medizintechnik hat das Fraunhofer ILT das Verfahren in Kooperation mit Partnern aus Medizin und Industrie bereits mehrfach in die Praxis umgesetzt, z.B. für die individualisierte Serienfertigung von Kronen und Käppchen in der Dentalindustrie, für die Fertigung von Gelenkersatz (z.B. Hüfte, Knie) in der Orthopädie und von Knochenersatz in der Mund-, Kiefer-, und Gesichtschirurgie. Neben Individualimplantaten werden auch hochspezialisierte chirurgische Instrumente und Wirbelfusionskäfige mit erhöhter Funktionalität mit SLM hergestellt. Dabei erfüllen die SLM-Bauteile alle Anforderungen der entsprechenden Normen an die mechanischen Eigenschaften und die Biokompatibilität.

Auch für aktuelle Forschungsfragen bietet das Fraunhofer ILT vielversprechende Lösungsansätze. So konnten bereits resorbierbare Knochenersatzimplantate mit interkonnektiver Porenstruktur auf Basis eines Polylaktid-Kalziumphosphat- Kompositwerkstoffs für den Einsatz im gering belasteten Bereich des Schädels im Kleintierversuch erfolgreich getestet werden. Gleichzeitig wird die Technologie für die Herstellung von stärker belastbaren resorbierbaren Implantaten auf Basis von resorbierbaren Magnesiumlegierungen entwickelt.

Von der Idee zum Produkt

Das SLM-Verfahren wurde Mitte der 90er Jahre am Fraunhofer ILT entwickelt und seitdem in enger Kooperation mit führenden Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen unter Berücksichtigung der gesamten Prozesskette stetig weiterentwickelt. Durch unsere Kompetenz und jahrelange Erfahrung können unsere Experten Sie individuell von einer ersten Idee über Machbarkeitsstudien, Prozess- und Anlagenentwicklung bis hin zur Umsetzung der Ergebnisse in Ihre Produktion unterstützen. Dabei können Sie nicht nur auf unsere umfangreiche Anlagenausstattung, bestehend aus unterschiedlichen kommerziellen Systemen und hochflexiblen Laboranlagen, sondern auch auf unser Know-how im Bereich der Laserstrahlquellen- und Optikentwicklung zurückgreifen.

Durch unsere enge Kooperation mit weiteren Fraunhofer- Instituten, der FH-Aachen, dem Universitätsklinikum Aachen und der RWTH Aachen University profitieren Sie gleichzeitig von der gebündelten Kompetenz des Standorts Aachen im Bereich der generativen Fertigung.