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RM in der Medizintechnik: fokussiert und vielseitig
15.06.2010 | Redakteur/Autor: Redaktion SMM
Patientenoptimierte Tibial-Basisplatte
Am Beispiel einer Tibial-Basisplatte eines künstlichen Kniegelenks zeigte Dr. J. Seebeck die Vorteile des RM-Verfahrens auf. Das RM-Verfahren biete hierfür eine sehr gute Implantateanpassung an die individuelle Knochen- und Bänderstruktur. Anhand von CT-, MRI- als auch Gang-Daten des Patienten und der Achsstellung des Beines lassen sich Geometrien, Gelenkkräfte, Muskelkräfte usw. bestimmen und so die Tibial-Basisplatte entsprechend zu einem individuell optimierten Patientenimplantat konfigurieren.
Knochenersatzimplantate im SLM-Verfahren
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Dipl. Phys. Simon Hoeges vom Fraunhofer ILT-Institut ging unter anderem auf das SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) ein. Mit dem generativen SLM-Verfahren könnten 3D-Modelle mit unterschiedlichsten Werkstoffen aufgebaut werden, sagte Dipl. Phys. Simon Hoeges. Die Werkstoffauswahl ist recht breit: Rein-Titan, Titan-, Aluminium-, Stahl-, Nickel- und neu auch Kupfer-Legierungen sind mit dem Verfahren verarbeitbar. Verfügbar sind alle Serien-Pulverwerkstoffe die unter Schutzgasatmosphäre, Schicht für Schicht, per Laser im Scanner-Verfahren aufgeschmolzen werden können.
SLM-Verfahren im Dentalbereich
Da im SLM-Verfahren sowohl das Pulver als auch die darunter liegende Schicht komplett aufgeschmolzen werden, seien Bauteildichten bis zu 100% zu erreichen. Gerade für die Herstellung von Kronen und Brücken im Dentalbereich ist die SLM-Technologie weit verbreitet. Es ist insbesondere dann ein relativ wirtschaftliches Verfahren, wenn kleine Volumina mit individuellen Eigenschaften hergestellt werden müssen. Mit dem SLM-Verfahren können aber auch grossflächige Knochenersatzimplantate - beispielsweise Schädelplatten - generiert werden. Ein interessanter zukünftiger Anwendungsbereich sind zudem Hüftkorrekturen.
Tissue Engineering
Die Vorteile des Tissue Engineerings auf der Basis des an der Universität Freiburg von Prof. Dr. Rolf Mülhaupt entwickelten 3D-Bioplotter wurden eindrücklich von Rolf Mülhaupt beschrieben. Solche patientenspezifischen offenporigen Gewebsersatzkonstrukte werden in abbaubaren Materialien geprintet und mit patienteneigenen Zellen besiedelt und implantiert.
Richtungsabhängige mechanische Eigenschaften
Dipl. Ing. Adriaan Spierings (inspire AG, ETH) referierte über die Werkstoffeigenschaften von SLM-Materialien. SLM ist eine zukunftsgerichtete Technologie, deren Endprodukte über gute Werkstoffeigenschaften verfügen und biokompatibel sind. Auch die Möglichkeiten in Hinblick auf Leichtbau-Gitterstrukturen sind hervorragend. Es können komplexeste Gitter-strukturen mit oder ohne Aussenhaut generiert werden. Das ist nicht nur im Implantatebereich interessant, sondern auch für medizinische Instrumente. Denn Werkzeuge mit Gitterstrukturen sind erheblich leichter, als wenn sie aus Vollmaterial hergestellt würden.
Anisotropes Verhalten wegen Schichtaufbau
Da die Materialien schichtweise aufgebaut werden, ergibt sich eine Anisotropie der Festigkeitseigenschaften. Die Zugfestigkeit reduziert sich beispielsweise, wenn die Kraftrichtung senkrecht zu den Schichten aufgebracht wird. In der Wöhlerkurve zeigt sich, dass zwar generell hohe Schwingzahlen erreicht werden können, aber die Anisotropie sich negativ auswirken kann. Diese Faktoren müssen bei der Designgebung mit einfliessen. Insbesondere besteht die Gefahr der Ausbildung von Warm- und Kaltrissen (Eigenspannungen), insbesondere für Titan, höher legierte Stähle und gewisse Nickel-basierte Legierungen.
Um dem entgegenzuwirken, müssen geeignete Materialien gewählt werden und die Bauteilgeometrie angepasst werden. Auch die Optimierung des Pulvermaterials kann die Mikrostruktur, die Bauteiloberflächen verbessern helfen, was sich positiv auf das Festigkeitsverhalten auswirken kann. Wärmebehandlungen sind oft zwingend erforderlich.
Sekundärstabilität von mehreren Faktoren abhängig
Auch Prof. Dr. Michael de Wild vom Institut für Medizinal- und Analysetechnik an der FH Nordwestschweiz in Muttenz ging auf die Werkstoffeigenschaften von SLM-Werkstoffen ein. Er sagte, dass sich die Primärstabilität relativ einfach durch das Implantatedesign bestimmen lasse, die Sekundärstabilität (Verbindung zwischen Knochen und Implantat) sei aber von vielen Faktoren abhängig. Hier bieten die RM-Verfahren einige Vorteile. Ein Riesenvorteil ist, dass man mit den RM-Verfahren sehr feine offenporige Strukturen herstellen kann. Solche Strukturen beispielsweise lassen den Knochen einwachsen, selbst in drei Dimensionen, was förderlich für die Sekundärstabilität ist.
Ein weiterer wichtiger Aspekt für die optimale Verbindung zwischen Gewebe und Implantat ist die Oberflächenstruktur des Materials. Hydrophile Werkstoffoberflächen wirken sich positiv auf ein schnelleres Einwachsen aus. Das hydrophile Verhalten lässt sich mit entsprechenden Oberflächenbehandlungen beeinflussen.
Eine weitere interessante Möglichkeit ist es, das E-Modul im Herstellungsverfahren zu beeinflussen Damit besteht die Möglichkeit, Implantate beispielsweise «weich» (niedrigeres E-Modul als Basiswerkstoff) zu gestalten und so besser an die Biomechanik anzupassen.
RM per Elektronenstrahl
Dipl. Ing. Patrick Ohldin von Arcam EBM Systems präsentierte eine Hüftgelenk-pfanne, die im EBM-Verfahren aufgebaut wurde, mit integrierter 3D-Gitterstruktur, in die der Knochen und Gewebe optimal einwachsen können. Ein wesentliches Merkmal des EBM-Verfahrens ist seine enorme Leistungsdichte des Elektronenstrahls. Dadurch kann der Strahl sehr schnell über das Pulver bewegt werden. Der Elektronenstrahl kann zudem in eine Vielzahl von Strahlen aufgeteilt werden.
EBM-Prozess unter Vakuum
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verfahren im Vakuum abläuft, wovon die Titanbearbeitung profitiert. Das EBM-Verfahren bringt eine gute Alpha-Beta-Kristall-Verteilung bei Titan, so dass man bei Kugelpfannen keine anschliessende Wärmebehandlung mehr benötigt und somit einen Prozess einsparen kann.
Wenn es um die sekundäre Festigkeit geht, dreht sich alles um die Möglichkeit, Gitterstrukturen direkt am eigentlichen Implantat aufzubringen. Mit dem EBM-Verfahren ist das möglich: ob bei Kniegelenken, Hüftgelenken, aber auch bei Knochenplatten im Kopfbereich.
Wirtschaftlich: 16 Pfannen in 12 Stunden
Aktuell können bis zu 16 Hüftgelenk-pfannen in einem Durchgang in 12 Stunden mit einer direkt aufgebrachten porösen Schicht gefertigt werden, wobei die Porosität individuell definiert werden kann. Eine Pfanne kostet 50 bis 60 Euro. Grosse Pfannen (66mm) kosten gegen 103 Euro. Das Verfahren ist somit ein relativ günstiges Verfahren. Diese Kosten beziehen sich auf die reine EBM-Fertigung. Weil keine Wärmebehandlung notwendig ist (Vakuum) fällt dieser Prozess weg. Die EBM-Fertigung ist heute, nach Aussage von Patrick Ohldin, ein Industrieprozess.
Richtige Operationstechnik wesentlich
Immer häufiger findet das RM-Verfahren direkt in Spitälern Anwendung und es werden direkt vor Ort patientenindividuelle Implantate schnell und kostengünstig entwickelt.
Während den Referaten wurde bestätigt, dass patientenspezifische Implantate direkt von Computertomographie-Daten geplant und generativ gefertigt grosse Vorteile für die Chirurgie bieten sowohl bezüglich der direkten Passgenauigkeit sowie bezüglich Operationsdauer.
Einige Operationsmethoden, in welchen RM sich bereits als fester Bestandteil etabliert hat, wurden im Schlussreferat vorgestellt und auf den forschungsintensiven Trend des direkten Zell- und Organprintings hingewiesen.
Zu guter Letzt muss betont werden, dass die Operationstechnik essentiell für den Erfolg des Implantates und somit für den Patienten ist. Chirurgen müssen lernen die - gegebenenfalls neuen - Produkte zu implantieren. Hier ist eine enge Kooperation mit dem Implantate-Hersteller und den Ärzten eine wichtige Voraussetzung. Mit der Lernkurve des Operateurs steigt letztlich auch der Erfolg des Produktes.
Autor
Matthias Böhm, Chefredaktor SMM
Information
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irpd@inspire.ethz.ch
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Ergänzendes zum Thema
+ Nutzen des RM in der Kieferchirurgie
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