Ein Team von Ingenieuren der Technischen Universität Delft hat einen 3D-Druck auf Extrusionsbasis entwickelt, mit dem sich temporäre Knochenimplantate aus porösem Eisen herstellen lassen.

Wie Magnesium oder Zink ist poröses Eisen biologisch abbaubar, was bedeutet, dass es ein großes Potenzial als temporärer Knochenersatz hat, der beim Nachwachsen neuer Knochen abgebaut wird. Durch die Rückresorption in den Körper können temporäre Implantate das Risiko einer langfristigen Entzündung verringern, die normalerweise mit dauerhaften Knochenimplantaten aus Metall (z. B. Titan) verbunden ist.

Der Hauptautor der Studie, Amir A. Zadpoor, betonte: „Im Vergleich zu anderen biologisch abbaubaren Metallen oder Polymeren, die in Knochenimplantaten verwendet werden, weist Eisen eine höhere mechanische Festigkeit auf, sodass es für die Behandlung kritischer Knochen entwickelt und hergestellt werden kann. Porös Struktur."

Auf den ersten Blick scheint dies für den 3D-Druck von bioresorbierbaren Knochenimplantaten aus Eisen sehr sinnvoll. Dieses Metall wird vom menschlichen Körper zum Transport von Sauerstoff verwendet. Es beschleunigt bestimmte Enzymreaktionen, spielt eine wichtige Rolle bei Immunreaktionen und ist eine Schlüsselkomponente der Knochenregeneration.

Dieses Problem tritt auf, wenn man sich die häufigste Form von Eisen ansieht, nämlich massives (dichtes) Eisen. Im Gegensatz zu porösem Eisen weist massives Eisen aufgrund seiner relativ kleinen Oberfläche eine sehr geringe biologische Abbaurate auf. Leider waren frühere Versuche, poröse Knochengerüste mit Technologien wie der Pulverbettfusion in 3D zu drucken, begrenzt, hauptsächlich in Bezug auf Zugänglichkeit, Kosten oder Porositätskontrolle. Obwohl der 3D-Druck auf Extrusionsbasis einige dieser Hindernisse überwinden kann, ist er oft gleichbedeutend mit minderwertigen Teilen, die für medizinische Endprodukte nicht geeignet sind.

Daher entschied sich das Delft-Team, sein eigenes dediziertes, auf Squeeze basierendes Setup auszuprobieren. Zadpoor ​​fügte hinzu: „Wir hoffen, die Machbarkeit der Verwendung von extrusionsbasiertem 3D-Druck zur Herstellung von porösem Eisen zu überprüfen und das Potenzial zur Lösung der grundlegenden Probleme von Roheisen zu untersuchen, das eine sehr niedrige biologische Abbaurate aufweist und gleichzeitig andere wichtige Eigenschaften (wie z strukturelle Integrität) und mechanische Eigenschaften während der Knochenheilung."

Die Methode des Teams besteht darin, ein Polymerlösungsmittel mit Eisenpartikeln zu injizieren, um eine zusammengesetzte Tinte zu bilden. Sobald die Trägerstrukturen gedruckt sind, werden sie erhitzt, um das Polymer abzubrennen, wobei Eisen zurückbleibt. Die verbleibende Eisenstruktur wird dann weiter wärmebehandelt, um sie zu einem porösen Feststoff zu sintern.

Zadpoor ​​und seine Kollegen tauchten ihre gedruckten porösen Gerüste in speziell formulierte simulierte Körperflüssigkeiten und stellten eine hohe biologische Abbaurate fest – Eisen verliert alle 7 Tage 28 % seiner Masse. Das Forschungsteam stellte außerdem fest, dass Korrosion um und sogar im Inneren des Implantats auftritt, ihre mechanischen Eigenschaften jedoch immer noch mit menschlichen Knochen übereinstimmen.

Zadpoor ​​sagte: "Wir haben bestätigt, dass die 3D-Drucktechnologie auf Extrusionsbasis poröse Eisengerüste mit verbesserter biologischer Abbaubarkeit und knochenähnlichen mechanischen Eigenschaften bereitstellen kann, die als Knochenersatz verwendet werden können."

In der nächsten Phase der Forschung wird das Potenzial des extrusionsbasierten 3D-Drucks in anderen fortgeschritteneren implantatbezogenen Funktionen getestet. Dabei werden Nano-Biokeramiken zur Förderung des Knochenwachstums injiziert und sogar antibakterielle Wirkstoffe injiziert, um das Infektionsrisiko nach der Operation zu verringern.

Obwohl Titan weitgehend als Metall der Wahl für die Knochenimplantation gilt, beweisen Forscher der additiven Fertigung ständig die Eignung anderer Materialien für diese Anwendung. In der zweiten Hälfte des vergangenen Jahres entwickelten Wissenschaftler des Skolkovo Institute of Technology ein neues Verfahren zum 3D-Drucken von Knochenimplantaten aus personalisierter Keramik. Ähnlich wie Delfter Implantate haben Skolkovo-Implantate große Poren, die es ihnen ermöglichen, sich besser in organisches Gewebe zu integrieren.

An anderer Stelle haben Forscher zuvor 3D-biogedruckte Gerüste auf Nanotonbasis entwickelt, um die Knochenregeneration zu unterstützen. Das Injizieren von menschlichen Stromazellen des Knochenmarks und menschlichen Endothelzellen der Nabelvene in das Knochenersatzgerüst fördert das Knochenwachstum weiter.

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