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Generative Fertigungssysteme für den medizinischen und dentalen Anwendungsbereich

 

LITHOZ – IHR VERLÄSSLICHER PARTNER IN DER MEDIZIN

Wenn es um die Gesundheit von Menschen geht, sind starke und kompetente Partner von besonderer Bedeutung. Lithoz verfügt über hohe Fachkompetenz und ein breites Spektrum an Produkten und Dienstleistungen, die sich speziell für die Generierung von Innovationen und patientenspezifischen Produkten im Medizinbereich eignen. Wir bieten Ärzten, Forschern und Herstellern von Medizinprodukten individuelle Lösungen entlang der gesamten Prozesskette der additiven Fertigung von Keramik.

 

Alles Keramik - vom patientenspezifischen Implantat bis zum Operationsbesteck

Im Gegensatz zu im medizinischen Bereich etablierten Materialien wie Metallen oder Polymeren, bieten bioinerte oder bioresorbierbare Keramiken Eigenschaften, die im medizinischen Sektor eine Vielzahl von neuen Anwendungen ermöglichen. Durch Anwendung des werkzeuglosen Formgebungsverfahrens Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) können hochkomplexe Gitterstrukturen, Hinterschneidungen und Kanäle mit Abmessungen bis zu 100 µm realisiert werden. Beschränkungen aus dem Bereich der konventionellen Fertigungstechnik (beispielsweise Fräsen oder Spritzguß) fallen größtenteils weg, und Entwicklung und Produktion von Komponenten für medizinische Geräte, chirurgische Instrumente, Zahnersatz sowie patientenspezifische Implantate werden ermöglicht. Es entsteht ein chargen-orientierter Prozess für individualisierte Komponenten mit der Möglichkeit der Serienfertigung.

 

MEDIZINISCHE UND DENTALE EINSATZBEREICHE FÜR 3D-GEDRUCKTE KERAMIKEN

Vollanatomische Kronen für minimalinvasive Versorgung

Best practice example: Kronen mit perfekten Fissuren (Material: Zirconiumdioxid)

Während Kronen und Brücken mit herkömmlichen subtraktiven Herstellungsverfahren (CAD/CAM) zuverlässig hergestellt werden können, ist diese Technik für ultradünne Rekonstruktionen nicht ideal. Bei diesen sogenannten minimalinvasiven okklusalen Veneers wird ein Therapieansatz verfolgt, bei dem so wenig gesundes Zahnmaterial wie möglich entfernt werden soll, bevor die Rekonstruktion darüber befestigt wird. Mittels LCM-Technologie ist die Herstellung von Veneers von minimalen Wandstärken von nur 100 µm möglich. Darüber hinaus bietet die LCM-Technologie eine noch nie dagewesene Abbildungsgenauigkeit bei der Herstellung von anatomisch geformten Fissurflächen.

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Bei herkömmlichen subtraktiven Fertigungstechniken wird Zirconiumdioxid in der Weißlingphase (nicht vollständig verdichtet) verarbeitet. Das Material weist dabei eine geringe Eigenfestigkeit auf,  und die Randbereiche müssen künstlich verstärkt werden, um ein Ausbrechen der Ränder  zu verhindern. Sowohl bei den Okklusal- als auch bei den Randflächen handelt es sich um wesentliche Bereiche der Versorgung, weshalb eine Nachbearbeitung sehr sorgfältig und unter Handarbeit erfolgen muss. Durch den Einsatz rotierender Instrumente können außerdem spitz zulaufende Fissurengeometrien nur ungenügend wiedergegeben werden.

Durch Einsatz der LCM-Technologie können bei  Veneers aus Zirconiumdioxid bisher unerreicht dünne Wandstärken erzielt werden. Das manuelle Nachbearbeiten der Funktionsflächen entfällt aufgrund der hohen Geometrietreue des Verfahrens. Perfekt geformte Kauflächen sowie eine hervorragende Oberflächengüte sind weitere Pluspunkte.

Auch bei der Herstellung von vollkeramischen Kronen und Brücken kann die LCM-Technologie ihre Stärken ausspielen. Eine manuelle Verblendung kann unter Umständen ausbleiben. und das klinische Problem des Absplitterns der Verblendung kann dadurch reduziert werden.

Hochleistungskeramiken für Dentalimplantate

Best practice example: Dentales Implantat für die Serienfertigung (Material: Zirconiumdioxid)

Dieses enossale Zahnimplantat kann als Grundaufbau für den Ersatz eines fehlenden Zahnes verwendet werden. Mit der LCM-Technologie ist es möglich, komplex geformte Implantate herzustellen. Außerdem können auch bestehende Standarddesigns (siehe Abbildung) in großer Stückzahl gefertigt werden, die eine hohe Festigkeit und Geometrietreue aufweisen.

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Zahnimplantate, die mittels LCM-Technologie gefertigt wurden, weisen bereits ohne Nachbearbeitung („as-fired“) eine hervorragende Oberflächenqualität auf (siehe Abbildung). Das verwendete Material, 3 Mol%-teilstabilisiertes Zirkonoxid (3Y-TZP), bietet eine hervorragende Festigkeit, ohne große Abstriche bei der Ästhetik machen zu müssen. Selbstverständlich sind auch Materialien wie ATZ (Aluminiumoxid-verstärktes Zirkonoxid) und ZTA (Zirkonoxid-verstärktes Aluminiumoxid) für  dentale Anwendungen geeignet. Bioinerte Hochleistungskeramiken erlauben die Herstellung von diversen Implantaten für dentale Anwendungen, die eine perfekte Oberflächenqualität sowie höchste Genauigkeit benötigen.

Bioabbaubare und bionierte Keramiken für den Kieferknochen

Best practice example: Kombinationsimplantat für den Unterkiefer (Material: beta-Tricalciumphosphat und Zirconiumdioxid)

Kritisch große Knochendefekte können die Folge eines schweren Traumas sein –  beispielsweise einer Trümmerfraktur des Kiefers oder einer Knochenresektion aufgrund von Knochentumoren. Die Herausforderung bei der Behandlung derart großer Defekte besteht darin, dass der Knochen ohne geeignete Maßnahmen selbst nicht in der Lage ist, den Defekt zu heilen. Hier wird ein dualer Ansatz vorgestellt, bei dem ein Käfig aus hochfestem Zirkonoxid die Einheilphase angemessen unterstützt und das Innenvolumen des Implantats aus bioresorbierbarem beta-Tricalciumphosphat (β-TCP) besteht.

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β-TCP weist sehr gute osseointegrative Eigenschaften auf. Die Wahl geeigneter Poren- und Steggeometrien kann das Knochenwachstum signifikant verbessern, und trabekuläre Knochen und ähnliche komplexe Strukturen können so nachempfunden werden. Scaffolds, die leicht und trotzdem mechanisch belastbar sind, ermöglichen gleichzeitig das Einwachsen von Knochen- und Blutgefäßzellen. Zusätzlich beschleunigt die Versorgung mit Blutgefäßen den Heilungsprozess: Nährstoffe gelangen zu den neuen Zellen, Stoffwechselprodukte werden schneller entfernt und ausgeschieden.

Ein weiterer Vorteil ist die hochpräzise und reproduzierbare Makroporosität in Verbindung mit einer definierten Oberflächentextur, die die Zelladhäsion der Osteoblasten signifikant verbessert. Damit entfällt die ansonsten notwendige Entnahme von autologem Knochen (z.B. aus dem Beckenkamm), die häufig mit starken Schmerzen und Komplikationen an der Entnahmestelle verbunden ist.

Die obige Abbildung zeigt einen Anwendungsfall, bei dem β-TCP von den Zellen resorbiert und durch neu gebildeten Knochen ersetzt werden kann. Der Zirkonoxidkäfig kann aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität an Ort und Stelle belassen werden.

Neben Zirconiumdioxid bieten auch Aluminiumoxid und Siliciumnitrid aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften (u.a. hohe Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit) in Kombination mit der Designfreiheit der LCM-Technologie eine Vielzahl neuer  Anwendungen von dauerhaften Implantaten im menschlichen Körper.

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Hochleistungskeramiken für medizinische Geräte

Best practice example: Pneumatische Herz-Katheter-Pumpe (Material: Aluminiumoxid)

Die intrakardiale Pumpe aus bioinertem Aluminiumoxid versorgt nach einem Herzinfarkt oder einer Herzoperation das Herz mit Blut. Entwickelt wurde sie gemeinsam von TU Wien und Medizinuniversität Wien, hergestellt von Lithoz.

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Das verwendete Material zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit sowie eine sehr geringe Oberflächenrauheit (Ra = 0,4 µm) aus. Dadurch kann die Entstehung von Blutgerinnseln verringert werden. Die Pumpe wird mit Helium angetrieben und gewährleistet die Blutversorgung in der Heilungsphase ohne elektrischen Strom, wodurch eine thermische Schädigung des umliegenden Gewebes verhindert werden soll.

Bioinerte Hochleistungskeramiken erlauben die Herstellung von Komponenten für medizinische Geräte, die eine perfekte Oberflächenqualität sowie höchste Genauigkeit benötigen. So kann beispielsweise die Zellinteraktion an Bauteilen mit direktem Blutkontakt minimiert und eine Thrombusbildung (Blutgerinnung) verhindert werden.

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Bioresorbierbare patientenspezifische Implantate

Best practice example: Schädelimplantat (Material: Tricalciumphosphat)

Inspiriert durch die äußeren dichten kortikalen und die hochporösen trabekulären Knochenstrukturen im menschlichen Schädelknochen, wird dieses Implantat für den Knochenersatz von Teilen des Schädels verwendet. Dies wird zum Beispiel nach Schädel-Hirn-Traumata nach Druckentlastungsoperationen (Trepanation) notwendig. Größe und Form der verbundenen Poren können beliebig gewählt werden, wodurch eine definierte, offene Porosität des Bauteils gewährleistet wird. Durch die Kombination eines resorbierbaren Materials und einer Geometrie mit definierter Makroporosität kann ein Einwachsen der Zellen und damit einhergehend sowohl Gefäßneubildung als auch die Knochenregeneration erreicht werden.

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Tricalciumphosphat (TCP) oder Hydroxyapatit (HA) sind Materialien, die aufgrund der Ähnlichkeit mit dem mineralischen Anteil des menschlichen Knochengewebes und ihrer bioresorbierbaren Eigenschaften gerne für Implantate verwendet werden. TCP und HA sind ideal, um bionische Designs, feine Kanäle und patientenspezifische Implantate mit fein definierten zellulären Porenstrukturen zu realisieren. Es kann als bioresorbierbarer Knochenersatzstoff eingesetzt werden, da es vor allem in Verbindung mit Wachstumsfaktoren das Knochenwachstum induziert und während des Heilungsprozesses vom Körper resorbiert wird.

Chen et al. verglichen das Einwachsen von Knochen in Tricalciumphosphat und Titanscaffolds.

Ghayor et al. untersuchten unterschiedliche Geometrien und Porengrößen von Tricalciumphosphat-Scaffolds in Bezug auf ihren Fähigkeit das Einwachsen von Knochen zu fördern.

Scaffolds

Best practice example: Offenporöses Zellscaffold (Material: Tricalciumphosphat)

Additive Fertigung ist eine hervorragende Möglichkeit um keramische Scaffolds zu produzieren, welche der komplexen Struktur von trabekulären Knochen nachempfunden sind. Dadurch können Scaffolds geschaffen werden, die leicht und trotzdem mechanisch belastbar sind, während sie gleichzeitig das Einwachsen von Knochen- und Blutgefäßzellen ermöglichen. Durch die Versorgung mit Blutgefäßen wird der Heilungsprozess beschleunigt – Nährstoffe können zu den neuen Zellen gelangen und Stoffwechselprodukte entfernt und ausgeschieden werden. Mittels LCM können Sie Implantate mit hochpräziser und reproduzierbarer Makroporosität erzeugen und diese mit einer definierten Oberflächentextur versehen, wodurch die Zelladhäsion der Osteoblasten verbessert werden kann.

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Mittels der LCM-Technologie ist die Herstellung von optimierten Gitterstrukturen (Scaffolds) aus Keramik möglich. Solche Gitterstrukturen mit einer definierten Form und Porengröße, werden beispielsweise zur Versorgung von kritisch großen Knochendefekten, welche häufig nach schweren Traumata oder Tumorentfernungen entstehen, genutzt. Diese bioresorbierbaren Implantate werden während der Heilung vom Körper abgebaut und durch körpereigene Knochen ersetzt. Für Entwicklung von hochfunktionellen Scaffolds mit optimierter Osteokonduktivität ist es sehr wichtig, das Porendesign entsprechend anpassen zu können.

Biokeramische Materialien eignen sich durch ihre Materialeigenschaften hervorragend für medizinische und dentale Applikationen

•  hohe mechanische Festigkeit und
    Abnützungsbeständigkeit

• geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit

• nach Wahl bioniert oder bioresorbierbar

• keine herauslösbaren Bestandteile (außer
   bioresorbierbare Materialien)

• keine Störung von CT und MRT

• antiallergen

• korrosionsbeständig

• leicht sterilisierbar

 

LCM-TECHNOLOGIE FÜR DIE MEDIZIN- UND DENTALTECHNIK

Die LCM-Technologie ist Ihre erste Wahl, wenn es darum geht, fehler- und rissfreie Komponenten mit exzellenter Oberflächenqualität reproduzierbar herzustellen. Es erlaubt die Produktion hochkomplexer und feinporiger Gitterstrukturen bis zu einer Feature-Größe von nur 100 μm. Iterationen und Designanpassungen können schnell und digital an einer CAD-Datei durchgeführt werden und eine Lagerung von Werkzeugen entfällt. Dadurch eignet sich das Verfahren für eine kosteneffektive Herstellung individueller Komponenten und Produktionsserien unterschiedlichster Losgröße (von der Prototypenentwicklung bis zur Serienproduktion).
 

Bioresorbierbare Materialien für den patientenspezifische Implantate (Material: Hydroxylapatit)

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BIOKERAMISCHE MATERIALIEN FÜR DEN MEDIZINISCHEN ANWENDUNGSBEREICH

Lithoz bietet seinen Kunden eine Reihe von Materialien, die sich speziell für die additive Fertigung von Medizin- und Dentalprodukten eignen:

  • Hydroxylapatit

 

Der Erfolg von Lithoz liegt in unserer innovativen Art der Problemlösung und unserem Bekenntnis, Produkte stets weiterzuentwickeln und zu verbessern. Wir stellen ein offenes System zur Verfügung, das eine Vielzahl von auf den Kunden maßgeschneiderte Materialien verarbeiten kann. Durch unser Engagement in zahlreichen nationalen und internationalen Forschungsprojekten konnte Lithoz eine hohe Materialkompetenz aufbauen. Die folgenden Materialien sind dabei für den medizinischen und dentalen Anwendungsbereich besonders interessant:

  • ATZ/ZTA
  • Bioabbaubare Photopolymere
  • Hoch dielektrische Keramiken
  • Bioaktive Glässer (z.B. Bioglass)
  • Cermets (Verbundwerkstoffe aus Keramik und     
           Metall)
  • Präkeramische Polymere

 

Mehr Informationen zu unseren medizinischen Materialien finden Sie hier.

 


Haben wir Ihr Interesse geweckt?

 

Möchten Sie mehr über unsere Produkte und Services für den Bereich Medizintechnik erfahren? Dr. Daniel Bomze, unser Inhousespezialist für diesen Bereich, beantwortet gerne Ihre Fragen und unterstützt Sie bei Ihren Anliegen.

+43 1 934 66 12 - 219 / dbomze@lithoz.com