Medizin

Bosch Advanced Ceramics ist mit seinem Know-how im Bereich der additiven Fertigung von Keramik führend in der Herstellung hochinnovativer medizinischer Bauteile. Vor kurzem schloss das Unternehmen einen anspruchsvolles Projekt erfolgreich ab: die Herstellung ultradünner keramischer Isolierhülsen für ein laparoskopisches Werkzeug mit einer Wandstärke von 90 µm, das bei minimalinvasiven Eingriffen eingesetzt wird.

Durch den Einsatz von Lithoz CeraFab Druckern konnte Bosch Advanced Ceramics die Serienproduktion nicht nur auf 50.000 Bauteile pro Jahr steigern, sondern dabei auch beeindruckende 1.400 Teile auf einer Bauplattform herstellen. Die LCM-Technologie ermöglichte es, jegliche strenge medizinische Standards zu erfüllen und gleichzeitig eine überragende Materialleistung zu bieten, einschließlich chemischer Resistenz und verlängerter Haltbarkeit.

Gaumenspalten gehören zu den häufigsten angeborenen Krankheiten in der westlichen Welt. Etwa 1 von 1000 Kindern leidet bei der Geburt an einer unterentwickelten Gaumenspalte, die zu einer pathologischen Öffnung des harten und weichen Gaumens und manchmal auch zu einer Beeinträchtigung der Lippenstrukturen führt. Diese Krankheit kann von unvollständig ausgebildetem weichem Gaumen bis hin zu einer beidseitigen vollständigen Lippen-Kiefer-Gaumenspalte reichen. Die Patienten leiden unter häufigen Infektionen aufgrund von Keimen, die über den Mund in das angrenzende Gewebe eindringen können, sowie unter Sprach- und Atembeschwerden und psychosozialen Problemen.

Die derzeitigen Behandlungsmöglichkeiten umfassen einen provisorischen Gaumenobturator für die Gaumenspalte und eine Operation für die Lippenspalte. Diese Optionen sind jedoch oft unzureichend, da sie das zugrunde liegende Problem, nicht dauerhaft lösen.

Universitäre Forschungseinrichtungen und Innovationsunternehmen haben zusammen eine neue Behandlungsoption entwickelt, die auf resorbierbaren keramischen Materialien basiert. Hierbei soll der fehlende Knochen im Gaumenbereich ersetzt und mit weichen Materialien kombiniert werden, um den Verschluss der Mundschleimhaut zu unterstützen. Patientenspezifische Designs und miteinander verbundene offenporige Geometrien können in Kombination mit etablierten Materialien wie Hydroxyapatit und Tricalciumphosphat eine vollständige Heilung des angeborenen Knochendefekts gewährleisten und so das Leben von Millionen Kinder verbessern.

Arthrose gehört in den Industrieländern zu den zehn am meisten behindernden Krankheiten und kann einen Hüftgelenkersatz erforderlich machen. Eine häufige Komplikation von klassischem Hüftgelenksersatz sind Implantatlockerungen auf Grund von Stressabschirmung. Eine mögliche Lösung für diese Probleme sind kurze Schäfte, um mehr gesunden Knochen zu erhalten und Stressabschirmung zu minimieren.

Im Rahmen des InkPlant-Projekt haben Lithoz, die Universidad Politécnica de Madrid und die Universidad de Piura diesen Ansatz verfolgt, um das Design für patientenspezifische kurze Femurschäfte zu optimieren und sie mittels LCM-Technologie aus Aluminiumoxid-verstärktem Zirkonoxid (ATZ) herzustellen. Diese etablierte biokompatible Keramik ist aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihres geringen Verschleißes besonders geeignet. Der Entwurfsprozess unter anderem eine topologischen Optimierung, die zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von weniger als 9*10^-10 und einer Gewichtsreduzierung von mehr als 43 % führte.

Der 3D-Druck von Hochleistungs-ATZ ermöglichte die effiziente und einfache Herstellung dieses innovativen Femurschaftimplantats. Zusammen mit den Partnern der Universität hat Lithoz dazu beigetragen, eine neue Behandlungsmöglichkeit für eine der am meisten behindernden Krankheiten in den Industrieländern zu finden.

Minimalinvasive chirurgische Eingriffe ermöglichen eine schnellere Genesung des Patienten, erfordern aber stets kleinere und komplexere Instrumente. Insbesondere bei der Arthroskopie sind hohe Belastbarkeit und filigrane Eigenschaften gefragt. Keramik verfügt über hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Verschleißfestigkeit, Härte und elektrische Isolierung. Diese Eigenschaften machen Keramik unter anderem zum idealen Material für chirurgische Werkzeuge.

Die Herstellung dieses arthroskopischen Shavers aus Aluminiumoxid-verstärktem Zirkoniumdioxid (ATZ) wäre ohne die Designfreiheit der Lithography-based Ceramic Manufacturing Technologie nicht möglich. Die Anwendung veranschaulicht perfekt, welch filigrane Merkmale wie Spülkanäle, eine Führung für eine Glasfaser sowie außerordentliche scharfe Schneidgeometrien erreicht werden können.

Schon kleine Abweichungen in der Länge oder im Winkel bei der Einheilung von langen Knochen können Schmerzen verursachen und die Funktionalität stark einschränken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, bei der Behandlung des Defekts absolute Präzision zu erreichen, um die Lebensqualität des Patienten zu verbessern oder wiederherzustellen. Daher ist die LCM-Technologie die perfekte Wahl für die Herstellung solcher Knochenimplantate.

3D-gedruckter keramischer Knochenersatz aus Hydroxylapatit, wie dieses Implantat für die Versorgung der distalen Ulna, bietet patientenspezifische Gerüste, die mit der Zeit vom menschlichen Körper durch neuen Knochen ersetzt werden. Auch Tricalciumphosphat ist als schneller resorbierbare Alternative erhältlich. Aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit den mineralischen Bestandteilen des Knochens weisen LithaBone-Produkte eine optimale Biokompatibilität und Osteokonduktivität auf und sind daher das ideale Material für den Knochenersatz selbst bei kritisch großen Knochendefekten.

Arthrosen und andere Erkrankungen der Gelenke führen zu Verschleiß und damit zu massiven Schmerzen und Bewegungseinschränkungen. Durch die Behandlung mit künstlichen Gelenken können Patienten ihre Mobilität zurückgewinnen und ihr Leben schmerzfrei leben.

3D-gedruckte Keramikimplantate, wie diese künstlichen Fingergelenke aus Aluminiumoxid-verstärktem Zirkonoxid (ATZ), weisen sehr gute tribologische Eigenschaften auf, die zu einer hohen Belastbarkeit ohne Abrieb führen. Eine optimierte Gitterstruktur soll für eine gute Osseointegration und damit sicherer Fixierung sorgen. Im Gegensatz zu häufig in der Medizin verwendeten Metallen wie beispielsweise Titan, die eine kritische Biodistribution durch Abrasion von Metallimplantaten im menschlichen Körper versuchen, bietet Keramik eine sichere Alternative. Keramische Implantate sind 100% Metallabriebfrei.

Atrophie, d. h. fehlendes Knochenvolumen, im Kiefer ist die langfristige Folge von Zahnverlust. Dieser Knochenschwund verhindert auch den Ersatz dieser Zähne durch den derzeitigen Goldstandard - Zahnimplantate - und macht einen chirurgischen Eingriff erforderlich, um das lokale Knochenvolumen zu vergrößern.

Ein vielversprechender neuer Ansatz ist die Behandlung mit einem 3D-gedruckten, aus mehreren Materialien bestehenden patientenspezifischen Implantat, das sich perfekt in die Anatomie des Patienten einfügt. Das INKplant-Projekt zielt darauf ab, die besten Eigenschaften zweier etablierter Augmentationsmaterialien - Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit - in einem maßgeschneiderten 3D-gedruckten Implantat zu kombinieren. Tricalciumphosphat ermöglicht die rasche Bildung von Kieferknochen aufgrund seiner schnelleren Resorptionszeit. Die Hydroxylapatit-Hülle sorgt für volumenmäßige Stabilität des Implantats während der Einheilung und ersetzt die herkömmliche Membran als Barriere gegen ein vorzeitiges Einwachsen von Weichgewebe, das die Knochenbildung verhindern würde.

Dieses neuartige Implantat soll vorhersehbare Ergebnisse liefern und einen schnelleren chirurgischen Eingriff mit weniger Schmerzen und Schwellungen ermöglichen, was dem Patienten zugute kommt.

In intensiver Zusammenarbeit mit den Anwendern bisheriger Knochenersatzkeramiken entwickelte Lithoz das neue LithaBone HA 480. 3D gedruckte Teile aus Hydroxylapatit sind hervorragend resorbierbar, dank wichtiger Verbesserungen eignen sie sich bestens für den Knochenaufbau im medizinischen Bereich:

- Deutlich verbesserte mechanische Stabilität für formstabile Knochenaufbauten

- Erheblich gesteigerte geometrische Flexibilität

- Deutlich höhere Wandstärken von bis zu 10 mm

- 10-fach verlängerte Haltbarkeit

Siliciumnitrid gilt als optimale biokompatible Hochleistungskeramik, welche ihren Weg aus der Luft- und Raumfahrt in die Medizin gefunden hat. Auf Grund seiner hohen Festigkeit, guten osseointegrativen Eigenschaften und selbstverständlich ausgezeichneten Biokompatibilität ist es hervorragend für langlebige Implantate geeignet.

Es findet Anwendung in der Orthopädie und Neurochirurgie. In Letzterer wird es beispielsweise für die Herstellung von sog. Wirbelsäulenkäfigen (Interfusion Bodies) eingesetzt. Diese Art von Implantaten wird für die Behandlung von Bandscheibenvorfällen zur operativen Wirbelsäulenversteifung verwendet.

Die intrakardiale Pumpe aus bioinertem Aluminiumoxid versorgt nach einem Herzinfarkt oder einer Herzoperation das Herz mit Blut. Die Anwendung wurde von TU Wien und der Medizinische Universität Wien entwickelt.

Das verwendete Aluminiumoxid LithaLox HP 500 zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit sowie 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.

Durch bioinerte Hochleistungskeramiken mit perfekter Oberflächenqualität kann beispielsweise die Zellinteraktion an Bauteilen mit direktem Blutkontakt minimiert und eine Blutgerinnung verhindert werden.

Ein Autounfall, der zu einem Schädel-Hirn-Trauma führt, kann zur Notwendigkeit einer Druckentlastungsoperation (Trepanation) führen, um das Leben des Patienten zu retten. Der entfernte Schädelknochenbereich muss ersetzt werden.

Die LCM-Technologie bietet mit den LithaBone Materialien die Möglichkeit, patientenspezifische bioresorbierbare Implantate für eine schnellere Heilung herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht der 3D-Druck die Fertigung eines miteinander verbundenen Porennetzwerks, in dem die Größe und Form der Poren so gestaltet werden kann, dass sie den Heilungsprozess optimal unterstützen. Zellen können in diese Poren eindringen, neue Blutgefäße bilden und anschließend das Implantat resorbieren, um natives Knochengewebe zu regenerieren. Im Gegensatz zu anderen Lösungen auf dem Markt, die z.B. auf Rinderknochen basieren, stammen LithaBone-Materialien nicht aus tierischen Quellen und sind daher vegan.