Entwicklung von antibakteriellem 3D-gedrucktem Metall für chirurgische Implantate

Im Bereich des medizinischen 3D-Drucks wird häufig über den Wert von Kunststofffilamenten, Photopolymerharzen und Silikontechnologien gesprochen, die den Komfort und die Rehabilitation der behandelten Patienten unterstützen können. Ein Material, das im Bereich des medizinischen 3D-Drucks jedoch nicht übersehen werden darf, ist Metall. Die Verwendung von Metall im medizinischen Bereich ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Implantate, Operationen und einiger Prothesen, die den Patienten oft jahrelang oder sogar ein Leben lang begleiten können. Ein Problem bei medizinischen Teilen ist im Allgemeinen die Akzeptanz oder Abstoßung von Fremdmaterial bei der Interaktion mit dem menschlichen Körper, was zu unerwünschten Nebenwirkungen oder Infektionen führen kann. Um diese Probleme leichter zu bekämpfen, haben Forscher der Washington State University (WSU) ihren erfolgreichen Testdurchlauf eines 3D-gedruckten Metalls bekannt gegeben, das von Natur aus antibakteriell ist und die Möglichkeit eröffnet, das Material eines Tages für chirurgische Implantate zu verwenden.

In Tests konnte das 3D-gedruckte Metall 87% der infektionsverursachenden Bakterien abtöten, ohne seine Funktion als implantiertes medizinisches Gerät zu beeinträchtigen; das umgebende Gewebe stieß das neue Implantat nicht ab. Das WSU-Forschungsteam hofft, mit dieser Entwicklung die Ausbreitung von Bakterien bei häufigen Implantatoperationen, z.B. an der Hüfte oder am Knie, eindämmen zu können. Das Wachstum von Bakterien und die anschließende Infektion während und nach diesen Eingriffen ist die Hauptursache für die Abstoßung von Implantaten. Mit Materialien, die von Natur aus resistent und in der Lage sind, schädliche Bakterienzellen abzutöten, könnten sich die Ergebnisse für viele Patienten dramatisch verbessern.

Titan wurde in traditionell hergestellten und 3D-gedruckten medizinischen Bereichen verwendet. (Bildnachweis: TrabTech)

Das für gängige Operationen am häufigsten verwendete Standardmetall ist Titan, das keine nennenswerten antibakteriellen Eigenschaften aufweist und seit fast einem halben Jahrhundert ohne größere technologische Veränderungen regelmäßig in der medizinischen Industrie eingesetzt wird. Dies hat häufig zu postoperativen Infektionen geführt, die auf bakterielle Ablagerungen auf dem Implantat zurückzuführen sind. Die Gefahr ist nicht nur auf die Zeit auf dem Operationstisch beschränkt, sondern kann sich auch in den folgenden Wochen oder Monaten entwickeln. Im schlimmsten Fall sind die Patienten sogar gezwungen, sich erneut operieren zu lassen, um das Implantat entfernen und ersetzen zu lassen. Das vom WSU-Team hergestellte Metall würde jedoch solche drastischen Maßnahmen überflüssig machen, und der Patient müsste auch keine zusätzlichen Antibiotika mehr einnehmen.

Im Laufe von drei Jahren untersuchten die Forscher die medizinischen und funktionellen Eigenschaften des 3D-gedruckten Metalls. Das vom WSU-Team entwickelte Material ist ein Metallkonglomerat aus Titan, Tantal und Kupfer. Letzteres bewirkt, dass Bakterien absterben, wenn sie auf die Oberfläche des Metalls treffen. Die Verwendung von Tantal, das korrosionsbeständig ist, kann außerdem die Verbindung und das Wachstum von Zellen und Gewebe im implantierten Bereich fördern.

„Wir müssen etwas finden, bei dem das Material des Geräts selbst eine gewisse inhärente Resistenz bietet – mehr als nur eine medikamentöse Infektionskontrolle. Wir sagen, warum nicht das Material selbst verändern und eine inhärente antibakterielle Reaktion des Materials selbst erreichen?“ erklärt Professor Amit Bandyopadhyay, einer der Forscher und Autoren der Forschungsarbeit. Die Mitautorin Professor Susmita Bose fügt hinzu: „Der größte Vorteil dieser Art von multifunktionalem Gerät ist, dass man es sowohl zur Infektionskontrolle als auch für eine gute Integration in das Knochengewebe verwenden kann. Da Infektionen in der heutigen chirurgischen Welt ein so großes Problem darstellen, gibt es nichts Besseres als ein multifunktionales Gerät, das beides kann.“

Professor Bandyopadhyay ist Teil des Forschungsteams, das sich mit der Weiterentwicklung und den Eigenschaften des 3D-gedruckten Metalls befasst. (Bildnachweis: WSU Photo Services)

Die Forschung an dem 3D-gedruckten, bakterienresistenten Metall ist noch nicht abgeschlossen, da das Team hofft, die antibakteriellen Eigenschaften des Metalls von 87% auf 99% zu erhöhen. Das Team möchte auch die Lebensfähigkeit und Haltbarkeit des 3D-gedruckten Metalls in der realen Welt testen, und zwar für diejenigen, die möglicherweise mit dem Material ausgestattet werden. Erfahren Sie HIER mehr über die Forschungsarbeit des WSU-Teams.

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*Titelbildnachweis: University of Arkansas, System Division of Agriculture