Anwendung des Monats: Neues 3D-Druckmaterial zur Herstellung verbesserter Knochentransplantate

Mit den Fortschritten bei der Erforschung von 3D-Druckmaterialien entstehen immer mehr innovative Projekte in einer Vielzahl von Branchen. Dieses Mal stellen wir Ihnen eine medizinische Anwendung vor, die mit der additiven Fertigung zusammenhängt und von Forschern der University of Waterloo entwickelt wurde. Das Team hat ein innovatives Material entwickelt, das die Eigenschaften von Knochengewebe nachahmt. Es soll die Behandlung von Patienten, die sich rekonstruktiven Operationen und Knochenreparaturen unterziehen, revolutionieren. Das neue Material, ein Biopolymer-Nanokomposit, kann in Harz-3D-Druckern verwendet werden, um maßgeschneiderte Knochentransplantate herzustellen, die speziell auf die Bedürfnisse des jeweiligen Patienten zugeschnitten sind.

Bei größeren chirurgischen Rekonstruktionen werden derzeit Metallimplantate und gespendete Knochen verwendet. Diese passen jedoch oft nicht perfekt zur Anatomie des Patienten und können vom Empfängerkörper abgestoßen werden. Aus diesem Grund wenden sich viele medizinische Zentren und Krankenhäuser neuen Technologien zu. Die Möglichkeit, dieses neue Material in 3D zu drucken, bietet eine Alternative, die den Bedarf an Metallimplantaten verringern, das Infektionsrisiko senken und die Akzeptanz des Transplantats durch den Körper des Patienten verbessern könnte.

Dr. Maud Gorbet bei der Beobachtung von Osteoklasten (Zellen, die Knochen zerfressen und abbauen) in einem 3D-gedruckten Nanokompositmaterial.

Verbesserte Knochentransplantate durch 3D-Druck

Das von den Forschern entwickelte Material enthält Nanopartikel, die die mineralische Zusammensetzung des Knochens simulieren und so das Biopolymer verstärken. Letztendlich sollen die Knochenzellen des Patienten wachsen und das Nanokomposit durch neuen Knochen ersetzen, sodass das Material auf natürliche Weise aus dem Körper ausgeschieden werden kann. Elizabeth Diederichs, PhD, Waterloo, erklärt: „Unsere Arbeit konzentriert sich derzeit auf die Verbesserung der funktionellen Stärke unseres Biopolymer-Nanokomposits als Implantat und seine Fähigkeit, mit der Zeit durch lebenden Knochen ersetzt zu werden. Ziel ist es, mit diesem Material die Notwendigkeit wiederholter Operationen für den Patienten nach einer Knochenrekonstruktion zu verringern.“

Zu diesem Zweck verwendeten sie den Sonic XL 4K Harz-3D-Drucker des Herstellers Phrozen. Mit diesem Gerät, das auf der mSLA-Technologie (Masked Stereolithography Apparatus) basiert, konnten medizinische Modelle mit einer Schichthöhe von 50 μm hergestellt werden. Nach Abschluss des Herstellungsprozesses wurden die Biopolymerteile mit Ethanol gespült und in einer UV-Härtungsstation nachbehandelt. Was die verwendete Technik betrifft, so versuchten die Forscher den Extrusionsdruck (direktes Schreiben mit Tinte), erzielten aber nicht die gewünschten Ergebnisse. Sie behaupten, dass die mSLA-Technologie im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren viel schneller ist und die Herstellung von Teilen mit viel weniger Fehlern und höherer Genauigkeit ermöglicht.

Das Forschungsteam, von links nach rechts: Dr. Dibakar Mondal, Elizabeth Diederichs, Dr. Maud Gorbet und Dr. Thomas Willett.

Erste Tests zur Kompatibilität mit Knochenzellen wurden in Zusammenarbeit mit Dr. Maud Gorbet, Professorin für Ingenieurwissenschaften und Leiterin des Studiengangs Biomedizintechnik in Waterloo, erfolgreich durchgeführt. „Jedes Material, das in den Körper implantiert wird, ruft eine Reaktion hervor“, sagt Gorbet. „Unsere Tests zeigen, dass die biologische Reaktion der Knochenzellen auf unser Biopolymer-Nanokomposit diejenige auf herkömmliche Methoden übertrifft. Sie haften, vermehren sich und behalten ihr Verhalten bei, was sehr spannend ist.“

Eine vielversprechende Zukunft

Dieser Durchbruch ist Teil der Health Futures-Initiative der University of Waterloo, deren Ziel es ist, Gesundheit und Wohlbefinden durch technologische Fortschritte, virtuelle Pflege und Gesundheitsdatenanwendungen zu verbessern. Mit diesem neuen Material erweitern die Forscher die Grenzen der Medizintechnik und insbesondere das Potential des 3D-Drucks. Der leitende Forscher Dr. Thomas Willett fasst zusammen: „Wir haben ein starkes, 3D-druckbares und kompatibles Material geschaffen, das das Potential hat, neues Knochengewebe zu bilden. Mit dieser Technologie können wir die patientenspezifische Geometrie erreichen, die für eine erfolgreichere Rekonstruktion von Knochendefekten erforderlich ist.“ Das Team bemüht sich nun um eine Finanzierung, um weitere Versuche durchzuführen und die behördlichen Genehmigungen zu erhalten, die für die Einführung der Technologie in den klinischen Bereich erforderlich sind. Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit den wichtigsten Informationen zu ihrem Ansatz für Knochentransplantate. Weitere Informationen zu den Neuigkeiten finden Sie HIER.

Bild: 3Dnatives

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*Bildnachweise: University of Waterloo