Die Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung von Knochenimplantaten ist in auf verschiedene Arten und Weisen vorteilhaft. Neben der Herstellung von maßgeschneiderten Gewebegeometrien, die auf die Anatomie des Patienten zugeschnitten sind, ist die Technologie mit verschiedenen Materialien kompatibel. Diese weisen oft wünschenswertere Eigenschaften als herkömmliche Implantate auf, die häufig aus Titan bestehen. Forschende des University College London haben diesen Monat eine Studie veröffentlicht, in der sie untersuchen, wie das Zusammenspiel von Tintenzusammensetzung und Druckdesign die Struktur, Festigkeit und Bioaktivität von 3D-gedruckten bioaktiven Knochenimplantaten beeinflusst. Mithilfe eines speziell angefertigten DIW-Druckers (Direct Ink Writing) hat das Team Implantate entwickelt, die das Wachstum von Knochenzellen besser steuern und gleichzeitig die Stabilität gewährleisten. Diese Forschung baut auf anderen Studien auf, die zur Verbesserung der personalisierten Behandlung von Knochenreparaturen durchgeführt wurden.
Die im Journal Biomedical Technology veröffentlichte Studie zeigt, wie sich durch die Anpassung der Druckfarbe und der Art und Weise, wie das Material aufgetragen wird, die Festigkeit und das Heilungspotenzial von Implantaten verändern lassen. DIW ist eine extrusionsbasierte AM-Technologie, bei der im Gegensatz zu FDM, das auf die Erhitzung von Filamenten setzt, mit einer Tinte bei Raumtemperatur gedruckt wird. Den Forschenden zufolge sind ihre 3D-gedruckten Implantate mechanisch stabil und fördern gleichzeitig das Wachstum von Knochenzellen und die Bildung von neuem Gewebe.
Schemata der Studie
Resultate
Doch wie unterscheidet sich diese Studie von früheren Studien zu Knochenimplantaten? Nun, die Forschenden des University College London haben herausgefunden, dass sich die Implantate in nicht vorhergesehenen Weisen verhalten, wenn sie in unterschiedlichen Winkeln gedruckt werden. „Beim Fused Deposition Modeling, einem gängigen 3D-Druckverfahren, führt das Drucken von Filamenten in derselben Richtung wie die ausgeübte Kraft normalerweise zu einer höheren Festigkeit des Implantats“, erklärt der Hauptautor Hongyi Chen vom University College London. „Bei unserem Ansatz haben wir jedoch das Gegenteil festgestellt: Implantate, die in einem Winkel von 90 Grad gedruckt wurden, wiesen tatsächlich eine höhere Festigkeit auf, da die Filamente besser miteinander verbunden waren.“
Zusätzlich fügte das Team winzige Partikel von Laponit, einem Nanoton, zur Druckfarbe hinzu. „Diese Partikel machten die Farbe dickflüssiger, wodurch die gedruckten Formen ihre Gestalt besser behielten, und setzten gleichzeitig bioaktive Ionen frei, die das Anwachsen und Wachstum von Knochenzellen fördern“, erklärte Chen. Bemerkenswert ist, dass Implantate mit Laponit im Vergleich zu Implantaten aus reinem Polymer eine um 110 % höhere Steifigkeit aufwiesen. Darüber hinaus zeigten die knochenbildenden Zellen auf diesen Implantaten im Laufe der Zeit eine stärkere Proliferation und Mineralisierung. Mineralisierung bezeichnet die Einlagerung von Mineralien (Kalzium, Phosphor und andere) an Stellen der neu gebildeten organischen Knochenmatrix, was zu einer Erhöhung der Knochendichte führt.
Der maßgeschneiderte DIW Drucker (links) und die 3D-Modelle im Preview Mode auf UltiMaker Cura (rechts)
„Das Besondere an dieser Studie ist, dass wir nicht nur einen einzelnen Faktor isoliert betrachtet haben“, fügte Chen hinzu. „Durch die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen Tintenzusammensetzung, Druckausrichtung, Struktur, mechanischem Verhalten und Zellreaktion konnten wir erkennen, wie sich die Designentscheidungen in jeder Phase auf das endgültige biologische Ergebnis auswirken.“
Nächste Schritte
Im Wesentlichen präsentiert die Studie einen neuartigen Ansatz zur Entwicklung von Knochenimplantaten, der es Forschenden ermöglicht, mechanische Stabilität mit Bioaktivität zu kombinieren. Dies bietet potenzielle Vorteile für Bereiche wie die kraniomaxillofaziale Rekonstruktion und die dentale Knochentransplantation. In Zukunft wollen die Forschenden poröse und komplexere Designs untersuchen und präklinische Modelle testen. Wenn sich diese Methode als wirksam erweist, könnten patientenspezifische Implantate schnell in Krankenhauslabors oder direkt am Behandlungsort hergestellt werden. Weitere Informationen finden Sie in der Studie HIER.
Mineralization assessment of HOB cells
Vorherige Forschung zu 3D-gedrucktem bioaktiven Knochen Implantaten
Forschende entwickeln seit mehreren Jahren 3D-gedruckte Knochenimplantate. Zu den Projekten gehören eine Studie der University of Arizona aus dem Jahr 2019, in der 3D-gedruckte Knochen zur Behandlung von Frakturen untersucht wurden, die 3D-gedruckten Knochenimplantate von Particle3D und das Projekt ELAINE (Electrically Active ImplaNtatE) der Universität Rostock. Vor kurzem hat ein Team des Klinikum Dessau erstmals erfolgreich eine bioresorbierbare Schädelprothese implantiert. Insgesamt zeugt diese Aktivität von einem weltweiten Interesse an der Entwicklung personalisierter, mechanisch stabiler Knochenimplantate, die auch das Wachstum von neuem Gewebe fördern.
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*Bildverweise: Chen et al.