Individuell angepasst und stabil

Das Nano-Argovia-Projekt CerInk zielt auf individuell hergestellte Knochenersatzmaterialien, die dem natürlichen Knochen sehr nahekommen

 

Agnese Carino, Doktorandin am PSI und Mitarbeiterin im Nano-Argovia-Projekt CerInk (M. Fischer, Paul Scherrer Institut)

Der Mensch besitzt über 200 verschiedene Knochen, die unterschiedlich gebaut sind und bestimmte wichtige Funktionen im Körper erfüllen. Kommt es aufgrund von Unfällen, Entzündungen oder Tumoren zu Defekten am Knochen, besteht die Möglichkeit den beschädigten Knochen oder Teile davon durch künstliche Knochen zu ersetzen. Da es grosse individuelle Unterschiede zwischen verschiedenen Patienten und Knochentyp gibt, bietet es sich an, Knochenersatz mittels 3D-Druck individuell herzustellen. Die Anforderungen an optimale Knochenersatzmaterialien sind jedoch hoch. Sie müssen für den Patienten gut verträglich und lange haltbar sein. Zudem sollten sie leicht, aber trotzdem mechanisch stabil sein – kurzgesagt dem natürlichen Knochen möglichst nahekommen. Im Nano-Argovia-Projekt CerInk arbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Hochschule für Life Sciences der FHNW, des Paul Scherrer Instituts und der Aargauer Firma Medicoat AG eng zusammen, um derartige Knochenersatzmaterialien der Zukunft zu entwickeln.

 

Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften
Die menschlichen Knochen sind nicht homogen, sondern gekennzeichnet durch eine feste Aussenfläche mit einer dichten, mechanisch stabilen (kortikalen) Knochenstruktur und einer inneren, schwammartigen (trabekularen) Struktur, die als eine Art Stossdämpfer wirkt. Je nach Knochentyp variiert die Ausdehnung dieser verschiedenen Schichten. Auch für künstliche Knochen, die Patienten nach Unfällen oder Verletzungen eingesetzt bekommen, wäre solch ein mehrschichtiger Aufbau wünschenswert. Wissenschaftler der Hochschule für Life Sciences der FHNW, des PSI und der Firma Medicoat AG haben bereits wertvolle Erfahrung auf dem Gebiet der innovativen Knochenersatzmaterialien gesammelt und im 3D-Druckverfahren biokeramische Materialien mit Polymeren kombiniert, um natürliche Knochen nachzuahmen. In dem Nano-Argovia-Projekt CerInk untersuchten sie nun, wie beim Druckprozess verdichtete Schichten hergestellt werden können, die eine verbesserte mechanische Stabilität aufweisen. Die Wissenschaftler fügten dazu dem Ausgangsmaterial keramische Nanopartikel (Nano-Tinte) zu, die bei einem nachgeschalteten Sinterprozess unter hoher Temperatur eine Dichteveränderung bewirken.

Zwanzig Prozent sind nicht genug
Das Team, das anfänglich von Dipl.-Ing. Ralf Schumacher (ehemals FHNW) und später von Dr. Andrea Testino (PSI) geleitet wurde, verwendete als Gerüstmaterial für die synthetischen Knochen Kalziumphosphat – dem anorganischen Hauptbestandteil von natürlichen Knochen. Sie untersuchten zunächst verschiedene Nano-Tinten mit unterschiedlichen Konzentrationen an Kalziumphosphat-Nanopartikeln und biokompatiblen Sinterhilfen. Bei den Experimenten wurde nach einiger Zeit deutlich, dass beim 3D-Druckprozess die Verwendung von handelsüblichen Druckköpfen nur möglich ist, wenn die Nano-Tinte nicht mehr als 20 Prozent Kalzium-phoshat-Nanopartikel enthält. Damit liess sich jedoch die erwünschte Verdichtung des Ausgangsmaterial nicht erzielen.

Kartoffelstärke als Porenbildner
Im zweiten Jahr des Projektes änderten die Wissenschaftler daher ihre Strategie. Um herauszufinden, welche Nano-Tinte sich als Zusatz am besten eignet, stellten sie – ohne Druckvorgang – aus verschiedenen Materialkombinationen Probestücke her. Sie verwendeten dazu Kalziumphosphat als Grundsubstanz und kombinierten dieses mit Kartoffelstärke als Porenbildner und Bindemittel. Die Ausgangsmaterialien wurden gemahlen, getrocknet und mit unterschiedlichen Mengen an Kalziumphosphat-Nanopartikeln, Bioglas und kolloidaler Kieselsäure vermischt. Diese Sinterhilfen unterstützen im fertigen Knochenimplantat die Differenzierung und Vervielfältigung von Knochenzellen. Schliesslich pressten die Wissenschaftler diese Mischungen in eine Gussform. Durch eine erste Temperaturbehandlung verbrannten sie die Kartoffelstärke, sodass Poren im Material entstanden und die gewünschte Ausgangsdichte erzielt wurde. Im anschliessenden Sinterprozess testeten die Forscher drei verschiedene Temperaturen zwischen 1350° und 1450 ° Celsius. Insgesamt standen ihnen danach fast 150 verschiedene Proben zu Verfügung, deren mechanische Eigenschaften und Dichte sie untersuchten.

Erfolgreicher Ansatz
Die Wissenschaftler wählten dann unter den mehr als 5000 möglichen Kombinationen verschiedene Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung aus, um herauszufinden, wie stabil die Grenzfläche zwischen verschiedenen Materialkombinationen nach dem Sinterprozess ist. Sie konnten damit die geeignetsten Kombinationen für moderne Knochenersatzmaterialien in Bezug auf Sinterverhalten, Dichte und mechanischer Stabilität identifizieren. Anhand der morphologischen Untersuchungen mit optischen und Elektronenmikroskopen stellte das Forscherteam fest, dass der gewählte Ansatz erfolgversprechend ist und damit zwei Schichten unterschiedlicher Dichte und mechanischer Eigenschaften fest miteinander verbunden werden können.

«Wir haben im Nano-Argovia Projekt CerInk gezeigt, dass wir Knochenersatzmaterialien herstellen können, die dem natürlichen Knochen sehr ähnlich sind», bemerkt Projektleiter Andrea Testino. «Bei unseren Proben konnten wir einen synthetischen Knochen herstellen, dessen Eigenschaften auf der einen Seite der schwammartigen Knochenstruktur entspricht, auf der anderen Seite jedoch dem stabileren kortikalen Knochen nahekommt.» Auch Philipp Gruner, CEO des Industriepartners Medicoat, bewertet das nun abgeschlossene Nano-Argovia-Projekt als Erfolg: «Dank der Expertise unserer Projektpartner und der hervorragenden Zusammenarbeit sind wir in der Lage neue Wege zu gehen und wirklich innovative Produkte und Technologien zum Wohl der Patienten zu entwickeln.»