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Knochenimplantate 3D-Drucker mit Plasma-Jet

Der Ansatz, Knochenersatzstrukturen im 3D-Drucker nachzubilden, ist zwar nicht neu. Gleichzeitig die gedruckten Strukturen aber mit einem Plasma-Jet zu behandeln, schon. Was genau das bedeutet, wie es funktioniert und wer profitiert, erläutert Dr. Thomas Neubert im Interview mit COMPAMED.de.

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Beschichtung von Gerüststrukturen für Implantate mit einem Plasmajet.
Beschichtung von Gerüststrukturen für Implantate mit einem Plasmajet.
(Bild: © Fraunhofer IST, Falko Oldenburg)

Herr Dr. Neubert, welches Ziel verfolgen Sie am Fraunhofer IST mit diesem Projekt?

Dr. Thomas Neubert
Dr. Thomas Neubert
(Bild: © Fraunhofer IST, Ulrike Balhorn)

Thomas Neubert: Das Ziel ist es, Patienten, die zum Beispiel durch einen Unfall oder Krebs Knochenfragmente verloren haben, zu helfen. Der medizinische Ansatz für die Behandlung besteht darin, den Körper zu unterstützen, die verletzte Knochenregion selbst zu reparieren, indem man sogenannte Knochenscaffolds implantiert. Diese werden in unserem Ansatz nicht in Serie hergestellt, sondern für jeden Patienten individuell angepasst. Das geschieht mittels 3D-Druck und einem biologisch abbaubaren Kunststoff. Auf dieser polymeren Gerüststruktur sollen dann neue Knochenzellen wachsen. Die Gerüststruktur hat zum einen die Aufgabe, die mechanische Belastung des Knochens aufzunehmen, damit der Knochen möglichst schnell wieder belastbar ist. Zum anderen sollen in ihr neue Knochenzellen einwachsen. Das Implantat soll also nach und nach von neuem Knochenmaterial durchwachsen werden, während sich die gedruckte Gerüststruktur langsam auflöst. Die für solche Implantate verwendeten Polymere gibt es bereits länger. Unser Ziel ist es, die Oberflächenstruktur dieser Gerüste so zu behandeln und zu beschichten, dass sich Knochenzellen darauf wohlfühlen. Sie sollen möglichst gut daran anhaften und wachsen.

Das haben Sie mit kaltem Plasma erreicht. Was genau verändern Sie damit an der Oberfläche?

Neubert: Wir nutzen einen chemischen Gasphasenbeschichtungsprozess. In der Fachsprache wird dies kurz PECVD genannt. Das steht für „Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung“, welche wir in unserem Fall bei Atmosphärendruck durchführen. Wir verwenden einen sogenannten Präkursor - das ist eine gasförmige schichtbildende Substanz, welche energetisch angeregt werden muss, damit eine Schicht abgeschieden werden kann. Hierfür nutzen wir einen Plasma-Jet. Das ist eine Düse, durch die Gas geleitet wird. Das Gas wird so stark ionisiert, bis es leuchtet. Diese energetische Anregung kann es an die Präkursormoleküle weitergeben, die sich dann auf der Scaffoldoberfläche abscheiden. Der nur handwarme Plasmastrahl enthält Moleküle mit reaktiven Aminogruppen. Diese binden an der Oberfläche und sorgen dafür, dass Knochenzellen anhaften.

Erreicht das Gas jede Stelle des Gerüstes?

Neubert: Das Gas dringt relativ tief in die poröse Gerüststruktur ein. Es hängt davon ab, welche Präkursoren wir einsetzen. Wir haben hierzu verschiedene Untersuchungen gemacht. Es gibt unterschiedliche Eindringtiefen, das hängt auch von den Dampfdrücken der Präkursoren ab. Unser Ansatz realisiert eine Hybridtechnologie, bei der wir einen sehr kleinen (mit unserem italienischen Partner Nadir Srl entwickelten) Plasma-Jet verwenden, den wir in einen 3D-Drucker integriert haben. Wir beschichten in unserem Hybridprozess nicht abschließend die fertige Gerüststruktur, sondern beschichten bereits während des Druckprozesses.

Wie lange dauert die Herstellung eines Implantates?

Neubert: Dadurch, dass wir beide Systeme in einer Maschine zusammenfassen, rechnen wir mit einer produktionstechnischen Vereinfachung und somit dem Potenzial, Kosten einzusparen. Wir können das noch nicht quantifizieren, dafür ist das Projekt noch nicht weit genug fortgeschritten, aber das ist die Grundidee. Für Patienten ist es generell kein zusätzlicher Zeitfaktor. Der Druckprozess dauert nur einige Stunden. Die Planung einer OP dürfte schon wesentlich länger dauern.

Wie sehen ihre nächsten Schritte aus, um die Attraktivität des Implantates für Knochenzellen nachzuweisen?

Neubert: Es gibt bereits In-vitro-Tests bei Projektpartnern, in denen die beschichten Scaffoldstrukturen mit Osteoblasten besiedelt wurden. Diese Tests verliefen positiv. Neben diesen Versuchen sind des Weiteren auch Tierversuche geplant, in denen die Implantate überprüft werden. Wir am Fraunhofer IST werden schließlich den Druckerprototypen weiter stabilisieren. Das heißt, ihn so einsatzfähig zu machen, dass er mit nur geringem Einführungsaufwand von verschiedenen Personen betrieben werden kann. Natürlich hoffen wir anschließend neue Projektpartner zu gewinnen, um die Technologie weiter zur Marktreife zu entwickeln und später auch klinische Studien durchzuführen.

Das Interview wurde geführt von Simone Ernst, COMPAMED.de

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