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Plattform Life Sciences 2/2017 - Die Natur macht’s vor

Keramische Werkstoffe und Technologien für personalisierte Implantate

Märkte & Technologien Die Natur macht’s vor Keramische Werkstoffe und Technologien für personalisierte Implantate Die menschliche Lebenserwartung ist in den letzten 300 Jahren um etwa 30 Jahre gestiegen. Mit dem erhöhten, altersbedingten Rückgang von Körperfunktionen geht auch eine Reduktion der Dichte von Knochen einher. Sie werden fragiler und brechen leichter. Hinzu kommen unfall- und krankheitsbedingte Schädigungen unserer Stützstruktur. Daher erfordert es nicht nur der demografhische Wandel, neuartige Materialien, Methoden und Produkte zu entwickeln, die den zunehmenden Bedarf sowohl männlicher als auch weiblicher junger und älterer Menschen erfüllen können. Von Dr.-Ing. Matthias Ahlhelm dem Keramikschaum überleben und darü- ber hinaus sogar Stoffwechsel betreiben. Durch die Verwendung von humanen mesenchymalen Stammzellen aus dem Knochenmark, sogenannten Vorläuferzel- len des Bindegewebes, konnte die nach- gewiesene Biokompatibilität auch auf menschliche Zellen übertragen werden. Dabei ist mit Hilfe eines Markers das Stoff- wechselprodukt Kollagen auf der Keramik- oberfl äche sichtbar gemacht worden, was auf eine aktive Stoffwechselreaktion der Stammzellen schließen lässt. Diese besie- deln den Keramikschaum und sind ZUM AUTOR Nach dem abgeschlossenen Chemie- Studium an der Technischen Universität Clausthal begann Dr.-Ing. Matthias Ahlhelm im Jahre 2009 seine Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IKTS in Dresden. Seine Themen- felder umfassen nasse Formge bungs ver - fah ren (bspw. Schlicker guss, Gefrierguss, Granulierung), Additive Fertigung (speziell Selektives Lasersintern, SLS) und Schäu- mungs prozesse, insbesondere das Gefrier- schäumen. Seine wissenschaftliche Tätig keit führt er in der Arbeitsgruppe „Formgebung“ durch, unter der Leitung von Dr. Tassilo Moritz. Poröse, gefriergeschäumte Knochenstruktur aus Hydroxylapatit I ndividuell angepasste Implantate, die vollständig in den Körper integriert und langfristig durch eigene Knochensubs- tanz ersetzt werden, diese Vision soll Wirk- lichkeit werden. Möglich wird dies durch eine neuartige keramische Material- und Verfahrenskombination. Ein menschlicher Knochen besteht aus einer dichten und festen äußeren Hülle (substantia corticalis) und einer inneren porösen Füllung (substantia spongiosa). Diese von der Natur in Jahrmillionen opti- mierte Verbindung strukturell unterschied- licher Bereiche wurde nun durch die Ver- knüpfung zweier Formgebungsmethoden technologisch nachempfunden: Die patien- tenspezifi sch gestaltbare, feste äußere Hülle des Knochens kommt dabei aus dem 3D-Drucker. Die schwammartige innere Knochenstruktur wird durch einen kerami- schen Schaum nachgebildet. Vom keramischen Schaum zum Knochenimplantat In einem ersten Schritt wurden aus kera- mischen Materialien wie Zirkonoxid, kno- chenmaterialverwandtem Hydroxylapatit oder auch Mischungen aus beiden über die sogenannte Gefrierschäumung porö- se, knochenähnliche Strukturen entwi- ckelt (siehe Bild oben links). Für einen potenziellen Einsatz im Organismus wurde die Biokompatibilität und -verträg- lichkeit dieser keramischen Schäume in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer- Institut für Biomedizinische Technik, IBMT, invitro getestet. So ließ sich zu- nächst belegen, dass Zellen prinzipiell auf 30 ls 02-2017 „Personalisierte Medizin“

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