Foto: Stück Metall, halbrund, mit Löchern durchsät
Ein Stück "Kieferknochen" aus der
Lasersinter-Maschine - dem echten
in äußerer Form und innerer
Struktur nachgebildet; © IFAM

Von außen ähnelt sie einer großen Mikrowelle. Tatsächlich ist es eine Lasersinter-Maschine, mit der Forschern vom Fraunhofer-Institut Bahnbrechendes gelungen ist: Sie haben es geschafft, die porösen Strukturen im Inneren eines menschlichen Knochens mit Metall nachzubilden. Und das mit Rapid Prototyping. Mit dem Verfahren werden Prototypen mit Hilfe von dreidimensionalen Daten aus dem Computer schnell hergestellt, anstatt diese mühsam von Hand zu modellieren. 20 Jahre ist die Technologie alt, seit Mitte der 90er gab es die ersten Versuche in der Medizintechnik: Man stellte Modelle zur Planung von chirurgischen Eingriffen her – heute ist das ein etabliertes Prozedere.

Ganz besonders profitiert haben von dieser Technologie Gesichtschirurgen: „Alles, was man im Gesicht verändert, hat Auswirkungen auf elementare Funktionen wie Schlucken, Atmen oder Sprechen. Die Operation muss sehr genau geplant werden“, erklärt Professor Hans-Florian Zeilhofer, Leiter der Gesichtschirurgie des Universitätsspitals Basel in der Schweiz. Mit einem 3D-Modell des Schädels vom Patienten kann der Chirurg die Operation gedanklich durchgehen und mit dem realen Prototyp sogar trocken üben.

Selektives Lasersintern ist eine von vielen möglichen Techniken beim Rapid Prototyping-Verfahren. Das besondere an dieser noch recht jungen Technologie: Lasersinter-Maschinen können mit Metall arbeiten. Ältere RP-Techniken arbeiten mit Keramik, Kunststoff oder auch Papier. „Allen RP-Techniken ist aber eines gleich: Anstatt wie beim Bohren oder Fräsen Material zu formen, indem man von außen Stück für Stück Material abträgt, wird ein Modell schichtweise aufgebaut“, erläutert Professor Hermann Seitz von der Universität Rostock, ehemaliger Arbeitsgruppenleiter der Rapid Prototyping Group des Forschungsinstituts Caesar. Dadurch kann man nicht nur die äußere, sondern auch die innere Struktur bearbeiten.

Metall wichtiges Material für Implantate

Mit dieser Methode entstand auch der Kunstknochen des Fraunhofer-Instituts: Aus einem echten Knochen wird mit den Daten aus dem Computertomographen und einer spezielle Software ein virtuelles 3D-Modell erstellt. Das braucht man, um eine 20 Mikrometer dünne Schicht Metallpulver, die auf einer Platte im Lasersinter-Gerät aufgetragen und geglättet wird, zu bearbeiten. „Dafür kommt ein Laser ins Spiel“, erklärt Claus Aumund-Kopp, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung. Denn die Software zerlegt das virtuelle 3D-Modell in einzelne Schichten und sendet die Informationen an den Laser. Dieser gleitet das Metall ab und trifft dort auf, wo der Knochen im Computermodell feste Strukturen anzeigt – das Pulver verschmilzt. Wo der Knochen porös ist, trifft der Laser nicht auf, das lose Pulver wird später einfach abgeschüttelt. „Wenn eine Schicht fertig ist, beginnt das Spiel von vorn“, so Aumund-Kopp. Die Platte wird abgesenkt, neues Pulver aufgetragen, der Laser gesteuert, so lange bis alle Schichten des virtuellen 3D-Modells in echt nachgebildet sind.

Heute werden mit dem Verfahren aber nicht mehr nur Prototypen hergestellt, sondern fertige Produkte – das nennt sich dann Rapid Manufacturing und kommt bei der Herstellung von Hörgeräten schon jetzt zum Einsatz. Das Hörgerät wird individuell an den Gehörgang des Kunden angepasst. Auch in der Zahnmedizin ist die Technik schon in der Praxis angekommen: Kronen können passgenau hergestellt werden, um Brücken zu vermeiden.

In der Forschung will man aber noch viel mehr mit der Technik erreichen. Kunstknochen sollen irgendwann als individuell angefertigte Implantate im ganzen Körper eingesetzt werden können. Hier könnte das Lasersintern wichtig werden, weil sich als Knochenersatz neben Keramik besonders das sehr körperverträgliche Metall Titan anbietet: „Das Lasersintern eröffnet daher ganz neue Möglichkeiten in der Implantat-Forschung“, meint Zeilhofer.

In einigen wenigen Knochenpartien können Ärzte sogar bereits mit maßgeschneiderten Implantaten arbeiten – wenn das ersetzte Knochenstück nicht trägt. Zum Beispiel für den oberen Schädelknochen nutzt Zeilhofer schon Implantate für seine Patienten. Bislang waren sie aus Keramik. Durch das Lasersintern könnten bald auch Metallimplantate eingesetzt werden.

Kunstknochen mit lebenden Zellen verbinden

Wenn der Knochen aber einwachsen und sich mit Muskelfasern verbinden oder tragen muss, dann wird es schwieriger: Trotz hochleistungsfähiger Computer und Maschinen kann vieles noch nicht so klein und stabil wie in reale Knochen hergestellt werden. „Bis wirklich ein Knochen eins zu eins wie der echte aus der Maschine kommt, das dauert noch“, so Aumund-Kopp. Außerdem muss das Material körperverträglich sein. „Der Knackpunkt ist vor allem, dass das künstliche Material vom Körper nicht als Fremdkörper empfunden werden darf, sondern einwächst“, sagt Seitz.

Um das Material körperverträglicher zu machen, setzen viele Forscher daher auf die Verbindung von Rapid Prototyping und Tissue Engineering - menschliche Zellen, die im Labor kultiviert werden, um Gewebe nach zu züchten. Das mit RP hergestellte Implantat wird mit diesen menschlichen Zellen beschichtet. Eine blutige Flüssigkeit mit den körpereigenen Zellen läuft über die raue Oberfläche und in die Hohlräume, so dass sowohl innen als auch außen Zellstrukturen entstehen, die sich mit dem Gewebe im Körper verbinden sollen. Das hört sich leichter an, als es ist: Die Zellen wachsen nicht notwendigerweise an, und wenn sie tatsächlich wachsen, entsteht dadurch noch lange nicht automatisch das gewünschte Zielgewebe.

Zeilhofer testet solche lebendigen Implantate gerade im Tierversuch. Er hat Keramikimplantate mit Knochenzellen belebt und Schafen im Oberschenkelbereich und im Kiefer eingesetzt. „Im Zellversuch waren die Implantate voll biokompatibel. Im Tierversuch erwarten wir nun, dass sie sich wie körpereigenes Material verhalten“, berichtet er. Trotzdem ist es noch ein weiter Weg: „Tissue Engineering muss erst einmal beweisen, dass es anderen Methoden wie der Verwendung körpereigenen Knochens überlegen ist“, meint Seitz. „Ich schätze, dass es noch fünf bis zehn Jahre dauern wird, bis solche Knochenimplantate tatsächlich eingesetzt werden können.“

Anke Barth
COMPAMED.de