Knochenimplantate: 3D-Drucker mit Plasma-Jet

Der Ansatz Körperersatzteile mit einem 3D-Drucker, besonders Knochenstrukturen, zu drucken ist zwar nicht neu. Gleichzeitig die gedruckten Strukturen aber mit einem Plasma-Jet zu behandeln, um eine besondere Schicht in die Gerüststruktur einzubrigen schon. Am Fraunhofer IST konnte man nun genau dies realisieren.

Wer von der neuen Technik profitiert, wie genau der Druck vonstatten geht und wohin der Weg des Projektes weiter führt, erläutert Dr. Thomas Neubert im Interview mit COMPAMED.de.

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

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 (Scaffold, engl., zu Deutsch: Gerüst) 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 ist die Aufgabe vom Fraunhofer IST : eine Beschichtungstechnologie für diese porösen Polymergerüste mitzuentwickeln.

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 reaktive 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. Es werden immer ein oder mehrere Lagen gedruckt und dann fährt der Plasma-Jet über das Bauteil. Dann wird wieder gedruckt und so weiter. So stellen wir sicher, dass wir die gesamte Gerüststruktur behandeln.

Woher haben Sie den Prototypen?

Neubert: Unser System baut auf einer bestehenden Plattform eines Projektpartners (GeSiM – Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme mbH) auf. Dieses System wurde genutzt, um einerseits einen 3D-Drucker herzustellen und andererseits den Plasma-Jet zu integrieren, sodass diese beiden Prozesse quasi gleichzeitig in einem einzigen Gerät laufen können.

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.

Können herkömmliche 3D-Drucker ebenfalls mit einem Plasma-Jet umgerüstet werden?

Neubert: Mit herkömmlichen Geräten aus dem Baumarkt wird es sicherlich nicht gehen. Wir verwenden zum Drucken Polymergranulat, wodurch wir einen speziellen Granulatextruder benötigen, der hierfür entwickelt wurde.

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. Das wird bis Ende November 2019 geschehen. Natürlich hoffen wir anschließend neue Projektpartner zu gewinnen, um die Technologie weiter zur Marktreife zu entwickeln und später auch klinische Studien durchzuführen.