Salz und Magnesium

Für Knochenimplantat: Salzgerüst aus dem 3D-Drucker

Forscher von der ETH Zürich haben mithilfe eines 3D-gedruckten Salzgerüstes Magnesium mit strukturierter Porosität hergestellt. Dieses eignet sich hervorragend für bioabbaubare Knochenimplantate.

Knochenimplantat

Wie macht man aus Salz und Magnesium (links) ein Knochenimplantat mit regelmässig strukturierten Poren (r.)? ETH-Forschende entwickelten dazu ein Verfahren über ein Template aus 3D-gedrucktem Salz (Mitte). | Laboratorium für Metallphysik und Technologie / Komplexe Materialien / ETH Zürich

Normalerweise werden bei komplexen Knochenbrüchen oder sogar fehlenden Knochenteilen Metallimplantate von den Chirurgen eingesetzt. Neben Titan, welches sich als Material mit dem Gewebe weder chemisch noch biologisch verbindet, bietet sich auch Magnesium und seine Legierungen an. Der Vorteil liegt dabei, dass der Körper das Leichtmetall unproblematisch abbauen und das Magnesium als Mineralstoff aufnehmen kann. Eine zusätzliche OP zur Implantatsentfernung ist somit nicht mehr nötig. Für eine rasche Heilung sollte das Implantat oder dessen Oberflächen so beschaffen sein, dass sich knochenbildende Zellen gut darauf ansiedeln oder in das Implantat einwachsen können.

Neue Magnesiumimplantate

Materialforscherinnen und –forscher der ETH Zürich haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um Magnesiumimplantate herzustellen, die über zahlreiche regelmäßig angeordnete Poren verfügen und dennoch stabil sind. Die genaue Entwicklung der Forschung wird bald in der Fachzeitschrift Advanced Materials publiziert.

Um eine poröse Grundstruktur zu erhalten, druckten die Forschenden zuerst mit einem 3D-Drucker ein dreidimensionales Gittergerüst aus Salz. Reines, herkömmliches Salz hat jedoch nicht die notwendigen Eigenschaften zum Drucken – deswegen wurde eine gelartige Salzpaste entwickelt. Der Durchmesser der Gitterstreben und deren Abstände ließen sich beim Druck nach Bedarf einstellen. Um die Salzstruktur zu festigen, wurde sie im Anschluss des Drucks gesintert. Beim Sintern werden feinkörnige Stoffe bis kurz unter den Schmelzpunkt erhitzt, sodass die Struktur des Werkstücks erhalten bleiben.

3D-gedrucktes Salzgerüst
3D-gedrucktes Salzgerüst (links, Massstab: 1 mm), in welches in einem weiteren Schritt Magnesiumschmelze infiltriert wird. Nach dem Auswaschen des Salzes bleibt Magnesium mit regelmässig angeordneten Poren zurück (r.). | Laboratorium für Metallphysik und Technologie / Komplexe Materialien / ETH Zürich

Porengröße, Verteilung und Richtung im Material kontrollieren

Im nächsten Schritt infiltrierten die Forschenden den Porenraum zwischen den Salzstreben mit Magnesiumschmelze. „Dieser Rohling ist mechanisch sehr stabil und lässt sich durch Polieren, Drehen und Fräsen gut bearbeiten“, erklärt Jörg Löffler, Professor für Metallphysik und Technologie am Department Materialwissenschaft. Im Anschluss der mechanischen Behandlung lösten die Forschenden Kochsalz heraus und erhielten somit das reine Magnesiumimplantat.

„Die Möglichkeit, die Porengröße und deren Verteilung und Richtung im Material zu kontrollieren, ist entscheidend für den klinischen Erfolg des Implantats, da knochenbildende Zellen gerne in solche Poren hineinwachsen“, erläutert Löffler. Damit ein Implantat schnell mit dem Knochen verwächst, komme es genau darauf an.

Kontrollierte Porengeometrie für andere Materialien?

Das neu entwickelte Verfahren zur Herstellung derartiger Hilfsstrukturen aus Salz lässt nebst der Infiltration mit Magnesium viel Spielraum für weitere Materialien. Die Co-Autoren Martina Cihova und Kunal Masania gehen davon aus, dass auf diese Art und Weise ebenso Polymere, Keramiken oder weitere Leichtmetalle mit einer kontrollierten Porengeometrie versehen werden können.

Die Idee für das neue Herstellungsverfahren entstand im Rahmen der Masterarbeit von Nicole Kleger. Ihre Arbeit wurde mit einer ETH-Medaille für herausragende Masterarbeiten ausgezeichnet. Mittlerweile arbeitet Kleger als Doktorandin in der Gruppe für Komplexe Materialien von ETH-Professor André Studart, unter dessen Anleitung das Salzgerüst 3D-gedruckt wurde. Im Rahmen ihrer Dissertation ist die Forscherin nun daran, das 3D-Druckverfahren weiterzuentwickeln.

Literatur:

Kleger N, Cihova M, Masania K, Studart AR, Löffler JF: 3D Printing of Salt as a Template for Magnesium with Structured Porosity. Adv. Mater. 2019, 1903783, DOI: 10.1002/adma.201903783.

 

Quelle: ETH Zürich