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Technische Keramik
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Fotos: Fraunhofer IKTS
es verdunstet ohne vorher flüssig zu
werden. Durch die anschließende Wär-
mebehandlung entsteht ein fester kera-
mischer Schaum.
Biokompatibilität
in Studien bestätigt
Die Biokompatibilität und -verträglich-
keit dieser keramischen Schäume wur-
de in Zusammenarbeit mit dem Fraun-
hofer-Institut für Biomedizinische
Technik IBMT in-vitro getestet. Dabei
brachten die Wissenschaftler zunächst
Fibroblastzellen von Mäusen auf die ke-
ramische Oberfläche auf und belegten,
dass die Zellen prinzipiell auf dem
Keramikschaum überleben und darüber
hinaus sogar Stoffwechsel betreiben.
Um die nachgewiesene Biokompatibi-
lität auch auf menschliche Zellen über-
tragen zu können, wurden anschließend
humane mesenchymale Stammzellen
aus dem Knochenmark, sogenannte
Vorläuferzellen des Bindegewebes, ver-
wendet. Mithilfe eines Markers konnte
das Stoffwechselprodukt Kollagen auf
der Keramikoberfläche sichtbar ge-
macht werden, was auf eine aktive
Stoffwechselreaktion der Stammzellen
schließen lässt. Die Ergebnisse zeigen,
dass diese Stammzellen den Keramik-
schaum besiedeln und befähigt sind, in
unterschiedliche Zell- bzw. Gewebe-
typen, z. B. in Knochen- oder Muskel-
zellen, zu differenzieren. Dies ist ein
wichtiges Indiz für die Biokompatibilität
und -verträglichkeit dieser keramischen
Materialien.
Eine gedruckte Hülle für den Knochen
Im nächsten Schritt suchten die Forscher nun ein
Verfahren, um die porösen knochenähnlichen Struk-
turen mechanisch stabiler zu machen und zudem die
patientenspezifische Knochenform zu realisieren. Die
Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS nutzten dabei ih-
re langjährigen Erfahrungen im Bereich der additiven
Fertigung.
Mit dem ausgewählten 3D-Druckverfahren der Litho-
graphie-basierten keramischen Fertigung (LCM) ge-
lang es, einzelne Röhren, Halbschalen oder komplexe
knochenähnliche Hüllen zu drucken–und das aus den
gleichen Materialien wie die poröse Schaumkeramik.
Entsprechend der 3D-Daten wird ein blaues Lichtprofil
auf eine mit photosensitiven Monomeren gemischte
keramische Suspension projiziert und diese genau an
den belichteten Stellen ausgehärtet. Schicht für
Schicht entsteht so eine komplexe dreidimensionale
Struktur. Im letzten Schritt wurden die
beiden Verfahren miteinander kombi-
niert: In die gedruckten knochenähnli-
chen Hüllen wurde die keramische
Suspension gefüllt und mittels Gefrier-
schäumung aufgeschäumt. Eine Heraus-
forderung stellt noch die gemeinsame
Wärmebehandlung der beiden struktu-
rell unterschiedlichen Komponenten
dar. Hier gilt es, das unterschiedliche
Schwindungsverhalten der Materialien
so aufeinander abzustimmen, dass es
weder zu Rissen noch zu Verformungen
in der Komponente kommt.
„Im Ergebnis dessen entsteht eine kom-
plexe Struktur, die aufgrund der Ver-
bindung von dichter äußerer Hülle und
porösem Inneren den Weg zu persona-
lisierbaren knochenähnlichen Implan-
taten ebnet, die bioaktiv und robust
sind“, erklärt Dr. Matthias Ahlhelm, Wis-
senschaftler am Fraunhofer IKTS.„In na-
her Zukunft stehen erste In-vivo-
Versuche an, in denen eventuelle Ent-
zündungsreaktionen auf die kerami-
schen Knochen sowie das Einwachs-
verhalten untersucht werden«, führt
Ahlhelm fort. Hier arbeitet das Fraun-
hofer IKTS eng mit dem Fraunhofer IZI
zusammen.
Die am Fraunhofer IKTS entwickelten
keramischen Implantate könnten so zu-
künftig eine vielversprechende Lösung
für die wiederherstellende Chirurgie
sein, zum Beispiel bei Knochenkrebs-
patienten oder im Bereich Mund, Kiefer
und Gesicht. (em/tl)
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Poröse, gefriergeschäumte Knochenstruktur aus Hydroxylapatit.
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Replika eines Oberschenkelknochens aus Keramik.
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