Eos Schnell, schneller, additiv – Entwicklung eines passgenauen Schädelimplantats

Redakteur: Kathrin Schäfer

Die Aufgabe: die Entwicklung eines passgenauen Schädelimplantats, das wärmeleitfähig und durchlässig für Flüssigkeiten ist. Mit Titan gar nicht so einfach. Mit additiver Fertigungstechnologie dennoch kein Problem.

Firma zum Thema

Schädelimplantat aus Titan: Die Porosität des Implantats beträgt 95 Prozent, sodass Flüssigkeiten mit wenig Widerstand abfließen und das Knochengewebe mit den Außenrändern verwachsen kann.
Schädelimplantat aus Titan: Die Porosität des Implantats beträgt 95 Prozent, sodass Flüssigkeiten mit wenig Widerstand abfließen und das Knochengewebe mit den Außenrändern verwachsen kann.
(Bild: Eos)

Ein Patient in Argentinien benötigt nach einer Schlaganfalloperation ein besonders großes Schädelimplantat: Dieses gilt es passgenau und verträglich zu gestalten. Biologische Funktionen müssen integriert werden. Mit der Entwicklung des Implantats beauftragt wird die Firma Novax DMA. Die Fertigung übernimmt der 3D-Druck-Dienstleister Alphaform – auf einem Laser-Sinter-System von Eos.

Bildergalerie

Priorität hat die Passform

Bei Implantaten im Schädel-Hirn-Bereich steht die Passform an oberster Stelle – und ist beinahe schon ein Klassiker für Anwendungsfälle aus dem Bereich der additiven Fertigung: Die schichtweise Fertigung über einen Laser, der das Material – in diesem Fall Titan – Stück für Stück aushärtet, macht individuelle Formen und Größen möglich. Passgenauigkeit ist jedoch nicht das einzige, was die Ärzte von den Medizintechnikexperten von Novax DMA und Alphaform verlangen. Weil die Knochenlücke so groß ist, müssen biologische Funktionen in das Implantat integriert werden. Außerdem darf es möglichst wenig Wärme an das Gehirngewebe abgeben.

Kein einfacher Werkstoff

Zwar ist Titan für den menschlichen Körper sehr verträglich. Weil es sich dennoch um Metall handelt, besteht bei starker Sonnenexposition jedoch die Gefahr, dass zu viel Wärme ins Körperinnere des Patienten gelangt. Zudem sind Titanstrukturen zunächst einmal nicht durchlässig für Gewebeflüssigkeit aus dem Gehirn.

Auch Folgeprozesse nach der eigentlichen Herstellung haben die Mediziner ins Lastenheft für das Implantat diktiert. Denn erst die perfekte Nachbehandlung – und hier insbesondere die Reinigung – ermöglicht den Einsatz im medizinischen Bereich. Sie ist wichtig, da anhaftende Partikel sich durch kleine Bewegungen vom Körper lösen und Infektionen oder Abstoßungsprozesse auslösen könnten. Zudem ist die absolute Keimfreiheit ein zentrales Kriterium für eine erfolgreiche Aufnahme des Implantats durch den Körper.

Porosität als Lösung

Die Antwort auf die Summe all dieser komplexen Herausforderungen ist eine poröse Struktur des Implantats. Denn ein gitterförmiges Implantat mit integrierten Anschraublaschen hin zum Schädelknochen wäre in der Lage, sowohl Flüssigkeiten durchzulassen als auch mit dem Schädel gut zu verwachsen. Darüber hinaus hätte ein solches Design eine isolierende Wirkung, sodass die Wärmeableitung ins Schädelinnere minimiert wird.

Gedacht, getan: Nachdem die grundlegende Struktur gewählt ist, gehen die Medizintechnikspezialisten in die Umsetzung über. Die Poren selbst sind etwa 1 mm groß, die Stegbreite beträgt etwa 0,2 mm.

Der Faktor Zeit

Daniel Fiz, CEO von Novax DMA, erinnert sich: „Zeit spielt in diesem Umfeld eine wichtige Rolle. Immerhin sollen Patienten ihr Implantat möglichst schnell erhalten. Nachdem wir die Informationen über die Dimensionierung erhalten hatten, begannen wir daher unmittelbar mit den Konstruktionsarbeiten.“

Beim 3D-Design des Implantats kommt die Software der Firma Within zum Einsatz. „Mit ihr ließen sich nicht nur die Grundform, sondern auch die poröse Struktur schnell definieren“, erklärt Kaveh Mahdavi, Business Development bei Within Ltd. Sobald die CAD-Arbeiten beendet sind, übernimmt Alphaform die Herstellung des Implantats. Zum Einsatz kommt hierbei eine Eosint M 280 von Eos.

Weiter auf der nächsten Seite

Bemerkenswert ist: Die eigentliche Bauzeit beträgt lediglich wenige Stunden. „Wir haben mit der Eos-Anlage bereits viele Projekte erfolgreich realisiert“, sagt Christoph Erhardt, Director Additive Manufacturing bei der Al-phaform AG. „Stolz sind wir bei diesem Implantat jedoch nicht nur auf die exakte Umsetzung der Form. Vor allem konnten wir die Reinigung optimieren.“ Gerade poröse Strukturen mit ihren innenliegenden Kleinhohlräumen sind nur sehr schwer zu säubern. Das genaue Verfahren ist deshalb entsprechend vertraulich.

Rein, porös und stabil

Grundsätzlich hat Alphaform einen mehrstufigen Prozess von abrasiver und mechanischer Reinigung, Spülungen und Ultraschall angewandt, um die medizinisch erforderliche Reinheit zu erlangen. Die Entwicklung des entsprechenden Prozesses hat ein halbes Jahr in Anspruch genommen.

Das Ergebnis: ein auf die individuellen Anforderungen des spezifischen Krankheitsbilds zugeschnittenes Implantat. Die Porosität erreicht 95 Prozent, sodass Flüssigkeiten mit wenig Widerstand abfließen können; zudem kann das Knochengewebe in die Außenränder des Implantats eindringen und mit ihm verwachsen. Gleichzeitig ist das Material stabil genug, um dem Patienten die erwünschte Normalisierung seines Lebens zu ermöglichen. Die als Regelgitter gefertigte Struktur erreicht darüber hinaus die erwünschten Wärmeleitfähigkeiten – damit sind für den Patienten auch Aufenthalte in der Sonne kein Problem.

Schnell, schneller, additiv

Bei all den Möglichkeiten zur Perfektionierung hat auch der Faktor Zeit eine kritische Rolle gespielt. Wird die Time-to-Market additiver Fertigungstechnologien im industriellen Umfeld bereits geschätzt, so kann sie ihre Stärken in der Medizin einmal mehr ausspielen. Denn das Implantat ist nach nur drei Wochen im Operationssaal. Den größten Block beansprucht der Transport von etwa einer Woche. Datenaufbereitung und Bauzeit sind in etwa zweieinhalb Tagen erledigt, die restliche Zeit entfällt auf unterschiedliche Abläufe im Bereich der Logistik und Abstimmung.

Geprüft und getestet

Den Reinheitsgrad können die beiden Unternehmen übrigens durch Messungen belegen. So lässt das Team um Christoph Erhardt unter anderem Partikel- und Zytotoxizitätstests durchführen. Darüber hinaus erfolgt eine Analyse im Gas-Chromatographen. „Alle Untersuchungen haben bestätigt: Das additiv gefertigte Implantat erfüllt die notwendigen Voraussetzungen, um dauerhaft die Schädeldecke des Patienten zu stabilisieren und zu schützen“, so Erhardt.

„Die eineinhalbstündige Operation im Mai 2014 verlief reibungslos. Der Patient konnte die Klinik bereits nach zwei Tagen verlassen, die Wunde ist nach drei Wochen verheilt. Seitdem traten keine Komplikationen auf“, schließt Erhardt.

(ID:43304087)