Wirtschaftliche Herstellung individueller Implantate

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In den letzen Jahren wurde das Verfahren am Fraunhofer-ILT für die Verarbeitung von Titan und der Titanlegierung TiAl6V4 zur Herstellung von Implantaten weiterentwickelt. Die mit der Technologie hergestellten Bauteile werden mechanisch und biologisch charakterisiert und bereits umgesetzte Anwendungen dargestellt sowie das zukünftige Anwendungspotenzial exemplarisch aufgezeigt.

Titan dank hoher Biokompatibilität gut für Implantete geeignet

Für die Herstellung von medizinischen Implantaten werden die Werkstoffe Titan (Gd II) und die Legierung TiAl6V4 ausgewählt. Titan weist eine hohe Biokompatibilität und eine hohe Duktilität (A5 ~ 20%) auf. Die Al-V-Legierung weist hohe Festigkeiten (Rm ~ 1000 MPa) und hohe Biokompatibilität auf.

Für die Verarbeitung dieser Werkstoffe wird eine geeignete SLM-Prozessführung bestimmt, mit der Bauteile mit einer Dichte von etwa 99,9% hergestellt werden können. Dies ist notwendig, um die Serieneigenschaften der verwendeten Werkstoffe in Bezug auf Festigkeiten und Duktilität zu erreichen. Zur Vermeidung des Verzugs der Bauteile wird eine Vorwärmung in die Anlagentechnik integriert, sodass Temperaturgradienten während des Verarbeitungsprozesses verringert werden.

Medizinische Bauteile werden auf Zug- und Dauerbelastung getestet

Die hergestellten Bauteile werden auf Zug- und Dauerbelastung getestet. Mit einer an den Fertigungsprozess anschließenden Wärmebehandlung werden die Vorgaben der amerikanischen Norm ASTM F136 für die Festigkeit und Bruchdehnung der Titanlegierung TiAl6V4 erreicht (Bild 1 – siehe Bildergalerie). Neben den mechanischen Kennwerten, die im statischen Zugversuch bestimmt werden, ist insbesondere für dynamisch belastete Bauteile das Verhalten eines Werkstoffes unter wechselnden Lasten von Interesse.

Titanimplantate werden im Allgemeinen aufgrund der Bewegung des Menschen und der damit einhergehenden Belastung des Skelettsystems dynamisch beansprucht. Vor allem in der Endoprothetik (Gelenkersatz) und in der Wirbelsäule können Lasten auftreten, die das Körpergewicht um ein Vielfaches übersteigen. Die Ergebnisse der dynamischen Belastungstests (Umlaufbiegeversuch nach DIN 50 113) sind in Form von Wöhlerkurven in Bild 2 dargestellt. Die Dauerfestigkeiten (> 107 Zyklen) liegen bei > 400 MPa.

Implantate benötigen Dauerfestigkeiten > 400 MPa

Diese Werte sind vergleichbar mit Dauerfestigkeiten, wie sie zum Beispiel bei Bauteilen, die mittels Gießen hergestellt und anschließend mit heiß-isostatischem Pressen (HIP) wärmebehandelt werden, ermittelt wurden. Dementsprechend werden mit SLM mechanische Eigenschaften wie bei konventionell gefertigten Bauteilen erreicht.

Für die Anwendung der Implantate in der klinischen Praxis muss sichergestellt werden, dass durch die Verarbeitung mit SLM die Biokompatibilität des Werkstoffs nicht beeinträchtigt wird. Dazu werden zellbiologische Untersuchungen durchgeführt, bei denen humane Osteoblasten (Zellen zum Knochenaufbau) auf den generierten Bauteilen kultiviert werden und die Vermehrung (Proliferation) und Sterblichkeit (Zytotoxizität) der Zellen mit gefrästen Titanbauteilen verglichen werden.

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