Keywords: LPBF, Medizintechnik, Zink, Magnesium, Bioresorbierbar, Intelligente Gitterstrukturen

Algorithmisches Design von Gitterstrukturen für bioresorbierbare Implantate

Medizinische Implantate werden häufig verwendet, um fehlende Körperteile zu ersetzen oder um Organe und Gewebe zu stützen. Für letztere Anwendung können bioresorbierbare Implantate verwendet werden. Diese Implantate bauen sich im Laufe der Zeit im Körper ab und erfordern keine chirurgische Entfernung. Zu diesem Zweck werden unter anderem bioresorbierbare und biokompatible Zink (Zn)- und Magnesium (Mg)-Legierungen verwendet, die sich durch körpernahe mechanische Eigenschaften und hohe Biokompatibilität auszeichnen. Diese Werkstoffe können im Hinblick auf das erforderliche mechanische und korrosive Verhalten von Implantaten abgestimmt werden.

Die Additive Fertigung, insbesondere das Laser Powder Bed Fusion (LPBF), ermöglicht die Verarbeitung bioresorbierbarer und biokompatibler Legierungen zur Herstellung patientenspezifischer und optimierter Strukturen, wie z. B. einem schwammartigen und porösen trabekulären Knochenersatz. Das Knochenimplantat wird als Gitterstruktur entworfen, die nicht nur auf die Anforderungen des Herstellungsprozesses, sondern auch auf die Anforderungen der Bioprozesse im Körper optimiert ist.

Am Lehrstuhl DAP wurde ein algorithmisches Werkzeug zur Erzeugung, Modellierung und Modifizierung von Gitterstrukturen entwickelt das automatisch alle Anforderungen berücksichtigt und somit den Designprozess und die Produktkompatibilität beschleunigt und optimiert. Es umfasst zwei Datenbanken mit Informationen zur Materialverarbeitbarkeit sowie biologischen patientenspezifischen Daten: Produktionsseitig werden bei den generierten Gittern der kritische Überhangwinkel, die minimale erreichbare Featuregröße und der Mindestabstand zwischen den Streben berücksichtigt. Da Biomoleküle und -flüssigkeiten mit den Implantaten interagieren und sich etwa je nach Geschlecht unterscheiden, werden auch die Informationen über das korrosive Verhalten der Patientenkörper berücksichtigt.

Auf diese Weise werden die Gitterstrukturen für die Implantate an die erforderliche Abbaubarkeit angepasst. Darüber hinaus können Gitterstrukturen (halb-)geometrieadaptiert gestaltet werden.