Titanschäume ersetzen verletzte Knochen

Der Mensch wächst mit seinen Aufgaben. Dasselbe gilt für seine Knochen: Werden sie stärker belastet, entwickelt sich dichteres Gewebe. Weniger stark beanspruchte Teile weisen eine geringere Knochendichte auf. Der Reiz der Belastung stimuliert das Wachstum der Matrix. Diesen Effekt wollen Mediziner künftig verstärkt nutzen, um Implantate dauerhafter und stabiler mit den Knochen des Patienten zu verbinden. Dafür muss der Knochenersatz so gestaltet sein, dass er ein Einwachsen begünstigt – mit Poren und Kanälen, durch die Blutgefäße und Knochenzellen ungehindert hindurch wachsen können.

Material der Wahl bei Implantaten ist Titan. Es ist langlebig, stabil und belastbar und wird vom Körper gut vertragen. Eher problematisch ist seine Verarbeitung: So reagiert Titan unter hohen Temperaturen mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Es wird spröde und brüchig.

Komplexe Innenstrukturen lassen sich mit den etablierten Verfahren noch nicht herstellen. Deshalb werden bei Defekten lasttragender Knochen hauptsächlich massive Titan-Implantate eingesetzt. Viele verfügen zwar über strukturierte Oberflächen, um Knochenzellen Halt zu bieten. Doch die Verbindung bleibt fragil. Hinzu kommt, dass massive Implantate andere mechanische Eigenschaften aufweisen: Sie sind steifer.

„Der angrenzende Knochen wird kaum noch belastet und bildet sich im schlimmsten Fall sogar zurück. Das Implantat lockert sich und muss ausgetauscht werden“, erklärt Doktor Peter Quadbeck vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden. Quadbeck koordiniert das Projekt „TiFoam“, in dem ein Titan-Werkstoff für neue Implantate entstand. In seiner schaumartigen Struktur ähnelt der Werkstoff der Spongiosa im Knocheninneren.

Der Titanschaum entsteht durch ein pulvermetallurgisches Abformverfahren: Offenzellige Schäume aus Polyurethan (PU) werden mit einer Lösung aus Bindemittel und feinem Titanpulver imprägniert. Das Pulver lagert sich an den Zellstrukturen der Schäume an. PU und Binder werden verdampft. Zurück bleibt ein Abbild der Schaumstrukturen, das schließlich gesintert wird. „Die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Titanschäume kommen denen des menschlichen Knochens sehr nahe“, berichtet Quadbeck. „Das betrifft vor allem die Balance zwischen hoher Festigkeit und geringer Steifigkeit.“

Ersteres ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung in Knochen, die Gewicht und Bewegung standhalten müssen. Eine knochenähnliche Steifigkeit leitet Belastungsreize weiter und fördert mit der Neubildung von Knochenzellen das Einheilen des Implantats. Dieses kann und soll deshalb sofort nach dem Einsetzen belastet werden.


MEDICA.de; Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft