04.07.2019

TU Wien erforscht Möglichkeit, Knochen per 3D-Druck herzustellen

Am Christian-Doppler-Labor an der Technischen Universität Wien loten Forscher die Möglichkeiten aus, Knochenersatz-Implantate per 3D-Druck herzustellen. Wir sprachen mit Stefan Baudis, Leiter des CD-Labors, über das Verfahren und über die Herausforderungen, die es noch zu lösen gilt.
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3D-Druck, Knochen, CD Labor, Stefan Baudis
(c) CD Labor - Johannes Stögerer und CD-Labor-Leiter Stefan Baudis (rechts) forschen nach Möglichkeiten um Knochen aus 3D-Druck herzustellen.

Health-Tech und die „Life Sciences“ haben in den letzten Jahren öfters Lösungen in der medizinischen Forschung aufgezeigt. Sei es ein bionischer Anzug oder eine Blutdruck-App, der Bereich schreitet rasant voran. Aktuell erforscht nun ein Team unter der Leitung von Stefan Baudis im neuen „CD-Labor für Fortschrittliche Polymere für Biomaterialien und den 3D-Druck“, wie man Knochen mittels 3D-Druck herstellen kann.

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Material für 3D-Druck gesucht

Der Grundgedanke dabei: Dem Patienten, dem durch Unfälle oder OPs Knochen im Gesicht, Kiefer und Schädel fehlen, selbige zu ersetzen. Die Schwierigkeit dabei ist, passende Materialien für den Aufbau von Knochen zu finden, die sich im 3D-Druck verarbeiten lassen. „Es gibt zwei Arten von Zellen“, erklärt Baudis im Gespräch mit dem brutkasten, „jene, die Knochen abbauen und jene, die sie aufbauen. Daher können Knochenbrüche ganz von selbst wieder verheilen.“ Die Idee daher: Ein Material zu entwickeln, das von Zellen besiedelt werden kann.

Knochengerüst innerhalb weniger Stunden

Baudis spricht in diesem Zusammenhang von einem Gerüst bzw. einer Gesamtstruktur für den Körper, die es körpereigenen Zellen erlaubt, das Material zu einem ganz normalen Knochen umzubauen. Ein beschädigtes Knochenstück ließe sich so mit modernen bildgebenden Verfahren präzise vermessen. Am Computer könnte man dann den gewünschten Knochenabschnitt genau auswählen, der 3D-Drucker würde dann innerhalb von einigen Stunden Schicht für Schicht ein Knochengerüst mit genau der richtigen Form erzeugen, das dann bei der Operation mit dem natürlichen Knochen verklebt wird.

„Implantat darf sich nicht abbauen, bevor Knochen aufgebaut ist“

Dabei gibt es jedoch noch einige Herausforderungen zu überwinden, wie der Experte weiter ausführt. Die Forscher wenden beim 3D-Druck das FDM-Verfarhen (Fused Deposition Modeling) an, bei dem ein Objekt schichtweise aufgebaut wird. Das künstlich hergestellte Knochengerüst muss sodann eine poröse Struktur haben, damit knochenaufbauende Körperzellen eindringen können und der Stofftransport funktioniert. Es muss fest, aber nicht zu spröde sein, damit es nicht sofort bricht und vom Körper in überschaubarer Zeit abgebaut werden kann. Und am Ende, wenn es durch natürlichen Knochen ersetzt wurde, soll vom Gerüst nichts mehr übrig bleiben. Außerdem sollen Partikel aus Calciumphosphat bereits im Gerüst eingebaut sein, die dann in das Knochenmaterial umgewandelt werden. „Das Implantat darf sich nicht abbauen, bevor der Körper den Knochen aufgebaut hat“, sagt Baudis.

Bioresorbierbare Keramik als Knochenersatz

Das Material muss zudem bei Raumtemperatur flüssig bleiben, bis es mit Licht der passenden Wellenlänge bestrahlt wird. Dadurch wird dann eine chemische Kettenreaktion ausgelöst, die das Material genau an den bestrahlten Stellen aushärtet (Stereolithografie). Zu diesem Zweck arbeiten die Forscher mit Lithoz, einem Technologieanbieter für 3D-Druck für Hochleistungskeramik und bioresorbierbare Keramiken,zusammen. Deren Materialien – Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit – sind keramische Werkstoffe, die sich aufgrund ihrer osteokonduktiven und bioresorbierbaren Materialeigenschaften als Knochenersatzmaterial eignen.

„Noch in Kinderschuhen“

Zwecks klinischer Umsetzbarkeit des Vorhabens wird das Projekt von der Trauma Care Consult Traumatologische Forschung Gemeinnützige Gesellschaft (TCC) unterstützt. Und wie lange wird es dauern, bis der 3D-Druck-Knochenersatz weitläufig nutzbar wird? „Wir stecken noch in den Kinderschuhen und betreiben Grundlagenforschung“, sagt Baudis: „Das CD-Labor ist eine große Chance, an dessen Ende wir hoffen, ein Baukasten-System entwickelt zu haben, mit dem wir die Abbaugeschwindigkeit des Materials regulieren können.“


⇒ Christian Doppler Forschungsgesellschaft

 

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Chris Müller steht vor einer Präsentation und redet in ein Mikro. (c) Tobias Zachl
Chris Müller bei der Präsentation von Horizont Steyr. (c) Tobias Zachl

„Je komplexer die Welt um uns herum wird, desto mehr sehnen wir uns nach Orten, die die Menschen schon lange prägen“. Mit dieser Vision startet Chris Müller von CMb.industries gemeinsam mit der Stadt Steyr in das neue Projekt Horizont Steyr. Bekannt ist Müller in der Szene vor allem seit seinem erfolgreichen Projekt der Tabakfabrik in Linz, wo heute einer der wichtigsten Startup-Treffs Österreichs anzufinden ist.

„Wie bei der Tabakfabrik, von den Tabakwaren hin zu rauchenden Köpfen, soll in Steyr ein Ort der Unfreiheit zu einem Ort der Freiheit werden“, so der Plan. Auf dem Areal in der Berggasse befand sich im 17. Jahrhundert ein Kloster, bevor die Räumlichkeiten rund 200 Jahre lang als Gefängnis dienten.

Sollte das Projekt den Gemeinderat im Herbst passieren, wird 2029/2030 mit der Fertigstellung von Horizont Steyr gerechnet.

Zuerst war es ein Kloster, dann über 200 Jahre ein Gefängnis. Müller plant nun einen Startup-Hub. (c) Tobias Zachl

Milieu aus Industrie, Infrastruktur und Verständnis

„Die Stadt Steyr kommt mit einem industriellen Erbe“, hebt Müller den Standort hervor. „Hier kommt ein Milieu zusammen aus Industrie, aus Infrastruktur, aus Mobilität, Nachhaltigkeitsthemen, aus Internationalität und auch aus der Fachhochschule. Hier muss man einfach innovativ sein.“ Der Standort ist vor allem durch Leitbetriebe wie BMW, AVL List, BMD, SKF und Steyr Automotive bekannt.

Auf dem rund 3.000 Quadratmeter großen Gelände rund um die Berggasse sollen künftig Büros, Coworking-Spaces und Begegnungszonen für Startups sowie junge Unternehmen entstehen, wie brutkasten bereits berichtete. Gemeinsam mit Tp3 Architekten will Chris Müller die alte Immobilie zu einem „Ort der Begegnung und der Entwicklung von Zukunftsprojekten“ umgestalten und damit auch den Wirtschaftsstandort Steyr stärken.

„Unsere Orte sind kuratierte Orte“

Müller versteht den zukünftigen Hub als eine Produktionskette. „Wir haben uns gedacht, wir nehmen Wände weg und verbinden die einzelnen Gebäude, wir bringen die Freiheit hinein“, so der Projektentwickler. Im letzten Trakt der Gebäudereihe befindet sich das alte Theater der Stadt. Diesen Ort sieht Müller als zukünftigen Präsentationsraum mit einem Fassungsvermögen von 300 Menschen.

Eines der wichtigsten Learnings, die der Oberösterreicher aus seinem Projekt der Tabakfabrik in Horizont Steyr mitbringt, ist das Schaffen kuratierter Orte. Im Vordergrund stünde nicht die reine Vermietung von Büros, es ginge vielmehr um das Zusammenspiel der einzelnen Firmen. „Wir fragen nach den Bedürfnissen der Interessent:innen, was sie brauchen, aber natürlich auch, was sie sich von diesem Ort erwarten. Wir nehmen nicht alle rein, nur weil sie bezahlen.“

Das alte Theater könnte für zukünftige Präsentationen und Talks genutzt werden. (c) MecGreenie

Bereits 70 Prozent vorvermietet

Laut Angaben von Müller sind bereits 70 Prozent der Räumlichkeiten vorvermietet, für knapp 2.000 Quadratmeter der Fläche sind bereits Letters of Interests unterschrieben worden. Müller erwähnt dabei, dass ständig neue Anfragen kommen.

Für Interessierte an den Räumlichkeiten gibt es hier mehr Informationen.

Das Projekt Horizont Steyr soll von CMb.industries gemeinsam mit den Tp3 Architekten umgesetzt werden. (c) Raffael Portugal
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