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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Das Duramea-Gründer:innen-Team v.l.: Rene Maiberg, Chetna Madan, Viktor Hacker, Maximilian Grandi und Sebastian Rohde | (c) Duramea

Grüner Wasserstoff gilt bekanntlich als Energieträger der Zukunft für Industrie und Schwerverkehr. Tatsächlich wird der Großteil des aktuell weltweit genutzten Wasserstoffs nach wie vor aus fossilen Energieträgern hergestellt, ist also nicht grün. Ein Grund dafür, dass viele grüne Wasserstoffprojekte noch nicht über die Pilotphase hinauskommen, ist die Effizienz und die damit verbundene Wirtschaftlichkeit in der Erzeugung durch Elektrolyse. Hier setzt das TU-Graz-Spinoff Duramea mit seiner Membran-Elektroden-Einheit-Technologie an.

Wirkungsgrad von 75 auf 81 Prozent erhöht

„In der Theorie kann man aus einer Kilowattstunde Strom maximal eine Kilowattstunde Wasserstoff bekommen. In der Praxis haben aktuelle Technologien einen Wirkungsgrad von rund 75 Prozent, der Rest ist Abwärme. Mit unserer zum Patent angemeldeten Nanostrukturierung von Elektroden erhöhen wir den Wirkungsgrad auf etwa 81 Prozent – da Stromkosten einen wesentlichen Teil der Kosten von grünem Wasserstoff ausmachen, ist das ein wirtschaftlich sehr relevanter Fortschritt“, erklärt Duramea-Co-Founder und CTO Sebastian Rohde im Gespräch mit brutkasten.

Deutlich günstigere Rohstoffe als bei aktueller Spitzentechnologie

Bei der Wasserelektrolyse sind derzeit vor allem zwei Technologien etabliert: die klassische alkalische Elektrolyse und die PEM-Elektrolyse. Während die alkalische Technologie auf vergleichsweise kostengünstige Materialien zurückgreifen kann, ermöglicht die PEM-Technologie hohe Leistungsdichten und einen dynamischen Betrieb, benötigt jedoch teure Edelmetallkatalysatoren wie Iridium und Platin. „Die AEM-Elektrolyse hat das Potenzial, wesentliche Vorteile beider Technologien zu kombinieren“, erklärt Rohde.

Konkret kommt die AEM-Technologie (Anionen-Austausch-Membran-Elektrolyse) von Duramea mit deutlich günstigeren Eisen- und Nickel-Katalysatoren aus, ähnlich wie die alkalische Methode. „Sie hat aber eine Membran und damit Vorteile wie eine hohe Leistungsdichte und sauberes Gas“, so Rohde.

Erste internationale Kunden gewonnen

Dass man damit auch am Markt auf Interesse stößt, beweist das momentan zwölf Personen starke Spinoff schon jetzt. Es macht mit seiner Membran-Technologie bereits Umsätze, aktuell aber noch im kleineren Maßstab mit Kunden, die damit selbst Forschung und Entwicklung betreiben. Duramea liefert dabei die Membran-Elektroden-Einheit. Rohde zieht einen Vergleich: „Sie bauen den Motor, wir liefern den Kolben, also ein zentrales Bauteil, das für die Leistung, Effizienz und Haltbarkeit der gesamten Maschine ausschlaggebend ist.“

Nächste Ausbaustufe mit größerem Uni-Drucker

Später will man mit ebendiesem Bauteil zum Lieferanten für Elektrolyseur-Hersteller im industriellen Maßstab werden. Um in diese nächste Phase zu gelangen, braucht es für Duramea nicht nur das Feedback von den aktuellen Pilotkunden aus Forschung und Entwicklung. „Mit unseren Laborgeräten können wir die Einheiten momentan etwa in der Größe eines A4-Blatts mit einer Leistung im Kilowatt-Bereich herstellen. Die TU Graz, wo wir Laborequipment mieten, schafft aber einen Drucker an, mit dem wir große Einheiten im Megawatt-Bereich herstellen können. Dann wird es erstmals spannend für industrielle Kunden“, so Rohde.

Duramea-Co-Founderin Chetna Madan und Mitarbeiter Jean Claude Koffi mit der Membran-Elektroden-Einheit | (c) Duramea

Investoren für die Skalierung

Gleichzeitig sei aber klar: „Das ist eine Uni und keine Produktionsstätte.“ Es stellt sich also auch die Frage der Finanzierung, um die Produktion skalieren zu können. Noch sei man, abgesehen von den ersten Umsätzen, überwiegend förderfinanziert, sagt Rohde. Jetzt sehe man sich erstmals auch nach Investoren um. Denn die Prognose ist klar: „Die Zahl der Elektrolyse-Anlagen wird in den kommenden Jahren steigen, auch in unserer direkten Umgebung.“ Für eine entsprechende Nachfrage sollte also gesorgt sein.


Disclaimer: Duramea gewann den brutkasten-Sonderpreis beim S&B Award 2026. Dieser Beitrag entstand mit dem gewonnenen Medienvolumen.

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