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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Reploid, Biogena, Herosan
Philip Pauer, CEO und Gründer von Reploid. I © Reploid

Die Luftfahrt steht vor einer der größten Umstellungen ihrer Geschichte. Die ReFuelEU-Aviation-Verordnung schreibt seit 2025 einen Sustainable Aviation Fuel-Anteil (SAF) von mindestens zwei Prozent bei Abflügen von EU-Flughäfen vor. Dieser Anteil steigt auf sechs Prozent im Jahr 2030, 20 Prozent im Jahr 2035 und 70 Prozent im Jahr 2050.

Nur 0,8 Prozent des globalen Kerosinbedarfs vom SAF-Anteil gedeckt

Weltweit werden 2026 erst rund 2,4 Millionen Tonnen SAF produziert. Das sind nur etwa 0,8 Prozent des globalen Kerosinbedarfs. Für das Netto-Null-Ziel der Luftfahrt braucht es bis 2050 jährlich rund 500 Millionen Tonnen.

Der Engpass liegt vor allem beim Rohstoff. SAF wird derzeit zu rund 80 Prozent aus Altspeiseöl hergestellt, das nur begrenzt verfügbar ist. Für das in Europa eingesetzte SAF stammen etwa 85 Prozent der Rohstoffe von außerhalb der EU, der größte Teil davon aus China. „Europa baut seine Produktion aus, bleibt beim Rohstoff aber stark von Importen abhängig. Das bringt Kosten, Emissionen und geopolitische Risiken mit sich“, heißt es per Reploid-Aussendung.

Reploid erhält Förderung

Deshalb erhält das Welser Scaleup von der FFG eine Förderung im sechsstelligen Euro-Bereich, um zu erforschen, ob sich Fett aus Larven der Schwarzen Soldatenfliege als Rohstoff für nachhaltigen Flugtreibstoff eignet. Die Larven verwerten dabei organische Reststoffe aus der Region.

Philip Pauer, CEO und Gründer der Reploid Group AG kommentiert: „Europa sucht händeringend nach Rohstoffen für nachhaltigen Flugtreibstoff. Dabei liegt beträchtliches Potenzial direkt vor unserer Haustür: in den organischen Reststoffen, die täglich anfallen. Mit unseren Insektenlarven machen wir daraus einen hochwertigen, regional verfügbaren Rohstoff. Dass die FFG dieses Projekt fördert, bestätigt unseren Weg. Wir wollen zeigen, dass Insektenfett ein relevanter Baustein für die Versorgungssicherheit und Dekarbonisierung der Luftfahrt sein kann, in Österreich, in Europa und weltweit“

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