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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(c) Enpulsion
(c) Enpulsion

Das am Wiener Flughafen ansässige Scaleup Enpulsion hat sich in den vergangenen Jahren eine beachtliche Position auf dem SpaceTech-Weltmarkt herausgearbeitet. Nach eigenen Angaben ist man mittlerweile Europas führender industrieller Hersteller für Weltraum-Antriebssysteme. Im Zentrum stehen dabei bislang elektrische Antriebe für Mikro- und Nano-Satelliten, die die „FEEP-Technologie“ nutzen, bei der flüssiges Metall (Indium) in winzige geladene Teilchen zerlegt und ausgestoßen wird. Mittlerweile bietet man zudem auch Antriebe für größere Satelliten mit bis zu 500 Kilogramm Gewicht an.

Konkurrierende Antriebssysteme

Diese elektrischen Antriebe, mit denen Enpulsion groß geworden ist, sind eine Alternative zu vielfach genutzten chemischen Antriebssystemen. Ein nun kommunizierter strategischer Schritt kann daher auf den ersten Blick durchaus verwundern: Mit Lift Me Off Ltd (LMO) aus dem Vereinigten Königreich will man ein Unternehmen zu 100 Prozent übernehmen, das auf chemische Weltraum-Antriebssysteme spezialisiert ist. Das Unternehmen ist unter anderem an den ESA-LEO-Missionen (Low Earth Orbit) und geplanten Mondmissionen beteiligt.

Über den Kaufpreis gibt es dabei keine Angabe. Erst im März dieses Jahres hatte Enpulsion eine 22,5 Millionen Euro schwere Finanzierungsrunde verkündet. Die aktuelle Transaktion muss noch von den britischen Behörden im Rahmen des National Security and Investment Act 2021 (NSIA) bewilligt werden. Der Abschluss wird für das dritte Quartal 2026 erwartet.

Mit Technologie-Kombination zum Komplettanbieter

Bei Enpulsion argumentiert man die Übernahme als strategischen Schritt, um hybride Antriebssysteme aus einer Hand anbieten zu können. Man wolle durch die Kombination mit dem konkurrierenden Antriebssystem einen „complete spacecraft mobility backbone“ aufbauen, wird Gründer und CEO Alexander Reissner in einer Aussendung zitiert: „LMO bringt Erfahrungen im institutionellen Bereich, ein talentiertes Team und eine komplementäre Technologiebasis im Bereich chemischer Antriebe und Tanksysteme mit.“ In Kombination mit den industriell produzierten elektrischen Antrieben könne man Kunden ermöglichen, ihre gesamte Weltraum-Mobilitätsarchitektur über einen einzigen Partner aufzubauen, so Reissner.

LMO-Chef Shaun Dormon sieht einen logischen Schritt für beide Unternehmen, die eine ähnliche Vision, aber unterschiedliche technologische Zugänge hätten. „Gemeinsam können wir eine Kombination aus hocheffizientem und agilem Manövrieren im Weltraum bei minimaler Komplexität schaffen“, so Dormon. Das LMO-Team, das im Harwell Space Cluster nahe dem ESA-Zentrum ECSAT angesiedelt ist, soll erhalten bleiben. Auch die laufenden Missionen werden weitergeführt.

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