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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refurbed, google
Kilian Kaminski, Co-Founder von refurbed und Ted Briggs, Lead for Sustainability Strategic Partnerships & AI Deployment bei Google. I (c) refurbed.

Wie refurbed mitteilt, könnten bald zahlreiche Laptops zu E-Waste werden, obwohl sie technisch einwandfrei funktionieren – weil sie die Hardwareanforderungen für Windows 11 nicht erfüllen und der Support für Windows 10 in weniger als einem Jahr ausläuft. Eine neue Studie von Fraunhofer Austria beziffert das Ausmaß des Problems: 41 Millionen Geräte in der EU, davon 690.000 allein in Österreich, sind von dieser technischen Überalterung betroffen.

refurbed-Co-Founder: „Grundlegendes Problem des heutigen Technikkonsums“

Deswegen wollen Google und refurbed mit einer neuen Partnerschaft die sichere Weiternutzung kompatibler PCs und Macs ermöglichen. „Allein in Österreich könnten bei einer um ein Jahr verlängerten Nutzungsdauer rund 20 Tonnen E-Waste und 5.381 Tonnen CO₂ eingespart werden“, heißt es per Aussendung.

Microsoft hat eigentlich den offiziellen Support für Windows 10 bereits letztes Jahr eingestellt. Erweiterte Sicherheitsupdates stehen jedoch noch bis zum 12. Oktober 2027 zur Verfügung. Danach erhalten betroffene Geräte keine weiteren Sicherheitsupdates über dieses Programm – unabhängig davon, ob ihre Hardware noch funktioniert.

„In einer Zeit des Klimawandels und wachsender E-Waste-Mengen sollten 41 Millionen funktionsfähige Laptops nicht allein deshalb ersetzt werden müssen, weil der Software-Support endet. Das steht allen Bemühungen entgegen, den weltweit wachsenden E-Waste einzudämmen“, sagt Kilian Kaminski, Co-Founder von refurbed. „Hier zeigt sich ein grundlegendes Problem des heutigen Technikkonsums. Wir können Software-Lebenszyklen nicht allein verändern. Aber gemeinsam mit Google wollen wir Nutzer:innen eine Lösung und mehr Wahlfreiheit bieten – und den bestehenden Geräten eine längere Lebensspanne ermöglichen.“

„Lebenszyklus verlängern“

Alexander Kuscher, Senior Director of Laptops & Tablets bei Google, sieht es ähnlich, wenn er sagt: „Millionen von Laptops nähern sich dem Ende des Supports für ihre Betriebssysteme, obwohl die Hardware noch funktioniert. Mit ChromeOS Flex und der Zusammenarbeit mit refurbed bieten wir eine nachhaltigere Möglichkeit, die Lebensdauer kompatibler Geräte zu verlängern, Geld zu sparen und unnötigen E-Waste zu reduzieren.“ Und Ted Briggs, verantwortlich für die Nachhaltigkeitsstrategie bei Google, ergänzt: „Unsere Nachhaltigkeitsstrategie basiert darauf, die tatsächlichen Auswirkungen unserer Produkte zu verstehen. Wir teilen und schätzen das große Engagement von refurbed, die Lebenszyklen von Produkten zu verlängern.“

Zur Erklärung: ChromeOS Flex ist ein cloudbasiertes Betriebssystem von Google für kompatible PCs und Macs. Es soll geringere Hardwareanforderungen als herkömmliche Desktop-Systeme stellen und integrierte automatische Sicherheitsupdates bieten.

Wer einen älteren Laptop oder PC besitzt, könnte in ChromeOS Flex eine Alternative finden, so der Claim. Das Betriebssystem von Google würde sich vor allem für Menschen eignen, die überwiegend im Internet surfen, Videos streamen oder browserbasierte Anwendungen wie Google Workspace und Microsoft 365 nutzen. Wer hingegen auf spezielle, lokal installierte Windows-Programme angewiesen ist, brauche dafür weiterhin ein herkömmliches System.

ChromeOS Flex ist kostenlos bei Google erhältlich. Alternativ soll das Betriebssystem bei refurbed.at als vorbereiteter USB-Stick angeboten werden, wofür laut Angaben eine Versandgebühr von drei Euro anfalle. Der Stick ermögliche es, ChromeOS Flex zunächst auszuprobieren, ohne es auf dem Gerät zu installieren. Ob ein bestimmtes Gerät mit dem System kompatibel wäre, lässt sich über die Kompatibilitätsliste von Google vorab prüfen.

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