BioTPMS

Im ersten Projekt seiner Art wollen Wissenschaftler des Fraunhofer IWS in Dresden das aus der Natur bekannte Prinzip der »Dreifach periodischen Minimalflächen« (englisch: Triple Periodic Minimal Surfaces, TPMS) nutzen, um moderne additiv gefertigte Titan-Knochenimplantate mit optimierten bionischen Eigenschaften zu entwickeln. TPMS bezeichnen komplexe Flächengebilde, die periodisch geformte Geometrien mit minimaler Oberfläche aufspannen. Unter Hinzunahme additiver Fertigungsverfahren lassen sich so sehr leichte und zugleich hochbelastbare Strukturen herstellen. Sie eignen sich hervorragend für lasttragende, dauerhaft im Körper verbleibende Implantate wie Schädel- und Kieferplatten, Zwischenwirbelplatzhalter, Kreuzbein-Darmbein-Gelenkversteifungen sowie Dentalstifte. Der Machbarkeitsnachweis innerhalb des Projekts erfolgt anhand eines Zwischenwirbelplatzalters, eines sogenannten Cages, der beispielsweise für Fusionen von Lendenwirbelkörpern eingesetzt wird.

Die Herausforderung besteht darin, die anspruchsvollen aus der Natur adaptierten Zellstrukturen derart numerisch und visuell nachzugestalten sowie mittels additiver Verfahren nachzubilden, dass sie sich auf den konkreten Anwendungsfall übertragen lassen. »Gradierte TPMS-Strukturen stellen eine überlegene Alternative zu herkömmlichen Implantaten dar«, betont Dr.-Ing. Markus Wagner, Leiter der Arbeitsgruppe »Auslegung und Sonderverfahren« am Fraunhofer IWS. »Mit unserem neuartigen Ansatz lassen sich optimierte Implantat-Eigenschaften hervorbringen, die den hohen biomechanischen Beanspruchungen – also den horizontal und vertikal wirkenden Kräften – im menschlichen Körper deutlich besser standhalten. Gleichzeitig bewirken die naturinspirierten Implantat-Oberflächen eine höhere Biokompatibilität, indem sie das Anwachs-, Einwachs- und Durchbauungsverhalten der natürlichen Knochengewebestruktur fördern und das Durchblutungsverhalten unterstützen.« Die lokalen Gewebesteifigkeitsunterschiede innerhalb des Knochens und die unterschiedlichen Zellgrößen und -typen nachzuahmen, ist folglich eine zentrale Aufgabe, dem sich das Projektteam gemeinsam mit der SIGNUS Medizintechnik GmbH und der ProCon Medizintechnik GmbH ab September 2021 widmet.