Cancertumörer, infektioner eller dåliga frakturer kan göra det nödvändigt att kirurgiskt avlägsna ben och sätta in implantat i deras ställe. I samarbete med europeiska partners, Fraunhofer-forskare har nu utvecklat en teknik med vilken benimplantat som är exakt passande, stabil och variabel i dimensioner kan 3-D-printas från en speciell plast. Hemligheten ligger i tryckprocessen, där de enskilda skikten behandlas med kall plasma för att förbättra bindningen av benbildande celler.

Medan konventionella ytbehandlingar med lågtrycks- eller atmosfärstryckstekniker har en begränsad penetration in i det inre av benimplantat, den nya metoden gör det möjligt att applicera en celltillväxtfrämjande beläggning även på implantatens inre. För detta ändamål, teamet av forskare vid Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST använder en plasmajet. Enheten blåser en kall stråle av plasma som innehåller reaktiva grupper direkt på de tryckta lagren. Aminogrupperna binder till ytan och säkerställer att benceller hittar ett lämpligt substrat som de lätt fäster vid. En unik egenskap hos tekniken är att 3D-utskrifts- och beläggningsprocesserna går hand i hand och kombineras i en enhet. Eftersom ingen kemisk förbehandling med lösningsmedel krävs för beläggningen, det är inte bara kostnadseffektivt, men också miljövänligt.

Ställningen som implantatet är byggt runt är gjord av en speciell sampolymer som är modellerad på det naturliga benet. 3D-utskriftstekniken tillåter mycket individuell, exakt passande design och stabilitet. "Vårt mål är att bencellerna ska växa in i den syntetiska strukturen så snabbt som möjligt och slutligen ersätta implantatet som gradvis bryts ned av kroppens egna enzymer, " förklarar Dr. Jochen Borris, som leder affärsenheten Life Science and Ecology på Fraunhofer IST.

Variabel tack vare sofistikerade fillers

Den mekaniska stabiliteten hos implantatet kan kontrolleras inte bara via densiteten hos den tryckta ställningsstrukturen, men också via speciella fyllmedel som tillsätts till sampolymeren:ju högre fyllmedelskoncentration, desto större stabilitet. "Denna utveckling av våra projektpartners från Maastricht University gör det möjligt att individuellt variera stabiliteten inuti implantatet. Liksom naturliga ben, implantat kan nu ha områden med olika styrkor, " säger Dr Thomas Neubert, chef för EU-projektet på Fraunhofer IST.

Dessutom, aktiva läkemedelsingredienser som antibiotika kan införlivas i fyllmedlet för att minska risken för infektion.

Projektgruppen har framgångsrikt slutfört projektstegen hittills; nu planerar man att modifiera tekniken och föra den till applikationsmognad. För närvarande, experimentupplägget är fortfarande i laboratorieskala.

"Vi arbetar just nu med att förenkla processen och göra den mer stabil. För att kunna fortsätta utvecklingen och genomföra kliniska studier, vi letar efter industriella partners, " säger Borris. Den innovativa tekniken erbjuder en stor potential för att anpassa benimplantat mycket exakt till patienternas individuella behov. "Med vår metod, vi kan kontrollera formen, porositet, mekanisk stabilitet och biomekaniska egenskaper väl och variera dem inom implantaten. Detta innebär att vi kan producera områden med olika styrkor eller porositeter, som också kan beläggas med olika funktionsgrupper." I framtiden, läkare skulle kunna formulera kraven för varje patient baserat på skannade bilder och skicka data till medicinska tryckerier, där de exakt passande implantaten sedan skulle skrivas ut.