Implantate: 3D-Drucker mit eingebauter Plasmaquelle

Oberflächenfunktionalisierung über eine in die additive Fertigung integrierte Plasmaquelle. (Foto: © Fraunhofer IST, Falko Oldenburg)
Oberflächenfunktionalisierung über eine in die additive Fertigung integrierte Plasmaquelle. (Foto: © Fraunhofer IST, Falko Oldenburg)

Damit Implantate aus dem 3D-Drucker von den Körperzellen der Patienten angenommen werden und keine Abstoßungsreaktionen erfolgen, haben Fraunhofer-Forschende nun eine ganz besondere „Plasmabehandlung“ entwickelt. Sie kommt direkt im Drucker zum Einsatz.

Ob künstliche Hüftgelenke, maßgeschneiderte Herzklappen oder passgenaue Blutgefäße: Implantate, vor allem auf Basis sogenannter Scaffolds (3D-gedruckter Gerüststrukturen) spielen in der regenerativen und personalisierten Medizin eine immer größere Rolle. Hierbei ist es entscheidend, dass die Scaffolds gut von den Körperzellen angenommen werden und keine Abstoßungsreaktionen erfolgen. Die Voraussetzung hierfür kann eine Vorbehandlung mit Plasma schaffen. Im Leistungszentrum Medizin- und Pharmatechnologie haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST eine Lösung für diese Herausforderung entwickelt. Sie haben eine Plasmaquelle in einen 3D-Drucker integriert, sodass die Oberfläche modifiziert werden kann. Ziel ist es, die Scaffolds bereits während des Druckprozesses mit Plasma zu behandeln, um die gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. 

Veränderte Oberfläche beim 3D-Druck

Durch eine Behandlung mit Plasma lässt sich die Oberfläche der gedruckten Implantate bzw. der einzelnen Filamente verändern. Es bilden sich sauerstoffhaltige Gruppen. Sie verbessern die Benetzbarkeit des Scaffolds verbessern und erleichtern so auch die Verteilung der Zellen im und auf dem Scaffold. Wird dem Plasma noch ein sogenannter Schichtbildner zugesetzt, lassen sich auf den Gerüststrukturen zusätzlich funktionelle Gruppen erzeugen. Sie können eine chemische Bindung oder elektrostatische Wechselwirkungen mit ganzen Zellen oder Biomolekülen eingehen. So ist es dann zum Beispiel möglich, die Zelladhäsion zu verbessern oder Proteine, beispielsweise Antikörper an die Oberflächen zu binden. Die beschriebene Technologie ist nicht nur für die Implantologie interessant. Sie könnte auch bei Herstellung von 3D-gedruckten Arzneimitteln zum Einsatz kommen, wenn beispielsweise die Haftung zwischen unterschiedlichen Materialien eingestellt werden soll.  

Für die Plasmabehandlung wird eine Punktquelle, mit der die gedruckten Strukturen auf einer relativ kleinen Fläche hochaufgelöst modifiziert werden. Das Besondere: Die Quelle selbst klein genug, um in einen gebräuchlichen 3D-Drucker mit niedriger Bauhöhe integriert werden zu können. Dadurch lässt sich die Behandlung direkt mit dem Druckprozess koppeln, sodass er  ohne weitere Umbauten im Anschluss an den Druck einer Lage erfolgen kann. Langfristig planen die Forschenden den Einsatz einer Ringquelle, die um den Druckkopf herum montiert wird und dadurch eine Modifikation der Oberfläche unmittelbar während des Druckprozesses ermöglicht. Ein Prototyp des Druckers mit eingebauter Plasmaquelle ist auf der Compamed (14. bis 17. November 2022 in Düsseldorf) zu sehen.

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