Tantal- und Nioblegierungen für biokompatible Implantate

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Medizinische Implantate sind heute fester Bestandteil vieler therapeutischer Eingriffe und tragen wesentlich dazu bei, Mobilität, Funktionalität und Lebensqualität der Patientinnen und Patienten zu erhalten oder wiederherzustellen. Sie reichen von filigranen, kaum sichtbaren Komponenten bis hin zu größeren Strukturen und verbleiben oft dauerhaft im Körper. Damit ein solches Implantat zuverlässig funktioniert, muss es vom Organismus ohne Einschränkungen toleriert werden. Ist diese Verträglichkeit nicht gegeben, kann der Körper mit Entzündungsreaktionen und im schlimmsten Fall einer Abstoßung des Implantats reagieren. Biokompatible Werkstoffe und moderne Fertigungsverfahren, darunter insbesondere der 3D-Druck, ermöglichen die Herstellung von Implantaten, die diesen Anforderungen entsprechen und sich gezielt an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten anpassen lassen.

Ti-6Al-4V: Bewährter Standard mit biologischen Grenzen

Lange Zeit galt Ti‑6Al‑4V, eine Legierung aus Titan (Ti), Aluminium (Al) und Vanadium (V) als gesicherter Standard bei medizinischen Implantaten. Ti‑6Al‑4V zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie gute Langzeitergebnisse in klinischen Anwendungen aus. Noch heute bestehen über 90 Prozent aller Dental- und orthopädischen Implantate entweder aus diesem Material oder Reintitan. Trotz ihrer hohen mechanischen Leistungsfähigkeit garantiert die Legierung nicht immer eine gute Wechselwirkung zwischen Knochenstruktur und Implantat also eine zuverlässige Osseointegration (Einwachsen von Knochenstrukturen in die Strukturen des Implantats). Rund 20 Prozent der behandelten Patienten zeigt Reaktionen durch freigesetzte, zytotoxische Al- und V-Ionen, was bei den Betroffenen zu Infektionen und Entzündungen führt. Zudem besitzen Ti‑6Al‑4V-Legierungen eine viel höhere Steifigkeit als natürlicher Knochen. Der einhergehende Mangel an Elastizität kann in einer übermäßigen Entlastung des Knochens zum in Fachkreisen bezeichneten Stress Shielding führen. Im schlimmsten Fall resultiert dies in einer Rückbildung des Knochens und zur Abstoßung des Implantats.

Tantal und Niob: Biokompatible Alternativen

Verträgliche Alternativen zu Aluminium und Vanadium sind Tantal (Ta) und Niob (Nb). Beide Metalle bilden auf ihrer Oberfläche eine dichte und stabile Oxidschicht, die den Werkstoff zuverlässig vor Korrosion schützt und verhindert, dass Metallionen gelöst werden und in das umliegende Gewebe gelangen. Legierungen auf Basis von Tantal und Niob sind besonders biokompatibel und eignen sich hervorragend zum Einsatz in Implantaten, die dauerhaft im Körper verbleiben.

Ti‑Nb‑Ta‑Legierungen überzeugen darüber hinaus durch ihre hohe Duktilität, Elastizität und Festigkeit. Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen liegen deutlich näher an denen des natürlichen Knochens als die des Ti-6Al-4V. Für Patienten ergibt sich ein reduziertes Risiko von Entzündungen und einer Abstoßungsreaktion und langfristig eine bessere Integration des Implantats in das umgebende Gewebe.

3D-Druck für patientenspezifische Implantate

Der 3D-Druck ist für die Herstellung vom Implantaten bereits fest etabliert und mehr als 10% der orthopädischen Implantate nutzen die Vorteile, die durch diese innovative Technologie erreicht werden können. Die Implantate werden hierbei schichtweise aus Metallpulver hergestellt, wobei das Metall entweder mit Laser oder Elektronenstahl geschmolzen wird. Auf diese Weise entsteht das Bauteil präzise nach einem digitalen Modell, das genau auf die Anforderungen beim Patienten erstellt werden kann.

Die additive Fertigung bietet eine neue Gestaltungsfreiheit, die mit früheren Fertigungsmethoden nicht annähernd erzielt werden konnte und eignet sich daher besonders für patientenspezifische Implantate. Das digitale Modell kann sich direkt an individuellen CT- oder MRT-Daten orientieren und genau auf die anatomischen Gegebenheiten des einzelnen Patienten zugeschnitten werden. Dies bietet den Patienten einen enormen Vorteil.

Auf diese Weise lassen sich zahlreiche Strukturen erzeugen, darunter auch offenporige Bereiche mit einer gezielt einzustellenden Porosität von bis zu 70 Prozent. Die zugrundeliegenden Gitterstrukturen können im digitalen Modell exakt definiert und im Prozess gezielt umgesetzt werden. Solche porösen Strukturen sind für den Knochen besonders gut zugänglich und erlauben eine effiziente Integration von Knochengewebe in das Implantat. Darüber hinaus ist eine optimale Anpassung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Elastizität des Implantats an die Eigenschaften des umgebenden Knochens möglich.

Die additive Fertigung bietet eine weitgehende Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Bauteildesigns und eignet sich besonders für patientenspezifische Implantate. Die anatomischen Gegebenheiten des Patienten lassen sich schnell und sicher auf Basis von CT- oder MRT-Daten bestimmen.

AMtrinsic®-Pulver optimiert für additive Fertigung

AMtrinsic®‑Pulver der TANIOBIS GmbH spielen eine zentrale Rolle im medizinischen 3D-Druck. Sie bestehen aus gasverdüsten, sphärischen Tantal- und Nioblegierungen, die speziell für den Einsatz in der additiven Fertigung entwickelt wurden. Die Pulver weisen eine kugelige Partikelform, homogene Morpholgien und gute Fließeigenschaften auf, was eine gleichmäßige Schichtbildung und verlässliche Verarbeitung im Pulverbett ermöglicht. Auf dieser Grundlage lassen sich Implantatstrukturen herstellen, die die spezifischen Vorteile der eingesetzten Legierungen, wie etwa ihre hohe Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit, nutzen. Damit eignen sich die Werkstoffe für Implantate, die individuell an anatomische Anforderungen angepasst werden können und mit den verbesserten Eigenschaften und guter Verträglichkeit dem Patientenwohl dienen sollen. AMtrinsic®‑Pulver können in allen gängigen additiven Fertigungstechnologien verarbeitet werden, darunter Laserstrahlschmelzen, selektives Elektronenstrahlschmelzen und Laserauftragsschweißen.

Fazit: Additive Fertigung ist die Zukunft

Tantal‑ und Nioblegierungen vereinen eine hohe biologische Verträglichkeit mit mechanischen Eigenschaften, die denen des natürlichen Knochens deutlich näherkommen als herkömmliche Titanwerkstoffe. In Kombination mit der additiven Fertigung, die komplexe und patientenspezifische Implantatstrukturen ermöglicht, bieten sie ein erhebliches Potenzial für die nächste Generation medizinischer Implantate. Sie gelten daher als vielversprechende Werkstoffe für Anwendungen, die langfristige Stabilität, individuelle Anpassbarkeit und eine verbesserte Einheilung in das umgebende Gewebe erfordern.

Weitere Informationen finden Interessierte unter: www.taniobis.com.

Quelle: TANIOBIS GmbH