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Additive Fertigung

Biokompatible Legierungen für das Laserstrahlschmelzen

| Redakteur: Dorothee Quitter

Die H.C. Starck Tantalum & Niobium GmbH hat Legierungen auf Titan- und Niob- bzw. Tantalbasis für den 3D-Druck entwickelt, die den höchsten Anforderungen patientenspezifischer Implantate entsprechen.

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen gasatomisierter Ampertec Spherical Ti-42Nb Pulver bei 100-facher Vergrößerung (links) und bei 1000-facher Vergrößerung (rechts).
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen gasatomisierter Ampertec Spherical Ti-42Nb Pulver bei 100-facher Vergrößerung (links) und bei 1000-facher Vergrößerung (rechts).
(Bild: H.C. Stark)

Die Additive Fertigung – auch 3D-Druck genannt – bietet die Möglichkeit, komplexe patientenspezifische Implantate herzustellen. Ein besonderer Vorteil des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, sie strukturell zu optimieren und die zu erwartenden Belastungen bestmöglich zu verteilen. Orthopädische- und Dentalimplantate sind hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Zwar weisen gängige Implantatmaterialien wie Edelstahl und Kobalt/Chrom-Legierungen ausreichende Dauerfestigkeiten auf, jedoch bestehen bei diesen Bedenken hinsichtlich der Abgabe allergener oder toxischer Bestandteile.

Herausforderung Biokompatibilität

Eine wichtige Voraussetzung bei allen Implantaten ist deren Biokompatibilität. Die in der additiven Fertigung eingesetzten Materialien dürfen keine negativen Auswirkungen auf den Organismus haben, da sie über einen langen Zeitraum im Körper verbleiben. Der Nachweis der Biokompatibilität der Ausgangsmaterialien ist ein zentrales Kriterium für die behördliche Zulassung der additiv gefertigten Implantate. Ampertec-Spherical-Ti-42Nb-Pulver sowie dessen tantalmodifizierte Varianten werden tiegelfrei durch induktives Schmelzen einer vorlegierten Elektrode mit simultaner Inertgasverdüsung (EIGA: Electrode Induction-melting Gas Atomization) hergestellt. Die sphärische Morphologie der Pulver macht es möglich, sie in gängigen 3D-Druckprozessen zu verarbeiten. Aus Ampertec-Spherical-Ti-42Nb-Pulvern lassen sich mit Hilfe des selektiven Laserschmelzverfahrens (LBM, Laser Beam Melting) Formkörper mit über 99,95% der theoretischen Dichte fertigen. Prozessbedingte innere Spannungen sind dabei sehr niedrig. Dementsprechend sind thermische Nachbehandlungen wie Diffusionsglühen oder heiß-isostatisches Pressen (HIP) meist nicht erforderlich. Laut H.C.Stark weisen die Gefüge der gedruckten Materialien, wie auch die der verdüsten Pulver, sehr feinkörnige Strukturen und eine extrem homogene Elementverteilung auf. Wie die Ausgangspulver kristallisieren die gedruckten Materialien ausschließlich in der kubischen β-Struktur. Auf der Basis rasterelektronischer Untersuchungen und mittels Röntgenspektroskopie können Heterogenitäten und eine Ausscheidung titan- oder niobreicher Phasen ausgeschlossen werden, so der Hersteller.

Mechanische Untersuchungen, insbesondere Zug- und Drucktests bestätigen eine hohe Zugfestigkeit bei zugleich hoher Elastizität. Die bessere Übereinstimmung der Elastizitätsmodule von Ti-42Nb und dem menschlichen Knochen führt zu einer verbesserten mechanischen Kompatibilität von Bewegungsapparat und Implantat. Dadurch wird der Effekt des „Stress-Shielding“, der mit einem allmählichen Abbau natürlicher Knochenstrukturen einhergeht, deutlich reduziert. (qui)

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