Erforschung eines industriellen laserbasierten Nano-3D-Druckverfahrens für hierarchisch strukturierte Knorpel-Knochen-Implantate auf Polymerbasis (Poly-IMPLANT-Druck)

Medizintechnik

Auf dem linken Bild sieht man die schematische Darstellung eines biphasischen Implantats für die Therapie von Knorpel-Knochen-Defekten. Das Implantat besteht aus einer, in gelb dargestellten, Knochenphase und einer, in blau dargestellten, Knorpelphase, die unterschiedlich strukturiert sind, aber aus einem Stück gefertigt werden. Das rechte Bild stellt die Verwendung im Kniegelenk dar.

Erforschung eines industriellen laserbasierten Nano-3D-Druckverfahrens für hierarchisch strukturierte Knorpel-Knochen-Implantate auf Polymerbasis (Poly-IMPLANT-Druck)

Kompetenzen:

  • Implantate

    Knochen

    Knorpel

    Nanotechnologie

    Polymere

Koordinator:

  • Thomas Oberbach

    Mathys Orthopädie GmbH

Projektlaufzeit:

01.05.2019 - 30.04.2022

Aufgaben im Projekt

Mathys Orthopädie GmbH
Erforschung implantatspezifischen Operationsbestecks

IBA Heiligenstadt e.V.
Erforschung der Photopolymere und der 3D-Scaffolds

Multiphoton Optics GmbH
Erforschung eines 2PP-Verfahrens zum 3D-Druck des Implantates

Meidrix Biomedicals GmbH
Erforschung der Kollagenfunktionalisierung der Implantate

Universität Gießen
Erforschung der osteogenen Differenzierungsfähigkeit im Implantat

Beschreibung

Querschnitt eines Knochen-Knorpel-Implantats
Abb. 2: Designentwurf (Querschnitt) eines Knochen-Knorpel-Implantats zur Fertigung mittels 2PP (Höhe 10 mm, Durchmesser 7 mm) (Quelle: iba Heiligenstadt, FB Biowerkstoffe)

Problem

Defekte der Knorpelschicht sowie der darunter befindlichen Knochenanteile (altersbedingt, Unfälle oder Sportverletzungen) verursachen teils starke Schmerzen bei Patienten und schränken die Lebensqualität erheblich ein. Unser FuE-Ansatz verfolgt das Konzept biphasischer Implantate, die idealerweise sowohl die Knochen- wie auch die Knorpelphase eines Defektes optimal versorgen können. Dafür scheinen mechanische und biologische Strukturen eine wichtige Rolle zu spielen, die gezielt die Hierarchie der natürlichen Knochen- und Knorpelsubstanz wiederspiegeln können.

 

Lösung

Entwickelt wird ein auf der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) basierendes Nano-3D-Druckverfahren (MPO GmbH), dass erstmals die Herstellung biphasischer Implantate mit gezielt einstellbaren geometrischen und mechanischen Funktionen für die Knochen-Knorpel Therapie ermöglicht. Durch den Zusatz bioaktiver Fillings (Meidrix GmbH) in den 2PP-3D-Konstrukten sollen darüber hinaus biologische Eigenschaften der natürlichen Knorpel-Knochenmatrices realisiert werden. Dieser Lösungsansatz ermöglicht die gezielte Mikrostrukturierung eines 3D-Trägerkonstruktes bestehend aus Poly-((D,L)-Laktid-co-ε-Caprolacton)-Dimethacrylat [LCM] und alternativ aus laktidfreien Poly-(Amid-co-ε-Caprolacton)-Dimethacrylat [ACM] in Kombination mit der Einstellung der Materialsteifigkeit, der Bioaktivität des Biointerfaces, der Simulation der extrazellulären Matrix (ECM) und der Degradationsgeschwindigkeit und vereint alle wesentlichen Parameter, die aus heutiger Sicht für einen optimalen operativen (Instrumentarium: Mathys GmbH) Therapieansatz osteochondraler Defekte notwendig sind (FuE-Partner: Polymersynthese und Implantatdesign: iba Heiligenstadt e.V.; Zellbiologie und Tierexperiment: JLU Gießen).

Projektpartner

Mathys Orthopädie GmbH
FKZ: 13XP5089A

IBA Heiligenstadt e.V.
FKZ: 13XP5089C

Multiphoton Optics GmbH
FKZ: 13XP5089D

MEIDRIX Biomedicals GmbH
FKZ: 13XP5089E

Justus-Liebig-Universität Gießen
FKZ: 13XP5089F