Exploiting the advantages of additive manufacturing processes in medical technology

Additive Fertigungsverfahren spielen im Bereich der Medizintechnik eine immer wichtigere Rolle. Sie ermöglichen es, der Nachfrage und dem Bedarf an patientenspezifischen Produkten gerecht zu werden. Die hohe Gestaltungsfreiheit additiver Fertigungsverfahren in Kombination mit CAE-Methoden wird genutzt, um Lösungsansätze für das bestehende Steifigkeitsproblem in der Hüftendoprothetik zu finden. Mittels spannungsangepasster Geometrien und der Finite-Elemente-Methode werden in einem iterativen Prozess steifigkeitsangepasste Varianten einer Kurzschaft-Hüftendoprothese entwickelt.

Eine Möglichkeit, die Steifigkeit des Implantats zu variieren, ist die Wahl des Materials. Es muss sichergestellt werden, dass das gewählte Material nicht nur die gewünschte Steifigkeit bietet, sondern auch die Erfüllung der Funktion durch ausreichend gute mechanische Eigenschaften gewährleistet. Ein Material, das die oben genannten Anforderungen erfüllt, ist die
Titan-Aluminium-Legierung Ti6-4, die sich durch selektives Laserschmelzen zuverlässig verarbeiten lässt. Auffallend ist der niedrige E-Modul im Vergleich zu anderen biokompatiblen metallischen Werkstoffen, was sich positiv auf die Steifigkeitsoptimierung von Implantaten auswirkt. Der Optimierungsprozess erfolgt durch systematische Veränderung des Querschnittsprofils der Hüftprothese zur schrittweisen Steifigkeitsanpassung. Das Ergebnis ist eine homogener belastete Knochenkontaktfläche, die eine stärkere Übertragung der Belastung auf den Knochen ermöglicht und den Knochenabbau durch Stress-Shielding reduziert.

Durch gezielte Nutzung der Potenziale des selektiven Laserschmelzens, insbesondere der Möglichkeit, filigrane innere Gitterstrukturen und variable Wandstärken sowie innere Hohlräume zu erzeugen, konnte eine steifigkeitsangepasste Kurzschaft-Hüftendoprothese entwickelt werden. Durch numerische Analyse der Belastungssituationen von Knochen und Implantat könnte das Problem des "Stress Shielding" und damit mögliche Probleme des Patienten reduziert und die zu erwartende Lebensdauer der Prothese
erhöht werden. Die steifigkeitsangepassten Hüftendoprothesen wurden mit numerischen Methoden auf ihre Funktionssicherheit überprüft. Die Erkenntnisse zur Steifigkeitsanpassung unter Ausnutzung der Möglichkeiten des selektiven Laserschmelzens können nun auf andere Bauteile übertragen werden. Gerade bei Implantaten ist das Problem der Steifigkeitsdifferenz zwischen Knochen und Implantat von immenser Bedeutung, aber auch technische Anwendungen können von diesen Überlegungen profitieren.