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Fragestellung: Die Nachbildung von humanen Knochen, vor allem spongiösem Knochengewebe stellt die Entwickler von Knochenersatzmaterialien vor große Herausforderungen. Ziel der Studie ist daher die Entwicklung von biomechanisch validen Knochenmodellen mittels 3D-Druck auf Basis von standardisierten Materialprüfungen. Weiterhin wird die Funktionalität der Modelle anhand eines klinisch relevanten Szenarios überprüft.

Methodik: Um die Anisotropie und Inhomogenität der Knochenstruktur besser nachzubilden, wurden Knochenmodelle, bestehend aus einem 3D-gedrucktem Kern bestehen auf welchen ein Glasfaserlaminat aufgebracht wird. Für die Validierung des Modells wurden mit dem Fused-Filament-Fabrication (FFF) Verfahren Probekörper, bestehend aus einer Gyroidstruktur, aus unterschiedlichen Materialien (Polymilchsäure PLA, Acrylnitril-Butadien-Styrol ABS, Polycarbonat PC, Polymethylmethacrylat PMMA) und verschiedenen Dichten gefertigt.

Im Druckversuch zeigte sich eine gute Übereinstimmung des mechanischen Verhaltens der gedruckten Proben gegenüber humanen Knochenproben. Die Nachbildung der Kortikalis durch ein unidirektionales Glasfasergelege zeigt im 3-Punkt-Biegeversuch ein der Kortikalis ähnliches Materialverhalten, wenngleich die Stabilität des Systems deutlich über dem von Knochen liegt. Bei der biomechanischen Untersuchung des Gesamtsystems wurden femorale Prothesenschäfte unter kontrollierten Bedingungen in Kunstknochen und humane Spenderknochen eingesetzt und die dabei auftretenden Kräfte und Dehnungen aufgezeichnet.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Auswahl der verwendeten Füllgrade im Gelenkende des 3D-gedruckten Modellkernes fiel für die Materialien ABS, PLA und PMMA auf 40% Infill und für PC auf 35% Infill. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der Anisotropie der gedruckten Gyroidstruktur wurden die Modellkerne so im Druckraum ausgerichtet, dass der Schenkelhals in z-Richtung zeigt und der Gelenkkopf auf der Bauplattform aufliegt. Die 3-Punkt-Biegeversuche zeigen, dass die Laminatkomponente ein 1,8-mal höheres Modul, ein 3,25-mal höhere Biegefestigkeit und eine um den Faktor 1,3 höhere Biegedehnung als Knochen aufweist. Beim Einpressen der Hüftprothesen in den Knochen erreichen die Humanpräparate höhere Einpresskräfte als die Knochenmodelle. Betrachtet man den Verlauf der Kraft über die Eindringtiefe (s. Abbildung 1 [Abb. 1]) des Implantates in den Knochen so liegen alle Knochenmodelle im Bereich der Humanpräparate.

Die Modellprototypen zeigten alle ein dem Humanknochen sehr ähnliches Verhalten. Die Studie zeigt, dass durch das relativ günstige FFF-Verfahren valide Knochenmodelle erzeugt und deren Eigenschaften gezielt durch die Änderung des Füllgrades beeinflusst werden können.