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Fragestellung: Wirbelsäulenimplantate wie Cages und Pedikelschrauben spielen eine entscheidende Rolle bei der Behandlung von Spondylodiszitis, allerdings hängt deren Erfolg von der Minimierung der postoperativen Infektionen ab. Polyetheretherketon (PEEK) hat sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität als neues Material für Implantate erwiesen. Zur Verbesserung der Osteointegration und Reduzierung der Bakterienadhärenz sind Oberflächenmodifikationen notwendig. In dieser Studie wird erstmals ein Prototyp eines Fused Filament Fabrication (FFF)-Druckers verwendet, der unter Hochvakuumbedingungen arbeitet, um Proben für medizinische Anwendungen herzustellen. Das Hochvakuum ermöglicht nicht nur eine bessere Bauteilqualität, sondern auch einen sterilen Herstellungsprozess. Am 3D-Druckkopf ist ein Beschichtungskopf für die Vakuumlichtbogendeposition integriert. So kann unmittelbar eine dünne metallische/keramische Schicht auf der Bauteiloberfläche in einem Herstellvorgang realisiert werden. Ziel ist es, mittels Beschichtung und Mikrostrukturanpassung die Infektionsresistenz von individuell 3D-gedruckten PEEK-Implantaten zu erhöhen und gleichzeitig die Osteointegration zu verbessern.

Methodik: Neue PEEK-Implantate mit Beschichtungen aus Titandioxid (TiO2), Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Zink (Zn) werden mittels 3D-Druck hergestellt. Die Schichten werden mittels gepulster Vakuumlichtbogendeposition aufgebracht.Die Abscheiderate und chemische Zusammensetzung der dünnen Schichten werden mithilfe eines Laser-Scanning-Mikroskops (LSM) und Röntgenenergie-Dispersionsanalyse (EDX) charakterisiert. Weiter werden die Oberflächenenergien durch Kontaktwinkelmessungen bestimmt. Zur Beurteilung der antimikrobiellen Eigenschaften wird ein bakterieller Adhäsionsassay durchgeführt. Hierbei wird eine Staphylococcus aureus (ATCC^®29213) Suspension von 2,0 ml mit 1e+7 CFU/ml in tryptischer Sojabouillion (TSB) auf der Probenoberfläche für 24 h inkubiert. Anschließend werden noch anhaftende Bakterien mittels 3-minütiger Ultraschallbehandlung gelöst. Eine Ausplattierung auf Agar ermöglicht dann eine quantitative Auszählung der koloniebildenden Einheiten (CFU) der Probenoberflächen.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die PEEK-Oberfläche wird vollständig durch eine dichte Dünnschicht mit zufällig verteilten Metallpartikel von 0,1–10µm bedeckt. Mittels EDX sind einzelnen Bestandteile der Beschichtung nachgewiesen. Im Rahmen von Vorversuchen mit TiO2-Beschichtungen (n=3) mit einer Dicke von 100 und 250 nm kann eine Bakterienreduktion von rund 60% erreicht werden. Allein TiO2-Dünnschichten zeigen bereits signifikant bakterienhemmende Wirkung. Mit Metallionen wie Cu, Ag oder Zn kann diese Wirkung noch weiter auf das 2-fache verstärkt werden. Dies wird zukünftig zur Verbesserung bestehender PEEK-Materialien für spinale, blendfreie und patientenindividuelle Implantate beitragen, die sowohl die Infektionskontrolle als auch die biomechanische Stabilität priorisieren und letztendlich den Outcome für die Patienten verbessern.