gms | German Medical Science

Fragestellung: Patientenindividuelle Implantate versprechen eine bessere Passgenauigkeit und damit eine bessere Funktionalität und eine höhere Lebensdauer als konventionelle Implantate. Besonders für Gelenkbereiche, in denen die Möglichkeiten zur Remobilisierung aktuell begrenzt sind und die Versteifung die Standardtherapie istbieten individuelle Implantate Möglichkeiten zur besseren Versorgung und Steigerung der Lebensqualität der Patienten. Fünf Fraunhofer-Institute haben eine autonome Prozesskette vom Implantatdesign über die Herstellung von patientenindividuellen Implantaten bis hin zur normgerechten Prüfung entwickelt. Die Frage bestand darin, ob eine komplette Prozesskette darstellbar ist um die Implantate aus verschiedenen Materialien (Keramik, Metall) zu fertigen.

Methodik: Auf Grundlage von 300 klinischen 2D Röntgendaten und 3D CT-Aufnahmen wurden 3D Shape Modelle der Knochenstruktur erzeugt und eine KI-Software entwickelt. Durch Nutzung dieser KI erfolgte eine automatische Generierung eines individuellen Implantatdesigns. Die Parametrisierung und Simulation der Implantate wurde beispielhaft am Fingergrundgelenk (Metacarpophalangealgelenk) demonstriert. Innerhalb dieser Studie wurde die Herstellung der Implantate aus Oxid- und Nichtoxidkeramik sowie aus Ti-6Al-4V untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Keramiken weisen neben exzellenten mechanischen Eigenschaften und einer hoher Verschleißbeständigkeit eine sehr hohe Biokompatibilität auf. In der Hüftendoprothetik haben sich besonders Dispersionskeramiken etabliert. Es wurden patientenindividuelle Fingergelenkimplantate aus ATZ-Keramik gefertigt. Die Schaftoberfläche besitzt zur Gewährleistung der Osseointegration eine Kreuzstruktur. Zur Herstellung von Siliziumnitrid- und Titan-Implantaten wurden additiven Verfahren (Lithografie, Metal Binder Jetting) angewendet. Hier wurden für den Schaft sogenannte TPMS (triply periodic minimal surface) Strukturen ausgewählt, die ein besonderes Potenzial zur Osseointegration besitzen. Die mechanische Belastbarkeit aller hergestellten Implantate mit 3500 N übertrifft die in vivo auftretenden Belastungen um ein Vielfaches.

Es wurde eine durchgängige automatisierbare Prozesskette in der Herstellung patientenindividueller Implantate vom Design über die Fertigung bis hin zur zertifizierungskonformen Prüfung entwickelt. Die Implantate wurden aus den 3 verschiedenen Werkstoffen, ATZ, Si3N4 und Ti-6Al-4V, in einem KI-generierten Implantatdesign hergestellt. Aufgrund der mechanischen und biologischen Tests konnte deren Eignung für ein patientenindividuelles Implantat nachgewiesen werden. Die vorgestellte Prozesskette ermöglicht die Übertragung auf die Herstellung individueller Implantate für andere Gelenke.