Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Calciumphosphat-Biokeramiken mit anisotropem Porengefüge für das Tissue Engineering unter Einsatz von keramischen Hohlfilamenten

Durch die weltweit steigende Lebenserwartung der Bevölkerung wird lt. WHO bis 2050 u. a. mit einer Vervierfachung von Osteoporose-induzierten Knochenbrüchen gerechnet. Es besteht daher insgesamt ein stark wachsender Bedarf an innovativen Knochenersatzmaterialien, wobei anstelle von nicht degradablen Implantatwerkstoffen zunehmend bioresorbierbare Materialien verwendet werden.

Als Fertigungslösung schlagen die Antragsteller vor, Implantate aus bioresorbierbarem Material, wie z. B. Hydroxylapatit oder Beta-Tricalciumphosphat, unter Einsatz von Hohlfasern, die von ihrer Dimension die Osteonen-Struktur des kortikalen Knochens abbilden, mittels eines textilen Kompaktierungs- und keramischen Sinterprozesses zu erzeugen. Die anvisierte Technologie ermöglicht die kostengünstige Herstellung variabel dimensionierbarer Implantate mit Porenstrukturen, die nicht nur ein Einwachsen von Zellen und Gewebe erlauben, sondern auch die Erschließung durch Blutkapillaren ermöglichen. Implantate auf Basis des vorgeschlagenen Systems sind am Markt nicht erhältlich und würden aufgrund des verbesserten therapeutischen Nutzens einen Sprung in der Patientenversorgung darstellen, Textil- und Feinkeramikunternehmen neue Produkte und damit eine zusätzliche Marktdurchdringung ermöglichen. Die Projekterfahrungen können weiterhin der Etablierung des Strukturierungsverfahrens für neuartige technische Filter- und Katalysatoranwendungen auf Basis variabler Kanalstrukturen dienen. Derartige Produkte besitzen ein hohes Einsatzpotential, da diese mit herkömmlichen Verfahren nicht herstellbar oder mit Verfahren wie dem 3D-Druck nicht in großen Mengen preiswert produzierbar sind. Diese Sonderkeramiken und textilen Halbzeuge werden maßgeblich durch KMU hergestellt. Sie können dabei sowohl als Lieferanten von Ausgangsmaterialien als auch als Hersteller solcher Produkte profitieren. Bei einem derzeit weltweit stark wachsenden Bedarf ist dabei die Schaffung neuer Arbeitsplätze, vor allem bei KMU, zu erwarten.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb der Projektlaufzeit ist es gelungen, zwei neuartige keramische Fertigungstechnologien auf Basis von calciumphosphathaltigen Hohlfasern zu entwickeln, die infiltrations- und die matrixbasierte Variante. Dabei wurde nicht nur der Herstellprozess von Cellulose-Anorganik-Komposit-Hohlfasern (Lyocell®) weiterentwickelt, welche das Ausgangsmaterial zur Erzeugung der Biokeramiken darstellen, sondern auch das Produktportfolio zur Verwendung derartiger Fasern auf Basis von Calciumphosphaten erweitert. Das gleiche gilt für die textilen Weiterverarbeitungsprozesse, bei der die Komposit-Hohlfasern mit 1 m Länge und ca. 300-400 pm Durchmesser parallel angeordnet und zur Fasersträngen netzartig mittels KEMAFIL®-Verfahren vorkonfektioniert werden. Damit konnte auch ein neues Anwendungsfeld für textilverarbeitende Prozesse und die Konstruktion von Textilmaschinen erschlossen werden. In einem weiteren Prozessschritt werden die Faserzwischenräume mit calciumphosphathaltigen Suspensionen aufgefüllt (infiltrationsbasierte Variante), oder die Fasern erst beschichtet und dann zu Fasersträngen gebündelt (matrixbasierte Variante). Hierzu wurden entsprechende Verfahren und geeignete Materialsysteme als auch Entbinderungs- und Sinterprozesse entwickelt. Beide Technologien sind zur Herstellung von Biokeramiken im Besonderen und zur Fertigung von Keramiken im Allgemeinen noch nicht beschrieben, wodurch sich weitere neuartige Anwendungsfelder von anisotrop strukturierten Keramiken, insbesondere mit Kanälen von 100-200 pm, wie beispielsweise als Katalysatormaterial, ergeben. Die besondere Eignung der anisotrop strukturierten Biokeramiken als bioaktives Knochenersatzmaterial konnte mittels biologischer in-vitro-Testverfahren bereits nachgewiesen werden. Dadurch haben die Hersteller von Biokeramiken und Medizinprodukten die Möglichkeit, mit der Übernahme der Technologie und der Produkte in ihr Produktportfolio ihre Wettbewerbschancen zu verbessern.