Met behulp van een 3D-geprint zoutsjabloon, ETH-onderzoekers zijn erin geslaagd magnesiumsteigers met gestructureerde porositeit te produceren die geschikt zijn voor bioresorbeerbare botimplantaten.

Voor de behandeling van complexe botbreuken of zelfs ontbrekende botdelen, chirurgen zetten meestal metalen implantaten in. In deze context, een aantrekkelijk alternatief voor de traditionele materialen zoals bioinert titanium zijn biologisch afbreekbaar magnesium en zijn legeringen. Implantaten gemaakt van het laatste lichtmetaal zijn voordelig omdat ze biologisch kunnen worden afgebroken in het lichaam, die magnesium als minerale voedingsstof kan opnemen, waardoor een tweede operatie voor implantaatverwijdering niet nodig is. Om een ​​snelle genezing te bevorderen, het ontwerp van implantaten of hun oppervlakken moet gericht zijn op het bevorderen van celadhesie of zelfs ingroei. Materiaalonderzoekers van het Laboratorium voor Metaalfysica en Technologie en de Complex Materials Group van ETH Zürich hebben daarom samengewerkt om een ​​nieuwe procedure te ontwikkelen voor de vervaardiging van magnesiumimplantaten die talrijke structureel geordende poriën bevatten maar toch hun mechanische stabiliteit behouden. Deze ontwikkeling is het onderwerp van een volgend artikel in Advanced Materials.

Steigers van magnesium

Om een ​​poreuze structuur te creëren drukten de onderzoekers eerst een driedimensionaal zoutsjabloon af met een 3D-printer. Omdat puur, standaard keukenzout is niet geschikt om te bedrukken, hiervoor ontwikkelden ze een gelachtige zoutpasta. De steundiameters en afstanden van de zoutsjabloon kunnen worden aangepast door het drukproces. Om voldoende mechanische sterkte te verkrijgen werd de zoutstructuur vervolgens gesinterd. Tijdens het sinteren worden de fijnkorrelige materialen sterk verhit, terwijl de temperatuur veilig onder het smeltpunt van de pasta wordt gekozen om de structuur van het werkstuk te behouden.

De volgende stap was om de poriën te infiltreren met magnesiumsmelt. "De op deze manier verkregen infiltraten zijn mechanisch zeer stabiel en kunnen gemakkelijk worden gepolijst, gedraaid en gevormd, " zegt Jörg Löffler, Hoogleraar Metaalfysica en Technologie bij de afdeling Materialen. Na mechanische vormgeving losten de onderzoekers het zout op, een puur magnesiumimplantaat achterlatend met tal van, regelmatig gestructureerde poriën.

Doorslaggevend voor klinisch succes

"De mogelijkheid om de poriegrootte te regelen, distributie en oriëntatie in het materiaal is bepalend voor klinisch succes, omdat botcellen graag in deze poriën groeien, ", zegt Löffler. Groei in de poriën is op zijn beurt bepalend voor de snelle integratie van het implantaat in het bot.

De nieuwe procedure voor het vervaardigen van deze sjabloonstructuren uit zout kan behalve op magnesium ook op andere materialen worden toegepast. Co-auteurs Martina Cihova en Dr. Kunal Masania verwachten dat het proces ook kan worden gebruikt om poriegeometrieën in polymeren aan te passen, keramiek en andere lichte metalen.

Het idee van dit nieuwe fabricageprocédé ontstond in het kader van de masterproef van Nicole Kleger, wiens studie werd ondersteund door een ETH Zurich Excellence Scholarship &Opportunity stipendium. Haar werk werd ook bekroond met de ETH-medaille voor excellente masterscripties. Nicole Kleger is nu een doctoraatsstudent in de Complex Materials Group van ETH-professor André Studart, onder wiens leiding de oorspronkelijke zoutsjabloon in 3D werd geprint. In haar afstudeerproject werkt Kleger nu het 3D-printprocédé verder uit.