Entwicklung eines smarten Scaffold-Designs und Gestaltung individueller Ersatzstruktu­ren im Kontext einer durchgängigen Prozesskette

Laufzeit	01.11.2021 – 31.10.2023
Gesamtprojekt	Smartes Scaffold-Template-System zur präzisen NC-gestützten Formgebung für den individualisierten Knochenaufbau
Akronym	Smaffold
Finanzierung	BMWK (AiF ZIM)
Förderkennzeichen	KK5366401BM1
Projektleitung	Dr.-Ing. Philipp Sembdner
Bearbeiter	Dipl.-Ing. Arthur Hilbig, Dr.-Ing. Philipp Sembdner, Dr.-Ing. Stefan Holtzhausen
Partner	Organical CAD/CAM GmbH, Berlin
	Technische Universität Dresden, Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

Motivation

Zahnerkrankungen oder bestimmte Traumata führen häufig zu Zahnverlust, der mit künstlichem Zahnersatz behandelt wird. Als Zahnersatz wird häufig ein Zahnimplantat verwendet, das an der Stelle des ursprünglichen Zahns befestigt wird. Erfolgt die Implantation nicht unmittelbar nach dem Zahnverlust, baut sich der ungenutzte Kieferknochen ab. Um einen stabilen Halt und ein ideales Einwachsen des Implantats zu gewährleisten, muss jedoch eine gewisse Restknochenmenge vorhanden sein. Deshalb wird z.B. Knochenersatzmaterial zum Aufbau des Knochens (Augmentation) verwendet. Eine Möglichkeit ist die präzise Anfertigung individueller Ersatzstrukturen bereits vor der Operation selbst. Dazu wird eine virtuelle Planung der prothetischen Versorgung und anschließend des notwendigen individuellen Knochenersatzes durchgeführt. Bisherige Arbeiten weisen auf einen ähnlichen, wiederkehrenden Prozess entlang der Reverse-Engineering-Prozesskette zur Entwicklung und Gestaltung einer individuell an den Patienten angepassten Knochenersatzstruktur auf der Basis von Bilddaten in der Modellierung hin. Die Herstellung dieser individuellen Ersatzstrukturen kann dann additiv erfolgen. Als Material wird dabei beispielsweise Calciumphosphatzement (CPC oder Knochenzement) verwendet. Die Verwendung von Knochenzementen in Kombination mit additiven Fertigungsverfahren ermöglicht eine definierte Anpassung und Steuerung der Porosität der Gitterstruktur in Abhängigkeit von patientenspezifischen Randbedingungen.

Zielsetzung

Das Ziel des Projektes ist die zeitliche und fertigungstechnologische Trennung von Funktionalisierung und Formgebung der individuellen Knochenersatzstruktur für die patientenspezifische Versorgung von Knochendefekten im Mund-Kiefer-Gesichtsbereich (MKG), um die Vorteile der jeweiligen Fertigungsverfahren vollumfänglich auszunutzen. Dies soll zum einen durch die Entwicklung eines smarten Scaffold-Template-Systems (Smaffold-CPC-PreFab-System = zu entwickelndes Produkt) erreicht werden. Die darin enthaltenen konfektionierten funktionalisierten Scaffold-Templates (im Folgenden auch als Scaffold-Rohlinge bezeichnet) werden durch additive Fertigungsverfahren aus resorbierbarem Knochenersatzmaterial (CPC) vorab zum Zeitpunkt t1 hergestellt und erhalten hierbei ihre individuellen funktionalen Eigenschaften (Porosität). Zum anderen soll durch die Etablierung einer robusten und schnellen subtraktiven CAD/CAM-Bearbeitung mit einer effizienten und intuitiven CAx-Prozesskette für den digitalen Daten-und Informationsfluss (=zu entwickelndes Verfahren) den Nachteilen bisheriger Verfahren begegnet werden. Dabei wird zum Zeitpunkt t2 aus dem PreFab-System ein geeignetes Template für den Patientenfall ausgewählt und durch die CAD/CAM-Fräsbearbeitung die individuelle Formgebung erzielt. Hierbei liegt der Fokus der Entwicklung neben den Fertigungsstrategien auf der Optimierung konventioneller dentaler Maschinensysteme hinsichtlich Kühlung sowie Reinigung (Hygiene). Die übergeordnete Zielstellung ist die Etablierung kostengünstiger Fertigungskonzepte mit hohen Durchflussraten (Marktbedarf) sowie die Vorbereitung des Gesamtprozesses für einen zukünftigen ChairSide-Einsatz zur direkten Herstellung der individuellen Knochenersatzstrukturen während eines chirurgischen Eingriffs.

 Projektinhalt

• Verfahrensentwicklung mit Auswahl eines additiv vorgefertigten funktionalisierten Scaffold-Templates und präziser subtraktiver Fräsbearbeitung zur Formgebung
• Produktentwicklung: Smartes CPC-PreFab-System mit vorkonfektionierten funktionalisierten Scaffold-Rohlingen

• Produktentwicklung: Individuell formangepasste Knochenersatzstruktur