Voronoistruktur-basierte individuell lastangepasste Implantate aus polymeren Knochenersatzmaterialien
| Laufzeit | 11.08.2025 – 31.12.2027 |
| Gesamtprojekt | Voronoistruktur-basierte individuell lastangepasste Implantate aus polymeren Knochenersatzmaterialien |
| Akronym | VoroBone |
| Finanzierung | EFRE InfraProNet 2021-2027 |
| Förderkennzeichen | 100756037 |
| Projektleitung | |
| Bearbeiter | Dipl.-Ing. Alexandra Schaaf |
| Partner | Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden |
Motivation
Individuelle Knochenersatzimplantate werden bereits zur Behandlung von Patienten infolge von Unfällen oder Tumorerkrankungen eingesetzt. Titan wird bevorzugt für dauerhafte Implantate verwendet, da es hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität aufweist. Allerdings führt seine im Vergleich zum menschlichen Knochen höhere Steifigkeit zu mechanischen Spannungen an der Grenzfläche, was langfristig Lockerungen verursachen kann. Diese erfordern belastende Revisionsoperationen und erhöhen die Gesundheitskosten. In der Forschung werden alternative Materialien wie PMMA, Keramiken und PEEK untersucht, die eine knochenähnliche Steifigkeit bieten und das Risiko von Lockerungen verringern. Ein Nachteil dieser Materialien ist ihre glatte Oberfläche, die das Zellwachstum weniger effektiv unterstützt. Additive Fertigungsverfahren bieten hier Vorteile, da sie geometrische Anpassungen und die Integration komplexer innerer Strukturen ermöglichen.
Zielstellung
Das zentrale Ziel des Projekts VoroBone ist die Erforschung nichtmetallischer, individueller Knochenersatzimplantate mit einem neuartigen, gesteigerten Maß an Funktionsintegration durch den Einsatz definierter, zellularer Strukturen auf Basis von Voronoi-Diagrammen. Diese bieten den Vorteil, dass sie in ihrer Größe als auch in ihrer Form steuerbar sind, um die Osseointegration zu fördern, sowie eine lokale Anpassung der Steifigkeit an die Eigenschaften des Knochens ermöglichen.
Projektinhalt
Zunächst sollen bei dem Projekt Gitterzellformen und -größen an biologische Randbedingungen angepasst werden, um die Osseointegration zu begünstigen. Gleichzeitig werden auch fertigungstechnische Randbedingungen (Stabstärken, Supportbedarf, etc.) berücksichtigt. Je nach anatomischer Lage der Anwendungsfälle sollen belastbare nichtmetallische Strukturen entwickelt werden, deren Eigenschaften sich denen von realem trabekulärem Knochen annähern. Dafür werden algorithmisch-mathematische Grundlagen zur Synthese und darauf aufbauend Methoden zur gezielten Steuerung der Gitterstrukturen (Zellformen, Stab-Orientierungen, etc.) durch dreidimensionale Steuerungsfelder geschaffen. Die entwickelten Strukturen werden anhand von lastabhängigen Simulationen und einem Demonstrator validiert.
