Sinter AM

Alle drei Sinter-AM-Verfahren haben gemein, dass zu Beginn ein additiver Formgebungsprozess steht. Hieraus gehen sogenannte Grünteile hervor, in denen das Metallpulver mithilfe eines Bindersystems in Form gehalten wird.

Je nach Verfahren und Bindersystem weisen die additiv gefertigten Grünteile unterschiedliche Festigkeiten auf. Diese sind stets geringer als die Endfestigkeiten nach dem Sintern.

Zwischen dem Sintern und dem Formgebungsprozess erfolgt stets eine Entbinderung, um das für die Formgebung notwendige Bindersystem wieder zu entfernen. Die Entbinderung kann verfahrensspezifisch unterschiedlich ablaufen, endet jedoch immer mit einem thermischen Prozess.

An die Entbinderung anknüpfend erfolgt der Sintervorgang, in dem das Metallpulver verdichtet wird und die grundlegenden Materialeigenschaften entstehen.

Die Herstellung bioresorbierbarer Implantate mit gradierten Eigenschaften war das Ziel des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten VIP+ Projekts BioMag3D. Im Konsortium mit dem Helmholtz-Zentrum Hereon entwickelte das Fraunhofer IAPT die kolbenbasierte Materialextrusion (pMEX) weiter, um die Magnesiumlegierung Mg4.5Gd in Form eines Metal Injection Molding (MIM)-Feedstocks zu verarbeiten und daraus Implantate herzustellen, die sich nach der Implantation im Körper kontrolliert auflösen. Magnesium eignet sich hierfür besonders gut, da es in der wässrigen, physiologischen Umgebung im Körper zu Magnesiumhydroxid und weiteren löslichen Magnesiumsalzen reagiert, die im Organismus resorbiert oder ausgeschieden werden sowie die Knochenheilung unterstützen. 

Durch die Kombination der materialwissenschaftlichen Expertise des Hereon im Bereich der Magnesiumsinterung und der additiven Prozessentwicklungskompetenz des IAPT konnte die Prozessroute zur Herstellung von resorbierbaren Implantaten validiert und hinsichtlich seiner Reproduzierbarkeit und Prozessstabilität untersucht werden. Die Arbeiten umfassten neben der Prozessoptimierung auch die Entwicklung eines Workflows zur Integration und Auslegung gradierten Hohlstrukturen innerhalb der Implantatgeometrie sowie von Methoden zur geometrischen und mikrostrukturellen Charakterisierung sowie zur Bestimmung der Degradationsraten.

Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die entwickelten Magnesiumimplantate das Potenzial für eine nächste Generation fortschrittlicher, bioresorbierbarer Implantate besitzen. Durch die gezielte Auslegung der inneren Porosität lässt sich sowohl die Steifigkeit als auch die Degradationsgeschwindigkeit lokal anpassen, wodurch individualisierte und funktional optimierte Implantatlösungen für die regenerative Medizin ermöglicht werden.

Welche Vorteile bietet dieses Verfahren?
 

• Eliminierung von Folgeoperationen zur Entfernung des Implantats: Reduzierung von Operationsrisiken und die Belastung für den Patienten.
  
  
• Unterstützung des natürlichen Heilungsprozesses: Das Implantat übernimmt nur so lange eine stabilisierende Funktion, bis das Gewebe oder der Knochen ausreichend regeneriert ist. Magnesiumionen wirken osteoinduktiv und stimulieren die Knochenzellaktivität.
  
  
• Reduzierung langfristiger Fremdkörperreaktionen: Da das Implantat vollständig resorbiert wird, verbleiben keine permanenten Fremdmaterialien im Körper.
  
  
• Vermeidung von Stress-Shielding-Effekten: Die elastischen Eigenschaften von Magnesium ähneln denen des Knochens und verhindern so Knochenabbau durch unnatürliche Lastverteilung.
  
  
• Biokompatible Abbauprodukte: Magnesiumionen und Hydroxide werden über den Stoffwechsel ausgeschieden und können teilweise sogar positiv auf den Organismus wirken.
  
  
• Radiologische Vorteile: Gute Sichtbarkeit in CT und MRT, aber ohne die Bildartefakterte von Titan.
  
  
• Marktpotenzial: Kombination aus funktioneller Stabilität, Biokompatibilität und Abbaubarkeit eröffnet neue medizinische Anwendungen.