TY - BOOK

T1 - Biofunktionelle Kunststoffimplantate durch additive Fertigung für die kraniomaxillofaziale Chirurgie

AU - Katschnig, Matthias

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Im Zuge dieser Dissertation wurde das Thema der additiven Fertigung von biofunktionellen Kunststoffimplantaten im kraniomaxillofazialen Bereich mithilfe der filamentbasierten Werkstoffextrusion aufgegriffen. Am Ende sollte der gewählte technische Ansatz die Unzulänglichkeiten der medizinisch etablierten additiven Verfahren wie die Materiallimitierung, ästhetische Einschränkungen oder lange Fertigungszeiten überwinden, um Heilzeiten zu verkürzen und das langfristige Wohlbefinden der PatientInnen zu erhöhen. Konkretes Ziel der Arbeit war die erfolgreiche Werkstoffextrusion auf Filamentbasis von medizinisch einsetzbaren Implantaten. Die dahinterstehende Vision war die klinikinterne und operationsbegleitende Anwendung. Nach einer Literaturrecherche wurde im ersten experimentellen Teil der Dissertation eine Systematik zur Untersuchung der Grenzflächen-Interaktion zwischen Kunststoff und Gewebe entwickelt. Die Experimente fanden im Zelllabor mit einem neuentwickelten Zellträgersystem statt. Das Zellträgersystem beinhaltete spritzgegossene Objektträger aus unterschiedlichen Kunststoffen im Mikroskop-Standardformat. Ziel dieser Voruntersuchung war es, die komplexen Wechselwirkungen auf ein einfaches Modellsystem mit wenigen Einflussfaktoren zu reduzieren, um Ansatzpunkte für das spätere Grenzflächendesign der gedruckten Implantate zu liefern. Im zweiten experimentellen Teil wurde eine schrittweise Werkstoffselektion auf Basis der Voruntersuchungen sowie biologischer und kunststofftechnischer Werkstoffprüfungen durchgeführt. Als Werkstoffbasis wurden bioaktivierte Compounds und ungefüllte Referenzen verwendet. Basierend auf den werkstofflichen Vorbereitungen wurden digital aufbereitete 3D-Modelle eines kranialen und eines maxillofazialen Implantats gedruckt. Die mechanische Implantatprüfung fand mit einer eigens entwickelten dynamischen Prüfmethodik als Fallbolzenversuch statt. Die Evaluierung der Passform erfolgte durch ein Koordinatenmessgerät und ein Ex-vivo- Modell der Implantatumgebung. Die Voruntersuchungen im Zelllabor ergaben einen signifikanten Einfluss der Oberflächenenergie und deren Anisotropie auf Zelladhäsion und Zellmorphologie. Auf Basis der weitergehenden werkstofflichen Voruntersuchungen wurden schlussendlich Glycol-modifiziertes PET (PETG) und thermoplastisches Polyurethan (TPU) für den Implantatdruck gewählt. Diese Kunststoffe besaßen eine hohe Zellakzeptanz, gute mechanische Werte und prinzipielle Druckbarkeit. Die Compoundierung mit bioaktiven Additiven erwies sich als nicht zielführend. Die anschließende Werkstoffextrusion und mechanische Tests bzw. Formtoleranzmessungen ergaben zwei unterschiedliche Implantatstrategien: das Standard-Implantat aus PETG (Monoextrusion) mit einer hochauflösenden Aufbaurate von 10 g/h und das biofunktionelle Performance-Implantat mit einer TPU-Außenschicht und einem PETG-Kern mit einer hochauflösenden Aufbaurate von 4 g/h. Die Standard-Implantate erfüllten die Voraussetzungen für den intraoperativen Einsatz, da die Herstellungszeit auch für größere Defekte unter 3 Stunden blieb. So könnte eine Zweitoperation vermieden werden. Sie waren außerdem zellfreundlich, passgenau und klinisch montierbar, mechanisch stabil und sauber gefertigt. Das Performance-Implantat erwies sich zusätzlich als besonders zellfreundlich, bedingt durch die chemische Konstitution der TPU-Schicht, und als sehr bruchsicher durch die Rissstopper-Funktion der TPU-Schicht und die Steifigkeit des PETG-Kerns. Das Performance-Implantat könnte daher bei RisikopatientInnen eingesetzt werden, durch die lange Druckzeit ist es aber weniger geeignet für den intraoperativen Einsatz. Zusammenfassend konnte die filamentbasierte Werkstoffextrusion als geeignetes Herstellungsverfahren für personalisierte und biofunktionalisierte Implantate im kraniomaxillofazialen Bereich ausgewiesen und der Ansatz für eine weiterführende klinische Studie empfohlen werden.

AB - Im Zuge dieser Dissertation wurde das Thema der additiven Fertigung von biofunktionellen Kunststoffimplantaten im kraniomaxillofazialen Bereich mithilfe der filamentbasierten Werkstoffextrusion aufgegriffen. Am Ende sollte der gewählte technische Ansatz die Unzulänglichkeiten der medizinisch etablierten additiven Verfahren wie die Materiallimitierung, ästhetische Einschränkungen oder lange Fertigungszeiten überwinden, um Heilzeiten zu verkürzen und das langfristige Wohlbefinden der PatientInnen zu erhöhen. Konkretes Ziel der Arbeit war die erfolgreiche Werkstoffextrusion auf Filamentbasis von medizinisch einsetzbaren Implantaten. Die dahinterstehende Vision war die klinikinterne und operationsbegleitende Anwendung. Nach einer Literaturrecherche wurde im ersten experimentellen Teil der Dissertation eine Systematik zur Untersuchung der Grenzflächen-Interaktion zwischen Kunststoff und Gewebe entwickelt. Die Experimente fanden im Zelllabor mit einem neuentwickelten Zellträgersystem statt. Das Zellträgersystem beinhaltete spritzgegossene Objektträger aus unterschiedlichen Kunststoffen im Mikroskop-Standardformat. Ziel dieser Voruntersuchung war es, die komplexen Wechselwirkungen auf ein einfaches Modellsystem mit wenigen Einflussfaktoren zu reduzieren, um Ansatzpunkte für das spätere Grenzflächendesign der gedruckten Implantate zu liefern. Im zweiten experimentellen Teil wurde eine schrittweise Werkstoffselektion auf Basis der Voruntersuchungen sowie biologischer und kunststofftechnischer Werkstoffprüfungen durchgeführt. Als Werkstoffbasis wurden bioaktivierte Compounds und ungefüllte Referenzen verwendet. Basierend auf den werkstofflichen Vorbereitungen wurden digital aufbereitete 3D-Modelle eines kranialen und eines maxillofazialen Implantats gedruckt. Die mechanische Implantatprüfung fand mit einer eigens entwickelten dynamischen Prüfmethodik als Fallbolzenversuch statt. Die Evaluierung der Passform erfolgte durch ein Koordinatenmessgerät und ein Ex-vivo- Modell der Implantatumgebung. Die Voruntersuchungen im Zelllabor ergaben einen signifikanten Einfluss der Oberflächenenergie und deren Anisotropie auf Zelladhäsion und Zellmorphologie. Auf Basis der weitergehenden werkstofflichen Voruntersuchungen wurden schlussendlich Glycol-modifiziertes PET (PETG) und thermoplastisches Polyurethan (TPU) für den Implantatdruck gewählt. Diese Kunststoffe besaßen eine hohe Zellakzeptanz, gute mechanische Werte und prinzipielle Druckbarkeit. Die Compoundierung mit bioaktiven Additiven erwies sich als nicht zielführend. Die anschließende Werkstoffextrusion und mechanische Tests bzw. Formtoleranzmessungen ergaben zwei unterschiedliche Implantatstrategien: das Standard-Implantat aus PETG (Monoextrusion) mit einer hochauflösenden Aufbaurate von 10 g/h und das biofunktionelle Performance-Implantat mit einer TPU-Außenschicht und einem PETG-Kern mit einer hochauflösenden Aufbaurate von 4 g/h. Die Standard-Implantate erfüllten die Voraussetzungen für den intraoperativen Einsatz, da die Herstellungszeit auch für größere Defekte unter 3 Stunden blieb. So könnte eine Zweitoperation vermieden werden. Sie waren außerdem zellfreundlich, passgenau und klinisch montierbar, mechanisch stabil und sauber gefertigt. Das Performance-Implantat erwies sich zusätzlich als besonders zellfreundlich, bedingt durch die chemische Konstitution der TPU-Schicht, und als sehr bruchsicher durch die Rissstopper-Funktion der TPU-Schicht und die Steifigkeit des PETG-Kerns. Das Performance-Implantat könnte daher bei RisikopatientInnen eingesetzt werden, durch die lange Druckzeit ist es aber weniger geeignet für den intraoperativen Einsatz. Zusammenfassend konnte die filamentbasierte Werkstoffextrusion als geeignetes Herstellungsverfahren für personalisierte und biofunktionalisierte Implantate im kraniomaxillofazialen Bereich ausgewiesen und der Ansatz für eine weiterführende klinische Studie empfohlen werden.

KW - Additive Fertigung

KW - 3D-Druck

KW - Implantate

KW - Werkstoffextrusion

KW - kraniomaxillofaziale Chirurgie

KW - Additive Manufacturing

KW - Implants

KW - 3D printing

KW - Craniomaxillofacial Surgery

M3 - Dissertation

ER -