Entwicklung einer Methode zur Auslegung von individuellen angepassten Scaffolds mit Hilfe der gerichteten Erstarrung
Biomaterials
Final Report Abstract
Infolge traumatischer oder krankhafter Veränderungen von Knochen können Defekte auftreten, die mit einem stützenden Implantat aufgefüllt werden müssen. Hierfür bietet es sich an Scaffolds aus Hydroxylapatit, die mit Hilfe der gerichteten Erstarrung erzeugt werden können, zu entwickeln. Bei dieser Methode werden Suspensionen in Formen gefroren, wobei ein Temperaturgradient eingestellt wird. In Abhängigkeit von diesem wachsen größere oder kleinere Eiskristalle in die Suspension und verdrängen die Partikel. Durch einen anschließenden Gefriertrocknungsprozess wird das Eis heraus sublimiert, und es bleibt eine Gitterstruktur übrig. Im Verlauf des Projekts wurde zunächst eine Suspension mit Hydroxylapatit und Collagen verwendet. Später wurde das Collagen durch Chitosan ersetzt, das kostengünstiger ist und in nahezu gleichbleibender Qualität in größeren Mengen zur Verfügung steht. Die Suspensionen wurden in einer Power-Down Anlage gerichtet erstarrt und anschließend gefriergetrocknet. Zusätzlich wurden die Polymerketten der Schwämme noch vernetzt um die Stabilität zu erhöhen. Nachdem die Schwämme mit Hilfe eines microCTs gescannt wurden, wurde ein Druckversuch mit Hilfe einer Zug-Druck-Prüfanlage durchgeführt. Hierbei wurde festgestellt, dass es bisher nicht möglich ist Schwämme mit einer ausreichenden Stabilität zu erzeugen. Die Schichtbilder des microCTs werden als Dicom-Daten ausgelesen und in das Programm Mimics importiert. Dieses bietet die Möglichkeit anhand der Grauwerte Masken zu erzeugen, die die Schwämme abbilden. Anhand der Masken werden stochastisch verteilt eine Anzahl von Referenzvolumen (RV) für jeden Schwamm erzeugt, die alle die gleichen Kantenlängen haben. Für jedes RV wird ein Finite Elemente (FE)-Netz generiert. Hierfür werden lineare Tetraederelemente verwendet. Die FE-Netze werden als inp-Dateien exportiert und können in das Programm ABAQUS CAE importiert werden. Zunächst werden Druckversuche simuliert. Dabei werden die Materialkennwerte des Grundmaterials zunächst geschätzt. Anschließend werden die ermittelten effektiven Elastizitätsmoduln (E-Modul) aller Referenzvolumen eines Schwammes gemittelt und mit dem im Druckversuch gemessenen E-Modul verglichen. Anhand dieses Vergleichs, wird der E-Modul des Grundmaterials angepasst. Dies wird so lange durchgeführt, bis eine gute Übereinstimmung von Versuch und Simulation erreicht wird. Da es bei der Herstellung der Proben anfängliche Probleme gab, wurden diese Arbeiten zunächst für Magnesiumschwämme etabliert, die mit Bioglas beschichtet waren. Hier lag das Augenmerk darauf den E-Modul des Bioglases zu ermitteln. Nachdem der E-Modul des Grundmaterials bekannt ist, können die anisotropen Materialkennwerte für die Schwämme mittels Simulation bestimmt werden. Hierfür bietet sich die Fenstermethode an. Dabei werden die RVs in eine Hülle gebettet. Dem Schwamm im Inneren der Hülle werden die Materialkennwerte des Grundmaterials zugeordnet. Die Materialkennwerte der Hülle werden iterativ an die numerisch ermittelten effektiven Werte des Hülle-Schwamm-Verbundes angepasst. Diese werden bestimmt, indem für den Verbund sechs Simulationen durchgeführt werden, die jeweils mit von einander unabhängigen Lastfällen beaufschlagt werden. Durch Rückrechnung lassen sich die 21 effektiven Materialkennwerte ermitteln. Auch diese Simulationen wurden zunächst für Magnesiumschwämme etabliert, lassen sich aber genauso auf die Hydroxylapatit-Chitosan-Schwämme übertragen. Das Ziel dieses Projektes war es, eine Methode zu entwickeln, die es ermöglicht die geeigneten Herstellungsparameter für mögliche Implantate vorgeben zu können. Es ist noch nicht möglich Schwämme mit einer ausreichenden Stabilität zu erzeugen. Die Methode ließ sich aber auch anhand von Ersatzschwämmen aus Magnesium etablieren und ist soweit entwickelt, dass sie auf Scaffolds, die mit Hilfe der gerichteten Erstarrung erzeugt werden, angewendet werden kann. Die Zusammensetzung der Suspensionen und die Randbedingungen des Einfrierprozesses, wie die Kühlrate und der Temperaturgradient sollen weiterhin systematisch untersucht werden, um ein Scaffold mit einer höheren Festigkeit zu erzeugen. Auch der Einfluss möglicher Vernetzer ist dabei zu berücksichtigen. Sobald Schwämme mit einer hinreichenden Festigkeit erzeugt werden können, wird es notwendig diese auf ihre Biokompatibilität zu testen und ihr Einwachsverhalten zu untersuchen. Wenn es möglich ist homogene Schwämme mit höheren Festigkeiten herzustellen, dann bietet die Methoden der Finiten Elemente die Möglichkeit die anisotropen Materialkennwerte für die Schwämme zu ermitteln und somit ihre Eignung für mögliche Einsatzgebiete vorherzusagen. Die Vorgehensweise zur Auslegung der Hydroxylapatit-Schwämme kann, wie im Lauf dieses Projektes gezeigt wurde auch auf andere Schwammstrukturen angewendet werden. Bei einem Vorgegebenen Grundmaterial des Schwammes können auf diese Weise auch Vorgaben für die Struktur gemacht werden (z.B. Porengröße, Stegdicke).
