Qualitätskontrolle von additiv gefertigten medizinischen Implantaten mit CT

Das Ziel des EMPIR-Projektes MetAMMI ist es, für die sichere Verwendung von additiv gefertigten (engl. Additive Manufacturing (AM)) medizinischen Implantaten eine umfassende Basis zu schaffen. Am Projekt nehmen 6 nationale Forschungsinstitute, 6 akademische Partner, 3 Industriepartner sowie 2 Partner aus dem Bereich der Medizin teil (siehe http://projects.lne.eu/jrp-metammi/).

AM bietet für die Medizin die Möglichkeit, für Patienten maßgefertigte Implantate mit komplexer Geometrie zu fertigen. Andererseits erfüllt diese vielversprechende Fertigungstechnologie noch nicht die Ansprüche von amtlichen Stellen und dem medizinischen Sektor, was die Akzeptanz von medizinischen AM Implantaten behindert.

Um das Vertrauen in AM-Technologien zu erhöhen, wurden verschiedene AM-Produktionsprozesse von medizinischen Implantaten beurteilt, beispielweise bezüglich der Geometrie und der Oberflächenqualität des gefertigten Objekts. Die Evaluierung basiert auf der Prüfung von medizinischen Implantaten aus unterschiedlichen Materialien (Polymer, Metall und Keramik), die jeweils mit unterschiedlichen Techniken und Parametern mehrfach hergestellt wurden.

Für die Prüfung wurde Röntgen-Computertomographie (CT) als zerstörungsfreie Prüftechnik benutzt, um die komplette innere und äußere Geometrie der Implantate zu erfassen. Weitere wichtige Aspekte wie Defekte im Material, Porosität und typische Fehler, die in den beurteilten AM Technologien vorkommen (z.B. Risse), wurden in der Analyse berücksichtigt.

Die Untersuchungen erfolgten an einem zylindrischen Objekt mit einer Gitter-Struktur, die das Wachstum der Knochen in das Implantat hinein ermöglicht (d.h. Gerüststruktur). Diese Struktur wurde mit verschiedenen AM-Fertigungsverfahren und Werkstoffen von mehreren Projektpartnern hergestellt und in der PTB mittels CT gemessen. Zusätzlich wurden Implantate mit unterschiedlichen Fertigungsparametern hergestellt und untersucht, um die optimalen Fertigungsparameter des jeweiligen Verfahrens zu bestimmen. Dazu wurden z.B. die Geometrieabweichungen und die Oberflächenqualität verglichen. Die Messergebnisse der Objekte mit den jeweils besten Fertigungsparametern des Verfahrens und des am besten geeigneten Materials zeigt Abb. 1. In den Schnittbildern ist die grüne Kontur jeweils die Soll-Geometrie und die weiße Kontur die IST-Geometrie.

Es ist ersichtlich, dass das Keramikimplantat aus TCP (Tricalcium Phosphate), das mit dem AM-Prozess LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) hergestellt wurde, eine gute Passung der äußeren Geometrie und eine glatte Oberfläche aufweist. Die innere Struktur ist jedoch kleiner als geplant, siehe Abb. 1(a), (b). (c). Demgegenüber liefert der AM-Prozess SLM (Selective Laser Melting) Implantate aus Cobalt-Chrom (CoCr) mit kleineren Abweichungen in der gesamten Geometrie, aber einer raueren Oberfläche, siehe Abb. 1 (d), (e), (f). Der AM-Prozess BJ (Binder Jetting) ist eine mögliche Technologie für die Fertigung von Kunststoffen. Allerdings liefert BJ Objekte aus PMMA (Poly(Methyl-Methacrylate)) mit einer rauen Oberfläche und großen Geometrieabweichungen siehe Abb. 1 (g), (h), (i). Zusätzlich wurden Implantate aus Dental SG Resin mit SLA (Stereolithography Vat Photopolymerization) gefertigt. Mit diesem Verfahren wurden die besten Resultate hinsichtlich Gesamtgeometrie mit glatter Oberfläche und geringer Porosität erzielt siehe Abb. 1 (j), (k), (l).

Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Qualität des Implantats sehr stark von Material und Fertigungstechnologie abhängig ist. Darüber hinaus wurde ersichtlich, dass die Fertigungsparameter eine wichtige Rolle für die Qualität spielen.


Abb. 1: Beispiele von CT Messungen an Implantaten aus unterschiedlichen Materialien, die mit verschiedenen AM Technologien hergestellt wurden: (a), (b) and (c) Implantat aus TCP gefertigt mit LCM; (d), (e) und (f) Implantat aus CoCr gefertigt mit SLM ; (g), (h) und (i) Implantat aus PMMA gefertigt mit BJ; und (j), (k) und (l) Implantat aus Dental SG Resin gefertigt mit SLA. In den Schnittbildern ist die grüne Kontur jeweils die Soll-Geometrie und die weiße Kontur die Ist-Geometrie.