Neuartige, biokompatible 3D-Druck-Formkörper auf Polysaccharidbasis für den medizinischen Einsatz

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines speziellen Rapid Prototyping Verfahrens als Technologie für den Einsatz unter Nutzung eines 3D-Druckers. Dabei sollten erstmals Derivate von Cellulose und Stärke (Polysaccharidderivate) als Basismaterialien zur Anwendung kommen und diese hinsichtlich der Verarbeitung mittels 3D-Drucker abgestimmt werden, um so eine optimale Drucktechnologie zu entwickeln.

Die Eigenschaften der Polysaccharidderivate lassen sich je nach Art und Anzahl der Substituenten gezielt variieren. Durch die Umformung von Polysaccharidderivaten mit 3D-Druck können filigrane, durch Spritzguss nicht zu realisierende Formen als Unikate entstehen, die sich beispielsweise ggf. als Gewebeersatz für die plastische Chirurgie eignen. Da sich Polysaccharide nicht direkt verformen lassen, mussten thermoplastische bzw. lösliche Derivate genutzt werden, die dann im Fall der Trimethylsilylcellulose (TMSC) zu Cellulose regeneriert werden können. Die Biokompatibilität derartiger Formkörper und damit die mögliche Besiedlung mit körpereigenem Gewebe war die zweite wichtige Eigenschaft, die die Projektidee begründete.

Ergebnisse

Alle für den Projektverlauf vorgesehenen Arbeitspakete sind in ihrer Gesamtheit bearbeitet worden. Es wurden mit der Inbetriebnahme der beiden Drucker RepRap Industrial 3D (Kühling) und Fab@home M3 die technischen Voraussetzungen geschaffen, um sowohl thermoplastische als auch Polymerlösungen verarbeiten zu können. Der Einsatz der neuen Materialien gestaltete sich zu einem fortlaufenden Lernprozess, in dessen Ergebnis der Druckprozess technologisch und das Material in seinen Eigenschaften aufeinander abgestimmt wurden. Die zu verwendenden thermoplastischen und löslichen Polysaccharidderivate konnten hergestellt und in ausreichenden Mengen synthetisiert werden, um Polymerstränge bzw. entsprechende Fluide als Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zur Verfügung zu haben. Sie ließen sich hinsichtlich der Anforderungen des jeweiligen 3D-Druckverfahrens konditionieren und konnten mittels des jeweiligen materialspezifisch geeigneten Druckers prozessiert werden.

Des Weiteren konnten wertvolle Erfahrungen im Rahmen der Vorbereitung von Druckversuchen gesammelt werden: A – Nutzung des mit dem Projekt eingerichteten CAD-Arbeitsplatzes inklusive 3D-Scanner und B -  Druck-Versuche zur Untersuchung von Materialeigenschaften in Abhängigkeit von den am Drucker eingestellten Technologiewerten. Im Rahmen des regelmäßigen Informationsaustausches mit den jeweiligen Druckerherstellern konnten technische Verbesserungen implementiert werden, um die Bedienung der Drucker technologisch sicher auch für die neuen Materialien beherrschen zu können.

Die Arbeiten mit den flüssigen Varianten der Polysccharidderivate mussten entsprechend der im Antrag formulierten Abbruchkriterien vorzeitig beendet werden.

Die Arbeiten mit den thermoplastischen Materialien brachten als Ergebnis ein Designmodell aus Stärkepalmitat (StP). Die Trimethylsilylcellulose (TMSC) ließ sich trotz zahlreicher Modifizierungsexperimente nicht zu einem Strang für das FFF-Verfahren umformen, stellt aber aufgrund seiner porösen Struktur und Biokompatibilität nach der Verarbeitung im Extruder eine Materialform dar, die als Implantatmaterial geeignet  erscheint.

Die Hauptidee des Vorhabens, Polysaccharidderivate sowohl thermoplastisch als auch aus Lösung durch 3D-Druck zu verformen, hat sich insbesondere für die thermoplastischen Materialien als richtig erwiesen und besitzt nach Abschluss des Projektes unter Nutzung der erzielten Resultate mit orientierendem Charakter noch großes Potential.

Anwendung

Schon während der Projektlaufzeit konnten auf der Basis der gesammelten Erfahrungen beim Herstellen von 3D-Druck Formkörpern Kontakte zur Industrie geknüpft werden. Kleinere Forschungsaufträge sind erfolgreich abgeschlossen worden und belegen somit die wirtschaftliche Relevanz dieses Projektes.