CH - Additive Fertigung von Keramik für biomedizinische Anwendungen

Schädelimplantat für 3DCERAM-Drucktechnologie 

3DCERAM nutzt die 3D-Drucktechnologie der Stereolithographie (SLA) seit mehr als zehn Jahren für die Herstellung nach Maß oder von kleinen Serien von Knochenersatz (Zwischenwirbelkäfige und tibiale Osteotomiekeile) und Schädelkranial oder Kieferknochenimplantate. Diese Technologie ist in der Lage, Keramikkomponenten Schicht für Schicht unter Verwendung eines Lasers herzustellen, welcher eine Paste aus lichtempfindlichem Harz und Keramik polymerisiert. Die Teile werden dann einer Wärmebehandlung (entbinden, gefolgt von sintern) unterzogen. Diese beseitigt das Harz und verdichtet die Keramik.

Keramik ist eine Schlüsselkomponente des wachsenden Marktes für Biomaterialien. Aufgrund der vielen Eigenschaften wie die biologische Abbaubarkeit, die Biokompatibilität, die antibakterielle Wirkung und viele weitere sind keramische Materialien im medizinischen Bereich unverzichtbar geworden. Auf dem biomedizinischen Markt angewendet, ermöglicht der 3D-Druck die Realisierung von Knochenersatz, kundenspezifischen Keramikimplantaten und chirurgischen Werkzeugen. Die herausragende Biokompatibilität von Keramik, die extrem regelmäßig poröse Struktur und die mechanische Festigkeit sind die Hauptqualitäten der 3D-Biokeramik. Eine Studie von Smithers Rapra prognostiziert das schnelle Wachstum 3D-gedruckter, medizinischer und pharmazeutischer Produkte in den nächsten 10 Jahren von einem 400 Millionen US-Dollar-Markt in 2016 auf einen 6-Milliarden-Dollar-Markt bis 2027. Die Hauptvorteile der additiven Fertigung für die Orthopädie sind die Fähigkeit zur Knochenintegration.

Es ermöglicht auch die Herstellung komplexer Teile in verschiedenen Größen, Formen und Designs. Die additive Fertigung verleiht dem biomedizinischen Standardprozess eine neue Dimension. Mehrere keramische 3D-Drucktechnologien wurden entwickelt, um auf die neuen Herausforderungen des biomedizinischen Sektors reagieren zu können. Bosch Healthcare Solutions (BHCS) ist am Markt etabliert und fungiert als Lieferant von komplexen Keramikkomponenten für chirurgische Geräte an Medizintechnik-unternehmen. Das Auftragsvolumen wächst schnell. Enge Entwicklungszusammen-arbeit mit dem o.g. Firmen, Ärzten und dem Robert-Bosch-Krankenhaus zeigt, dass es in Zukunft einen erheblichen Anstieg in einfachen gefragten chirurgischen Instrumenten für intelligente Komponenten oder Baugruppen und theranostische Implantate (Therapie und Diagnose in einem Implantat) geben wird. Denn theranostische Implantate gibt es heute nicht mehr.

Die beschriebene Tendenz basiert auf den Wunsch beziehungsweise Bedarf für:

  • Erhöhung der Sicherheit für Patient und Arzt bei komplizierten Operationen - effiziente und sichere chirurgische Eingriffe und Verfahren führen zu einer verkürzten Heilungszeit
  • Theranostische Implantate erfordern weniger Nachsorge nach der Operation und bieten mehr Sicherheit und Komfort für den Patienten mit dem Implantat. Diese Implantate enthalten den höchsten Grad an funktioneller Integration, d.h. Sensoren, Antennen, Aktuatoren und Energiegewinnungskomponenten, die das Implantat wartungsarm halten und ein autarkes System im menschlichen Körper bilden.
  • Der anhaltende Kostenanstieg im Gesundheitswesen macht intelligente Komponenten und Implantate notwendig, da mit dieser Technologie die Kosten für die Patientenversorgung gesenkt werden.

 

ANWENDUNGEN FÜR DEN 3D-DRUCK:

Käfige und Keile: Die additive Fertigung ermöglicht die Kontrolle des Standorts und der Geometrie der Poren von Keramikersatzstoffen im Gegensatz zu Implantaten, die durch die Zugabe von organischem Schaum oder Porogenen porös hergestellt werden. Die dreidimensional strukturierte Porosität und der konstante Durchmesser, der vollständig miteinander verbundenen Poren, tragen zur Förderung der Osteointegration und der mechanischen Festigkeit der Ersatzmaterialien bei. Die mechanische Druckfestigkeit ist drei- bis fünfmal höher als die herkömmlichen porösen Strukturen.

 

Zwischenwirbelkäfige in Al2O3

Knochenersatz: 3DCERAM hat eine Stereolithographie-Technologie für die Herstellung von maßgeschneiderten biokeramischen Schädel- oder Kieferknochenimplantaten mit dem genannten Namen BioCranium® entwickelt. Die kundenspezifischen Hydroxylapatit-Keramikimplantate ermöglichen den Austausch der wichtigen Knochendefekte der Schädelkuppel und des Kieferknochenteils und bieten somit eine Gewährleistung für den Schutz der darunter liegenden anatomischen Strukturen. Diese benutzerdefinierte Methode wird auch in der rekonstruktiven Chirurgie für Patienten mit einem Verlust von kraniofazialer Knochensubstanz nach einem chirurgischen Eingriff verwendet. Die Keramikimplantate sind eine Alternative zu den Knochentransplantaten, die sehr oft vom Patienten selbst stammen. So vermeiden sie zusätzliche Schmerzen.

 

Maßgeschneidertes HAP-Implantat zur Reparatur von großen und komplexen kraniofazialen Knochenschäden

Chirurgische Werkzeuge und Instrumente: Im Rahmen des europäischen Projekts H2020 NEXIS (Röntgenbildgebungssystem der nächsten Generation) wurde 3DCERAM im Konsortium wegen seiner 3D-Keramikdrucktechnologien ausgewählt. Das Ziel des europäischen NEXIS Projektes ist es einen neuen Spektraldetektors zur Verbesserung der Bildqualität und der Bildmerkmale für eine schnelle Diagnose eines Schlaganfalls direkt im Interventionsraum zu entwickeln. 3DCERAM wird verantwortlich für die Herstellung von Szintillatoren durch 3D-Druck für den Detektor des Systems sein.

 

Dental: Dieser Sektor könnte möglicherweise einer der Größten werden durch die Implementierung von 3D-Druckprozessen. Die ideale mechanische Biokompatibilität und ästhetische Eigenschaften von Keramik kombiniert mit 3D-Druck zur Herstellung von komplexen Formen könnten es Keramik ermöglichen, Polymer- und Metallimplantate vollständig zu ersetzen. Die Implementierung des Zirkonoxid-3D-Drucks verbessert die Effizienz erheblich und spart Material, Kosten und Zeit.

 

DER 3D-DRUCKPROZESS


 VIELFALT IN MATERIALIEN: 3DMIX

Calciumphosphate wie Hydroxylapatit oder Tricalciumphosphate sind synthetische Materialien, die dem Knochen am nächsten sind. Sie sind in medizinischen Fachkreisen für ihre osteokonduktiven Eigenschaften bekannt, insbesondere bei der Kontrolle der Größe der Makroporen und der Porosität der Interkonnektion. Darüber hinaus haben sie ein minimales Risiko der Ablehnung.

Folgende Keramiken, die hauptsächlich im biomedizinischen Bereich verwendet werden, schlägt 3DCERAM vor:

Aluminiumoxid (AI203): Grundmaterial für medizinische Prothesen: gutes mecha-nisches Verhalten, hoher Härtegrad, gute Verschleißfestigkeit, Korrosionsbestän-digkeit

Zirkonoxid (ZrO2): Nützlich bei chirurgischen Instrumenten, odontologischen Prothesen (Kronen und Brücken) und der porösen Beschichtungszahnmedizin: Material mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, hoher Härtegrad, gute Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit

HAP (Hydroxyapatit): Nicht resorbierbares Material für biomedizinische Anwen-dungen wie der Herstellung von knöchernen Ersatzstoffen, chemische Zusammen-setzung ähnelt der eines echten Knochens, Osseointegration (zum Beispiel Tibiaosteotomiekeile, wirbellose Käfige, Schädelimplantate, Knochenersatz, Wirbelsäulenimplantate, andere orthopädische Implantate usw.)

 

Schädelimplantat aus HAP-Keramik, gedruckt von 3DCERAM

 

TCP (Tri Calcium Phosphate): Resorbierbare Materialien in vivo, Dentalanwen-dungen

ATZ (Aluminiumoxid-gehärtetes Zirkonoxid): gute Härte und Verschleißfestigkeit,

zu den Anwendungen gehören orthopädische Prothesen und Zähne

 

 

VOLLSTÄNDIGE LÖSUNGEN FÜR KERAMIK AM

Mit der Ceramaker-Maschine bietet 3DCERAM eine kundenspezifische Engineering-Lösung und eine komplette Linie für hochwertige Produktion:

  • Schlüsselfertige Leitung
  • Ein zuverlässiger und bewährter offener 3D-Drucker
  • Reinigungsstation
  • Entgratungs- und Sinteröfen

Düsensystem des C900 für den Druck mit mehreren Materialien

Darüber hinaus besteht die Zukunft des 3D-Drucks aus mehreren Materialien. Um auch diese Anfrage zu befriedigen, hat 3DCERAM den Multimaterial CERAMAKER® 900H entwickelt. Das ist der einzige 3D-Drucker auf dem Markt, der in der Lage ist, Teile nach diesen unterschiedlichen Spezifikationen und den Anforderungen der Endbenutzer zu produzieren. Die Innovation besteht darin, die Stereolithographie-Technologie zur Herstellung von komplexen Multimaterialteilen aus Keramik-Keramik, Keramik-Metall oder Keramikpolymeren zu verwenden.

Zeichnung des Konzeptnachweis mit Aluminiumoxid in blau und der internen Kanäle in rot

Nach dem Drucken und Schneiden des Teils können die mit polymerisiertem Harz hergestellten Innenkanäle beobachtet werden

Albert Tarançon, leitender Wissenschaftler des Cell3Ditor-Projekts bei L’IREC, erklärt: „Die 3D-Drucktechnologie, die von 3DCERAM über ihre Hybridmaschine entwickelt wurde, revolutioniert die Herstellung von Keramik und fördert den 3D-Druck von Multimaterialien und schließlich kompletten Geräten.“

UNTERSTÜTZUNG, UM DAS RICHTIGE ZU ERHALTEN - ZERTIFIZIERUNGEN

Diese Branche ist stark reguliert. Ein Schlüsselfaktor im 3D-Druck für den Sektor der Biomedizin sind die Zertifizierungen zur Herstellung von Teilen. 3DCERAM ist durch die ISO 9001 und ISO 13485 zertifiziert und begleitet seine Kunden bei der Erlangung der richtigen Zertifizierungen.

MASSGESCHNEIDERTE AUSBILDUNGEN

3DCERAM war Pionier in der Herstellung von Keramikadditiven und hat eine Expertise im biomedizinischen Sektor aufgebaut basierend auf mehr als 15 Jahren Erfahrung. 3DCERAM kombiniert Keramik und 3D-Druck. Das Unternehmen verfügt über eine umfassende Druckkompetenz, hat maßgeschneiderte Prozessprüfungen und Schu-lungen entwickelt, um seinen Kunden zu helfen und ihren Keramikprojekten eine neue Dimension zu verleihen. 3DCERAM bietet Expertenwissen auf dem Gebiet des 3D-Drucks von Keramik für die Entwicklung der Teilefertigung mit dem Ceramaker. 3D-Keramikdruck ist eine disruptive Technologie und kann sich auf die traditionellen Kanäle der Unternehmensorganisation auswirken. Es sind mehrere Module und Ausbildungsstufen verfügbar:

  • Von der Einführung bis zu den Prinzipien des 3D-Keramikdrucks
  • Detailliert die wichtigen Teile des Prozesses
  • Das Warum, Wie und Wann des Keramikdrucks, während der Untersuchung realer Beispiele für die Druckoptimierung

Die 3D-Keramikdrucktechnologie wird verwendet, um die Produktion zu optimieren, komplexe Teile zu erleichtern und dem Endkunden langfristige Vorteile zu bieten. Laut einem zehnjährigen Opportunitätsanalysedokumentes von Smartech Markets ist die Zukunft der additiven Keramikherstellung für technische Keramik vielversprechend. Es gibt eine ermutigende Verlagerung von der Forschung zur Produktion von technischer Keramik in vollem Umfang. 3DCERAM sind mit ihrer neuen disruptiven Technologie und ihrer Expertise im biomedizinischen Bereich gut positioniert, um den Weg in eine aufregende Zukunft mit hohen Ansprüchen zu weisen.

Über 3DCERAM-SINTO:

3DCERAM (www.3Dceram.com) wurde 2001 gegründet und ist ein Unternehmen mit Sitz in Limoges. Seit 2009 ist 3DCERAM im Besitz von Christophe Chaput und Richard Gaignon. Sintokogio Ltd. aus Nagoya, Japan, erwarb 3DCERAM. Ende 2018 wurde die Entscheidung getroffen, bis in den nordamerikanischen Markt zu expandieren. Dann erfolgte die Gründung von 3DCERAM Sinto, Inc. in Wallingford, CT, USA. Mit der Eröffnung im Mai 2019 wurde unser Anwendungslabor eröffnet, welches zusätzlichen Support und Service für nordamerikanische Kunden bietet. Peter Durcan, V.P. of Sales ist der Leiter für unsere nordamerikanische Tochtergesellschaft. 3DCeram bündelt beispielloses Know-how in der Technologie des 3D-Drucks und bietet ein Komplettpaket durch Begleitung der Kunden bei den von ihnen gewählten Projekten Keramik, Produktionsspezifikation, F & E, Modifikation von 3D-Teilen zur Industrialisierung, On-Demand-Produktion, Verkauf der CERMAKER® 900-Drucker und den dazugehörigen Verbrauchsmaterialien.

 - Erstellt von Lea Reischmann

 

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