Additive Fertigung von Knochenersatzimplantaten aus kristallisierenden bioaktiven Gläsern
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die Gewinnung grundlegender Erkenntnisse zum Einfluss von Glaspulverherstellung und -verarbeitung, sowie von 3D-Druck-Prozessparameter und Sinterbedingungen auf die Herstellung und Bioaktivität künstlicher Knochenersatzmaterialien aus bioaktivem Glas. Im Rahmen des Projekts wurden die maßgeblichen Einflussfaktoren wie der Einfluss der Mahlbedingungen, der Korngrößenfraktion, Bindersättigung, Pulverbetttemperatur und Schichtdicke auf die Fertigung additiv gedruckter Vollkörpern und Komplexstrukturen, sowie deren Sinter- und Kristallisationsverhalten zielgerichtet untersucht. Die drei untersuchten bioaktiven Gläser 13-93, das fluoridhaltige F3 sowie dessen 1-molar kupferdotierte Variation F3- Cu wurden zudem grundlegend hinsichtlich ihres thermischen Verhaltens und der Kinetik der Kristallisation charakterisiert. Im Vergleich zeigte das Glas 13-93 eine geringe Kristallisationsneigung, die für alle Partikelgrößenfraktionen die Fertigung glasiger Formkörper ermöglichte. Die Partikelgröße begrenzt dabei die erreichbare Komplexität. In den Gläsern F3 und F3-Cu verringerte oder begrenzte die korngrößenabhängig einsetzende Kristallisation das Sintern und erzeugte oberflächlich teilkristalline Formkörper. Diese zeigt aber ebenfalls ein Potenzial auf komplexe Feinststrukturen direkt nach der Verdichtung zu stabilisieren, ohne maßgeblich negative Effekte auf die nachgewiesene Bioaktivität bzgl. Löslichkeit und Zellproliferation zu bewirken. Alle untersuchten Gläser bildeten nach sieben Tagen Auslagerung in simulierter Körperflüssigkeit eine oberflächliche Hydroxylapatitschicht. Indirekte Studien mit knochenbildenden Zellen zeigten nach drei Tagen Inkubation Zellanhaftung mit charakteristischer Morphologie und Vermehrung auf, die für biokompatible Materialien erwartet wird. Das Glas F3-Cu zeigte dabei nach einer unerwünschten initial toxischen Wirkung auf die Anzahl der Zelle eine deutlich erhöhte Proliferation. Zusätzlich zeigte sich generell, dass sich eine geringere Oberflächenrauheit positiv auf die Zellproliferation auswirkt, und dass sich die Wachstumsrichtung an makroskopischen Defekten orientiert. Im Projektrahmen ist es gelungen den Einfluss der Prozessparameter für die erfolgreiche Herstellung additiv gefertigter komplexer Formkörper für Knochenersatzimplantate aus kristallisierenden bioaktiven Gläsern zu eruieren, den Rahmen einsetzbarer Partikelgrößen zu erweitern, sowie Limitationen zu ergründen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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3D Printed Bioactive Glass Scaffolds: Effect of Structural Design and Composition on in vitro Cytocompatibility. BioCeramics 32 (2022) Venedig, Italien; (Vortrag)
Q. Nawaz, C. Blaeß, R. Müller & A. R. Boccaccini
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3D printing of crystallizing bioactive glasses. 26th International congress on glass (2022) Berlin, Deutschland; (Vortrag)
C. Blaeß, J. Wilbig, Q. Nawaz, A. R. Boccaccini & R. Müller
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Biological characterization of novel bioactive glasses suitable for 3D printing. 26th International congress on glass (2022) Berlin, Deutschland; (Vortrag)
Q. Nawaz, C. Blaeß, R. Müller & A. R. Boccaccini
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Sintering and foaming of bioactive glasses. Journal of the American Ceramic Society, 105(11), 6616-6626.
Blaeß, Carsten & Müller, Ralf
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Processing and cytocompatibility of Cu-doped and undoped fluoride-containing bioactive glasses. Open Ceramics, 18, 100586.
Nawaz, Q.; Blaeß, C.; Müller, R. & Boccaccini, A.R.
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Sintering and crystallization kinetics of bioactive glass 13–93. Journal of Non-Crystalline Solids, 627, 122790.
Blaeß, Carsten; Müller, Ralf & Boccaccini, A.R.
