Additiv hergestellte metallische Hüftschaftstrukturen mit Integralaufbau und organo-chemisch funktionalisierter Außenfläche (Akronym: AntiStressShielding)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Fischer; Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Biomaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567364495

Zu den am häufigsten durchgeführten orthopädischen Operationen gehört der Hüft- und Kniegelenksersatz. Hauptgründe für das Versagen von Endoprothesen stellen Lockerungsvorgänge dar. Diese können durch „Stress Shielding“ ausgelöst werden. Durch die Differenz zwischen dem Elastizitätsmodul des kortikalen Femurs (ca. 20 GPa) und dem Endoprothesenschaft (Ti: ca. 105 GPa, CoCr: ca. 210 GPa) wird die auf den Knochen wirkende Beanspruchung stark reduziert. Dies führt zu einem Abbau an Knochengewebe und zur Prothesenlockerung. Ziel des Projektes ist die wissenschaftliche Überprüfung eines neuen Designansatzes zur Adressierung des Problems.Die Reduktion des „Stress Shieldings“ soll über eine Verringerung der Prothesensteifigkeit erreicht werden. Es konnte gezeigt werden, dass metallische Gitterstrukturen eine deutlich reduzierte Steifigkeit aufweisen. Im Projekt werden verschiedene Gitterstrukturtypen (f2bcc,z, Gyroid, etc.) hinsichtlich ihrer Struktursteifigkeit und Dauerfestigkeit untersucht. . Mithilfe von Finite-Elemente-Berechnungen wird eine Vorauswahl an geeigneten Strukturen getroffen. Anschließend werden diese Strukturen im LPBF-Verfahren aus der β-Titanlegierung Ti24Nb4Zr8Sn (E-Modul ca.50 GPa) gefertigt. Um die Dauerfestigkeit zu steigern, werden verschiedene Nachbehandlungsmethoden angewendet. Um das Anwachsen der angrenzenden Knochenzellen auf der Implantatoberfläche und damit die Osseointegration zu verbessern, werden chemische Konjugationen bioaktiver Liganden oder kurzer Peptidsequenzen verwendet, die von Proteinen der extrazellulären Matrix (EZM) stammen, um so eine biomimetische Mikroumgebung auf den Oberflächen zu schaffen. In Anwesenheit von Adhäsionsliganden kann die osteoinduktive Wirkung deutlich verstärkt und eine beschleunigte Differenzierung von humanen mesenchymalen Stammzellen zu Knochenzellen bewirkt werden. Aus diesem Grund werden das Adäsionspeptid c-RGD sowie der Wachstumsfaktor BMP-2 auf Ti24Nb4Zr8Sn-Oberflächen in verschiedenen Konzentrationen immobilisiert, um den synergistischen Effekt beider Biomoleküle bewerten zu können. Das Zusammenspiel beider Biomoleküle wird durch die Expression von osteoinduktiven Markern, wie STRO-1, RUNX-2 und Osteopontin mit Hilfe von Immunfluoreszenz analysiert. Darüber hinaus soll das Mineralisierungsverhalten von mesenchymalen Stammzellen und die Sekretion der Alkalischen Phosphatase in den Zellkulturüberstand zu verschiedenen Zeitpunkten überprüft werden. Außerdem wird erarbeitet, wie sich die organo-chemische Funktionalisierung am effizientesten auf dem Außenmantel einer Gitterstruktur immobilisieren lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen