Motivation und Problemstellung
Implantatassoziierte Infektionen und unzureichende Knochenintegration gehören zu den schwerwiegendsten Komplikationen in der Orthopädie und Unfallchirurgie und führen häufig zu Revisionsoperationen und langen Krankenhausaufenthalten. Ein zentrales Problem ist, dass Infektionsprävention bislang kaum in der Implantatherstellung verankert ist und antimikrobielle Eigenschaften meist nur nachträglich und mit begrenzter Reproduzierbarkeit erzeugt werden.
Demonstrator im Überblick
Das Projekt verfolgt das Ziel einen neuartigen Ansatz zur integrierten Herstellung funktionalisierter, bildgebend artefaktfreier Polyetheretherketon (PEEK)-Implantate. Kern ist ein hybrides Fertigungsverfahren, das die additive Fertigung von PEEK in Form von Fused Filament Fabrication unter reinsten Hochvakuumbedingungen direkt mit einer plasmabasierten Oberflächenbeschichtung (Vakuumlichtbogen) in einem einzigen, durchgängigen Prozess kombiniert. Der Vakuumdruck verbessert die Festigkeit der Bauteile, während gleichzeitig bioaktive und antimikrobielle Beschichtungen (z. B. TiO₂, Zn) gezielt aufgebracht werden können.
Methodik und Umsetzung
Zu Beginn erfolgte die systematische Parameterfindung für den Vakuum-3D-Druck. Hierbei wurden relevante Prozessgrößen identifiziert und durch mechanische Prüfverfahren bewertet. Dazu zählen insbesondere Zugprüfungen sowie 3-Punkt-Biegeversuche, um das Materialverhalten unter Belastung zu charakterisieren. Ergänzend werden spezifische Prüfungen an Zwischenwirbelimplantat gemäß einschlägiger Norm durchgeführt, um die Eignung für den vorgesehenen Einsatzbereich zu validieren.
Parallel dazu wurden die funktionalen Schichten optimiert mit dem Ziel, antibakterielle Eigenschaften zu erzielen. Dabei wird die bakterienreduzierende Wirkung im umgebenden Medium analysiert und quantitativ bewertet. Parallel dazu wird die biologische Verträglichkeit untersucht, insbesondere im Hinblick auf Cytotoxizität und Zelladhäsion auf TiO2 und das Verhalten von Zellen auf den entwickelten Oberflächen.
Abschließend wird das Design eines Zwischenwirbelimplantats entwickelt und mittels der zuvor optimierten Fertigungsparameter hergestellt. Die gefertigten Implantate werden mit geeigneten Beschichtungen versehen und anschließend erneut mechanischen Prüfungen gemäß relevantem Normen unterzogen, um die strukturelle Integrität und Funktionalität sicherzustellen.
Ergebnisse und Erkenntnisse
Die aufgebrachte Zn-beschichtung zeigt eine ausgeprägte antimikrobielle Wirkung gegenüber dem häufig vorkommenden Bakterienstamm Staphylococcus aureus sowie dessen resistenter Variante (MRSA). Gleichzeitig kann die Adhäsion von Knochenzellen durch eine TiO₂-Beschichtung signifikant verbessert werden. Die Kombination beider Beschichtungen (TiO₂ und Zn) gibt somit das Potenzial, PEEK-Implantate hinsichtlich ihrer Infektionsresistenz und osseointegrativen Eigenschaften gezielt zu optimieren.
Durch die Abwesenheit konvektiver Wärmeübertragung im Vakuum verbleibt die Wärme länger im Bauteil, was zu einer verbesserten Schichthaftung führt. Mechanische Untersuchungen an vereinfachten Probekörpergeometrien zeigen eine befriedigende Druckfestigkeit und bestätigen damit die grundsätzliche Eignung des Materials für Anwendungen in der Wirbelsäule. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf reale Implantatgeometrien wird derzeit weiter untersucht.
Technologische Einordnung
- TRL 3 ist in diesem Projekt angestrebt
- Stärken und Limitationen
Zu den wesentlichen Stärken zählt die erstmalige Integration von additiver Fertigung und funktionaler Beschichtung in einem durchgängigen Vakuumprozess, wodurch bioaktiven und antimikrobiellen Eigenschaften erzeugt werden können. Limitationen bestehen derzeit insbesondere in der bekannten Schwäche von FFF-3D-Druck (z.B. Auflösung, Schichthaftung, Oberflächenqualität) sowie Herausforderungen der Temperaturmanagement im Vakuum. Zudem ist die Übertragbarkeit auf komplexe Geometrien und eine konsistente Schichtqualität bei skalierter Fertigung weiter zu untersuchen.
- Skalierbarkeit
Für eine industrielle Umsetzung sind weitere Automatisierungskonzepte erforderlich. Eine wirtschaftliche Skalierung erscheint insbesondere für spezialisierte, patientenspezifische Implantate mit hohem Mehrwert realistisch. Durch den integrierten Ein-Schritt-Prozess und die vergleichsweise geringe prozesstechnische Komplexität der FFF eröffnet sich grundsätzlich auch die Perspektive einer dezentralen Herstellung im klinischen Umfeld (Point-of-Care).
Anwendungsfälle und Transferpotenzial
- PEEK Metall Strukturen zur Absorbtion/Reflektion der elektromagnetischen Strahlung
Durch die Kombination von PEEK mit gezielt aufgebrachten metallischen Schichten eröffnen sich zusätzliche Anwendungsfelder außerhalb der Medizintechnik. Insbesondere können solche Hybridstrukturen zur gezielten Absorption oder Reflexion elektromagnetischer Strahlung eingesetzt werden, beispielsweise im Bereich der Abschirmung (EMP-Shielding).
Die Kombination aus additiver Fertigung und in-situ-Funktionalisierung bietet dabei ein breites Innovationspotenzial für Bauteile mit maßgeschneiderten mechanischen und funktionalen Eigenschaften
Weiterführende Informationen
Publikationen:
Phruekthayanon, J.; Kühn-Kauffeldt, M.; Kühn, M.; Diez, J. G.; Tübel, J.; Heller, S.; Burgkart, R.; Obermeier, A. Biofunctionalization of 3D printed PEEK using integrated cathodic arc plasma coating: a one-step solution to antimicrobial and bioactive PEEK Implant. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2025, 36 (1), 109. https://doi.org/10.1007/s10856-025-06971-7
Kühn-Kauffeldt, M.; Kühn, M.; Perrin, N.; Saur, W. Fused filament fabrication of thermoplastics in high vacuum without convective heat transfer. Scientific Reports 2025, 15 (1), 27497. https://doi.org/10.1038/s41598-025-13181-2
Kühn-Kauffeldt, M.; Kühn, M.; Mittermeier, C.; Kiendl, J. Fused filament fabrication of polyetheretherketone in vacuum: the influence of high vacuum on layer adhesion in z-orientation. Progress in Additive Manufacturing 2024. https://doi.org/10.1007/s40964-024-00897-2
Ansprechpartner:
Marina Kühn-Kauffeldt (marina.kuehn-kauffeldt@unibw.de)