Medizinische Implantate gewinnen für die Lebensqualität von Patienten zunehmend an Bedeutung. Der Fortschritt bei additiven Fertigungsverfahren – des sogenannten 3D-Drucks – und die Entwicklung verträglicher Tantal- und Nioblegierungen bieten vielversprechende Ansätze für die Herstellung individuell angepasster, biokompatibler Implantate. Beide Werkstoffe verstärken den Fokus moderner Medizintechnik: bestmögliche Leistung bei größtmöglicher Individualität. Markus Weinmann, leitender Wissenschaftler für Technologie-Scouting und Geschäftsentwicklung bei der Taniobis GmbH, erläutert den Einsatz der Werkstoffe und der Herstellungstechnologie.
Medizinische Implantate spielen in der modernen Medizin eine entscheidende Rolle und sind für ein barrierefreies Leben unverzichtbar. Dabei verbessern Implantate die Lebensqualität und unterstützen lebenserhaltend, indem sie körperliche Funktionen aufrechterhalten oder sogar wiederherstellen. Ganz gleich, ob Implantate sehr groß oder mikroskopisch klein und dabei auch noch besonders langlebig sind, sie müssen vor allem eines sein: biokompatibel. Andernfalls besteht die Gefahr, dass es zu Entzündungen kommt und der Körper das Implantat abstößt. Je nach verwendetem Material können Implantate, die mithilfe des 3D-Drucks gefertigt werden, diese Anforderungen erfüllen.
Tantal- und Niob-Legierungen: biokompatible Alternativen
Typen und Einsatzbereiche von Implantaten sind vielfältig: Man unterscheidet orthopädische Implantate wie Gelenkprothesen oder Wirbelsäulenimplantate, Dentalimplantate und funktionale Implantate, zum Beispiel im Innenohr. Jedes Implantat muss zum jeweiligen Patienten und seinem Körper passen. Aus Titan, Aluminium und Vanadium bestehende Ti-6Al-4V-Legierungen finden derzeit am häufigsten Anwendung in orthopädischen und Dentalimplantaten: Über 90 % aller Zahn- und Knochenimplantate bestehen aus diesem Material oder aus Reintitan.
Beispiel der Legierung AMtrinsic®, bestehend aus Titan, Niobium und Tantal, in einem CMF-Implantat (Bild: Taniobis)
Das liegt vor allem daran, dass die Legierung eine hohe Festigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Dennoch gilt sie bei vielen Menschen als unverträglich; etwa 20 % der behandelten Patienten vertragen diese Implantate nicht. Dies führt bei den Betroffenen zu Infektionen und Entzündungen, die das Entfernen des Implantats erforderlich machen können. Legierungen aus Titan, Tantal und Niob sind weit verträglichere Alternativen. Durch die Ausbildung einer dichten Oxidschicht auf ihrer Oberfläche, bilden sie einen biokompatiblen Werkstoff mit höchster Duktilität, Elastizität und Festigkeit. Damit kommen die Eigenschaften der Legierungen denen von Knochen sehr nahe. Die additive Fertigung ermöglicht es darüber hinaus, komplexe und verträgliche Implantate aus Tantal- und Nioblegierungen herzustellen, die individuell auf die Ansprüche des Patienten angepasst werden können.
Medizinischer Fortschritt durch 3D-Druck
Der 3D-Druck bietet eine Kombination aus schneller Produktion und individueller Anpassbarkeit. Dies wiederum ermöglicht zügige technologische Fortschritte in der Forschung und Entwicklung als auch in der Produktion in der Medizintechnik. In diesen Bereichen erscheint der Einsatz der Werkstoffe Tantal und Niob besonders lohnend. Sie sind hochschmelzend und halten Temperaturen von bis zu 3000 °C stand. Das macht konventionelle Verarbeitungsverfahren wie das Gießen dieser Materialien sehr schwierig. Der 3D-Druck hingegen eröffnet viele verschiedene Möglichkeiten, die Werkstoffe in Form zu bringen und anzupassen.
Die additive Fertigung ermöglicht es, komplexe und verträgliche Implantate aus Tantal- und Nioblegierungen herzustellen, die individuell auf die Ansprüche des Patienten angepasst werden können (Bild: Taniobis)
Mit speziell entwickelten Tantal- und Niob-Pulvern lassen sich Bauteile additiv fertigen, die nicht nur hohen Temperaturen widerstehen, gute mechanische Eigenschaften und eine effektive Korrosions-/Oxidationsbeständigkeit aufweisen, sondern gleichzeitig hochgradig biokompatibel sind. AMtrinsic®-Pulver der Taniobis GmbH sind gasverdüste, sphärische tantal- und niobhaltige Legierungspulver mit speziell für den 3D-Druck entwickelten Verarbeitungseigenschaften. Sie eignen sich für alle gängigen additiven Fertigungstechnologien: vom Laserstrahlschmelzen über selektives Elektronenstrahlschmelzen bis hin zum Laserauftragsschweißen. Individualität und Anpassbarkeit stehen dabei insbesondere im Bereich der biomedizinischen Anwendungen im Vordergrund.
Individualisierung in der Medizintechnik
Die Gesundheitsbranche geht den Weg hin zu einer immer stärker werdenden Individualisierung der zu behandelnden Patienten, sowohl in der Therapie als auch bei den Medizinprodukten. Legierungspulver auf Basis von Titan, Niob und Tantal sind Spitzenreiter im aktuellen Trend der Medizintechnik, der hin zu kleineren, leichteren, aber gleichzeitig leistungsstärkeren und personalisierten Medizinprodukten geht.
Tantal- und Niob-Pulver sind jedoch nicht nur in der Medizintechnik gefragt. Ihr Eigenschaftsprofil macht sie insbesondere auch für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Bereich von Supraleitern, die in Quantencomputern verbaut werden, interessant; Niob- und Tantalpulver revolutionieren, damit nicht nur den 3D-Druck, sie sind auch Wegbereiter für Megatrends.
Über die Taniobis GmbH
Die Taniobis GmbH (vor Juli 2020 H.C. Starck Tantalum & Niobium GmbH) mit Hauptsitz in Goslar ist einer der weltweit führenden Produzenten mit über 60 Jahren Erfahrung in der Verarbeitung von hochwertigen Materialien auf Basis von Tantal und Niob. Niederlassungen bestehen neben Goslar in Laufenburg (Deutschland), Tokio und Mito (Japan), Map Ta Phut (Thailand) und Needham (USA). Das Unternehmen fertigt Lösungen für unterschiedlichste Anwendungsgebiete, unter anderem für Kunden aus den Bereichen Elektronik mit Schwerpunkt Kondensatoren und Halbleiter, Automobil, Energie, Luftfahrt, Chemie und Medizintechnik. Das Unternehmen bietet zudem Legierungen, die dem modernsten Stand der Technik entsprechen und unter anderem in der additiven Fertigung von Interesse sind.
- www.taniobis.com
Text zum Titelbild: Titan-, Tantal- und Nioblegierungen bilden durch eine dichte Oxidschicht einen biokompatiblen Werkstoff mit höchster Duktilität, Elastizität und Festigkeit und kommen so den Eigenschaften von Knochen sehr nahe (Bild: Taniobis)
