Die Entwicklung biologisch abbaubarer Implantate stellt einen wichtigen Fortschritt in der Medizin dar und adressiert zentrale Herausforderungen, die mit dauerhaft im Körper verbleibenden metallischen Implantaten verbunden sind. Traditionelle metallische Implantate aus Materialien wie Titan oder Edelstahl bieten hohe Festigkeit und Biokompatibilität, sind jedoch dauerhaft im Körper und können Langzeitkomplikationen verursachen, beispielsweise chronische Entzündungen oder schwierige chirurgische Entfernung. Hier setzen biomaterialbasierte, biologisch abbaubare Implantate an, die sich im Körper kontrolliert zersetzen und so eine zweite Operation unnötig machen. In diesem Zusammenhang gewinnt die additive Fertigung von Zink-Biomaterialien zunehmend an Bedeutung und wird als vielversprechender Weg für die nächste Implantatgeneration angesehen, insbesondere im Bereich der Knochenregeneration und temporären Fixierung. Zink als Material für bioresorbierbare Implantate zeichnet sich durch eine ideale Korrosionsrate aus, die zwischen den beiden etablierten bioresorbierbaren Metallen Magnesium und Eisen liegt.
Während Magnesium sehr schnell korrodiert und so zu unerwünschten Nebenwirkungen führen kann, zeigt Eisen eine zu langsame Zersetzung, was Langzeitrisiken birgt. Zink bietet daher ein ausgewogenes Korrosionsverhalten, das eine optimale Zeitspanne für die Heilung von Knochen oder Weichgewebe ermöglicht. Darüber hinaus besitzt Zink natürliche antibakterielle Eigenschaften und spielt eine wichtige Rolle bei der Osteogenese, wodurch es den Knochenheilungsprozess biologisch unterstützt. Die Herstellung komplexer, poröser und individuell anpassbarer Strukturen aus Zink stellt jedoch seit langem eine Herausforderung dar. Traditionelle Fertigungsmethoden stoßen bei der Herstellung netzartiger Gerüste und patientenspezifischer Implantatformen an ihre Grenzen, da diese Verfahren meist keine feine Kontrolle über innere Architektur und Porosität erlauben.
Hier zeigen additive Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Drucktechnologien wie Selective Laser Melting (SLM) und Binder Jetting, ihr großes Potenzial. Die Fähigkeit, CAD-Daten direkt umzusetzen und somit patientenindividuelle Strukturen mit kontrollierten mechanischen Eigenschaften und definierter Porosität herzustellen, ist ein entscheidender Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren. In der Pionierstudie eines Forschungsteams der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics wurden SLM und Binder Jetting als Verfahren zur Herstellung von porösen Zinkimplantaten untersucht. Dabei mussten spezifische Herausforderungen bedacht werden, die auf Zinks physikalische Eigenschaften zurückgehen. Zink besitzt einen vergleichsweise niedrigen Siedepunkt, eine hohe Reflexionsfähigkeit gegenüber Laserlicht und oxidiert leicht, was die Stabilität und Qualität des pulverbettbasierten Fertigungsprozesses erschwert.
Durch präzise Optimierung der Prozessparameter konnten diese Schwierigkeiten jedoch weitgehend überwunden werden. Beispielsweise trug die Einstellung der Laserleistung, Scan-Geschwindigkeit sowie die Schichtdicke entscheidend dazu bei, Fehler wie Porosität durch Schlüssellochbildung zu minimieren und gleichzeitig die gewünschte Mikrostruktur zu erzielen. Die additive Fertigung ermöglicht die gezielte Gestaltung der Porengröße und -verteilung innerhalb des Implantats, was für die biologische Infiltration von Zellen, die Durchblutung und letztlich für die erfolgreiche Knochenregeneration entscheidend ist. Poröse Gerüste bieten zudem die nötige mechanische Festigkeit, die mit der des natürlichen Knochengewebes vergleichbar ist, was den Belastungen im Körper standhält, ohne den Heilungsprozess zu stören. Die Flexibilität der AM-Technologien erlaubt zudem die Integration komplexer makro- und mikrostruktureller Architekturmerkmale, die mit herkömmlichen Verfahren nicht realisierbar wären.
Binder Jetting als alternativer Ansatz bietet Vorteile in Bezug auf die Feinkörnigkeit und Detailgenauigkeit der gedruckten Strukturen. Dabei wird ein flüssiges Bindemittel selektiv auf ein Pulverbett aus Zinkoxid aufgebracht, das anschließend in einem thermischen Nachbearbeitungsschritt zu metallischem Zink reduziert wird. Dieses Verfahren ermöglichte die Herstellung leichterer, poröser Strukturen mit guter bio-kompatibler Oberfläche. Allerdings sind Herausforderungen wie Volumenschrumpfung und Sinterrisse durch das thermische Nachbehandlungsverfahren zu beachten, die aktiv erforscht werden, um die Zuverlässigkeit der Produkte zu erhöhen. Ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Eigenschaften der Zinkimplantate ist die Legierung mit Elementen wie Magnesium, Calcium oder Silber.
Durch gezieltes Legieren können sowohl die Druckbarkeit als auch die mechanischen Eigenschaften und die kontrollierte Bioabbaurate angepasst werden. Aufgrund ihrer bioaktiven Wirkungen, insbesondere antibakterieller Effekte und Unterstützung der Knochenheilung, tragen diese Legierungselemente zu einer besseren klinischen Performance bei. Die biologische Verträglichkeit der additiv gefertigten Zinkimplantate wurde durch umfangreiche In-vitro-Tests bestätigt. Sie zeigten eine hohe Cytokompatibilität, unterstützten die Zellanhaftung und förderten die Proliferation von Knochen- und Gewebezellen. Zusätzlich konnten antibakterielle Wirkungen gegen häufige Erreger wie Staphylococcus aureus und Escherichia coli nachgewiesen werden.
Die Zinkimplantate führten zur Schädigung und Reduzierung von Bakterienkolonien, was auf eine potenzielle Verringerung postoperativer Infektionsrisiken hinweist. Die klinische Übersetzung solcher bioabbaubarer Zinkimplantate hat großes Potenzial für Anwendungen in der temporären Knochenfixierung, als belastungsfähige Gerüste und auch in der Herstellung von bioresorbierbaren Stents und anderen medizinischen Geräten. Im Gegensatz zu permanenten Implantaten wird die chirurgische Entfernung durch den natürlichen Abbau des Materials überflüssig, was das Risiko von Komplikationen mindert und Patientenkomfort sowie Heilungschancen signifikant erhöht. Zusätzlich erlaubt die digitale Natur der additiven Fertigung eine patientenspezifische Anpassung, wodurch Implantate exakt auf individuelle anatomische Gegebenheiten zugeschnitten werden können. Dies erhöht die Passgenauigkeit der Implantate, beschleunigt die Genesung und kann letztlich die Kosten und Dauer der Behandlung reduzieren.
In der internationalen Forschung werden die Möglichkeiten zusätzlich erweitert durch hybride Herstellungsverfahren, bei denen zum Beispiel inkjet-gedruckte, opferbare Templates mit SLM-Überzügen kombiniert werden. Diese Techniken ermöglichen das Erzeugen von funktional graduierten Materialien und Verbundstrukturen, die mechanische Stabilität und biologische Funktionalität ideal miteinander vereinen. Solche Entwicklungen eröffnen einen Weg hin zu maßgeschneiderten, multifunktionalen Implantaten, die den komplexen Anforderungen heutiger und künftiger Medizin gerecht werden. Forschungseinrichtungen wie das RWTH Aachen Institut beschäftigen sich intensiv mit der Fertigung von ZnMg-Legierungen mittels Laser Powder Bed Fusion, um die Balance zwischen Festigkeit und Abbaurate noch besser zu steuern. Die konsequente Verknüpfung von Materialwissenschaft, additiver Fertigungstechnik und Biomedizin schafft dabei eine Innovationsplattform für die nächste Generation von Implantaten.
Ähnliche Fortschritte zeigen Teams in den Niederlanden, unter anderem durch extrusionsbasierten 3D-Druck von porösem Eisen, das seine eigenen Vorteile als bioresorbables Material für temporäre Knochensubstitute besitzt. Insgesamt zeigt die additive Fertigung von Zink-Biomaterialien einen Paradigmenwechsel in der Herstellung medizinischer Implantate. Die Kombination aus biokompatiblen, bioresorbierbaren Metallen mit modernster digitaler Produktionstechnologie ermöglicht die Realisierung von patientenspezifischen, hochfunktionalen Implantaten, die sowohl mechanisch als auch biologisch optimal auf den Heilungsprozess abgestimmt sind. Diese Entwicklungen versprechen eine signifikante Verbesserung der Patientenversorgung, reduzierte Komplikationen und einen nachhaltigeren Einsatz von Implantatmaterialien. Die nächsten Schritte in diesem aufstrebenden Feld umfassen die Weiterentwicklung von Materiallegierungen, die Optimierung von 3D-Druckparameter und Nachbearbeitungsverfahren sowie ausgedehnte in-vivo-Studien, um die Sicherheit und Effektivität der neuen Implantatgeneration unter realen klinischen Bedingungen zu bestätigen.
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern, Ingenieuren, Medizinern und Herstellern wird dabei der Schlüssel zum Erfolg sein. Zusammenfassend bietet die additive Fertigung von Zink-Biomaterialien nicht nur eine technische Innovation, sondern auch einen neuen therapeutischen Ansatz, der eine patientenorientierte, nachhaltige und sichere Behandlung ermöglicht. Die Kombination aus digitaler Präzision, biologischer Funktionalität und kontrollierter Degradation macht Zink-Implantate zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Zukunft der regenerativen Medizin und orthopädischen Versorgung.
