Hochleistungskunststoffe in der Medizintechnik

Im Interview mit dem K-Mag spricht Dr. Philip Engel, Head of Segment Medical Systems Europe | Business Line High Performance Polymers, Evonik Operations GmbH über Kunststoffe in der modernen Medizin und das neue kohlenstofffaserverstärkte PEEK-Filament für 3D-gedruckte Langzeitimplantate sowie darüber, was künftig im Bereich der smarten Biomaterialien noch möglich sein könnte.

Herr Dr. Engel, worum handelt es sich bei Ihrem Produkt VESTAKEEP®?

Dr. Philip Engel: Unter dem Markennamen VESTAKEEP® vermarktet Evonik Polyetheretherketon (PEEK), ein thermoplastischer Hochleistungskunststoff, der für seine mechanischen Eigenschaften, hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit bekannt ist.

VESTAKEEP® in der Medizintechnik

Speziell für die Medizintechnik ist Evonik einer der führenden Technologieanbieter im Bereich der Hochleistungs-Polymere und bietet verschiedene VESTAKEEP® PEEK-Typen an, darunter sogenannte Care Grades für kurzzeitigen Körperkontakt, Lösungen für Dentalprodukte und für Langzeitimplantate. Die Eigenschaften von für medizinische Anwendungen umfassen u.a. eine herausragende Biokompatibilität, sehr gute Biostabilität und eine Resistenz gegenüber allen gängigen Sterilisationsverfahren.

Als weltweit erster Anbieter haben wir sehr früh den Filament-3D-Druck für die Herstellung von PEEK-Implantaten in enger Partnerschaft mit Druckerherstellern unterstützt und das Filament-Portfolio kontinuierlich erweitert.

Unsere neuste Entwicklung ist das kohlenstofffaserverstärkte PEEK-Filament für medizinische 3D-gedruckte Langzeitimplantate. Die beiden Filamente VESTAKEEP® iC4612 3DF und VESTAKEEP® iC4620 3DF enthalten 12% bzw. 20% Kohlenstofffasern. Die beiden Qualitäten bieten eine Auswahl an Materialien je nach den erforderlichen Festigkeits- und Biegeeigenschaften von 3D-gedruckten Implantaten wie Knochenplatten und anderen rekonstruktiven Prothesen.

Das Filament hat einen Durchmesser von 1,75 mm und kann mit herkömmlichen PEEK-Druckern mittels Fused Filament Fabrication (FFF) verarbeitet werden.

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Welche Vorteile bietet Ihr Filament im Vergleich zu anderen Materialien?

Engel: Durch den Einsatz von Kohlefaser wird die Steifigkeit des Materials um den Faktor 3-4 erhöht, was es für Anwendungen geeignet macht, die eine hohe Steifigkeit erfordern, wie beispielsweise Knochenplatten, bei denen ungefülltes PEEK zu elastisch ist.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Ausrichtung der Kohlenstofffasern während des 3D-Druckverfahrens zu definieren.

Im Allgemeinen verhalten sich faserverstärkte Werkstoffe anisotrop, was bedeutet, dass ihre mechanischen Eigenschaften stark von der Ausrichtung der Fasern abhängen und die Faserorientierung in einem Bauteil unterschiedlich sein kann.

Vorteile der FFF-Drucktechnologie

Für im Spritzguss hergestellte faserverstärkte Teile beispielsweise lassen sich die Faserausrichtung und damit die mechanischen Eigenschaften des Bauteils nur begrenzt steuern. Genau hier liegt der entscheidende Vorteil bei der Verarbeitung eines faserverstärkten Materials aus Filament mittels FFF-Druck. Mit dieser Verarbeitungstechnologie kann die Ausrichtung der Kohlenstofffasern genau gesteuert werden. Durch die gezielte Verstärkung bestimmter Bereiche des Bauteils wird die Performance verbessert und die Flexibilität für den Anwender erhöht.

Wie wurde die Balance zwischen hoher Festigkeit, Duktilität und geringem Gewicht bei der Entwicklung von VESTAKEEP® Filamenten erreicht?

Engel: Durch das Hinzufügen von Fasern wird die Steifigkeit eines Materials erhöht, jedoch verringert sich gleichzeitig die Duktilität. Um den besten Kompromiss zwischen diesen Eigenschaften zu finden, haben wir verschiedene Fasergehalte getestet und in Zusammenarbeit mit Partnern evaluiert. Im Ergebnis haben wir uns dann für zwei Fasergehalte entschieden, um den Anwendern die größte mögliche Flexibilität zu bietet.

In den Drucktests hat sich gezeigt, dass Verarbeitung mittels 3D-Technologie besondere Vorteile mit sich bringt. Denn auch bei niedrigerem Fasergehalt, und damit besserer Duktilität, kann durch die gezielte Ausrichtung der Fasern eine proportional höhere Festigkeit erzielt werden.

Welche spezifischen Eigenschaften bringen die 12% bzw. 20% Kohlenstofffaseranteil in das PEEK-Filament ein und wie beeinflusst dies die Anpassungsfähigkeit an die Anforderungen von Implantaten?

Engel: Kohlenstofffaserverstärktes PEEK ist besonders interessant, wenn ungefülltes PEEK zu elastisch für eine Anwendung ist. Dies ist häufig bei Knochenplatten der Fall. Ein anders Beispiel ist der Ersatz größerer Knochenteile, die eine hohe Last tragen müssen, wie ganze Wirbelkörper. In der Medizintechnik werden oft noch Metalle wie Titan eingesetzt, die jedoch eine zu hohe Steifigkeit haben und zu einer starken Belastung der Knochen führen können. Zudem bilden sie starke Röntgenartefakte. Kohlenstofffaserverstärktes PEEK bietet eine Alternative mit einer höheren Steifigkeit und physiologischeren mechanischen Eigenschaften.

Durch die verschiedenen Kohlefaseranteile und die Verarbeitung des Filaments mittels 3D-Druck ergeben sich für den Kunden eine noch nie dagewesene Flexibilität und ein breites Anwendungsspektrum. Andere Verarbeitungsverfahren mit Kohlefaser-PEEK sind für patientenspezifische Lösungen oft ungeeignet, aber durch Variation der Druckstrategie und des Faseranteils kann ein breites Eigenschaftsspektrum erreicht werden. Somit kann Kohlenstofffaserverstärktes PEEK in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden und bietet eine bessere Alternative zum Einsatz von Metallen.

Wie sehen Sie die Zukunft von smarten Biomaterialien in der Medizintechnik und welche weiteren Entwicklungen können wir von Evonik in diesem Bereich erwarten?

Engel: Für uns geht es stets darum, die Anforderungen und unmet-needs unserer Kunden zu verstehen, um so unser Material zielgerichtet weiterzuentwickeln. Unter „Smart“ verstehen wir dabei immer die Kombination unterschiedlicher Eigenschaften in einem Produkt, was wiederum die Performance vorantreibt. Beispiele hierzu sind z.B. unser VESTAKEEP® Fusion, ein PEEK-Material, das die Vorteile von PEEK (Biokompatibilität, Elastizität und Röntgentransparenz) mit einer schnellen Knochenintegration kombiniert.

Viele weitere Dinge sind vorstellbar, so z.B. auch die Kombination unserer PEEK-Materialien mit anderen Biomaterialien des Evonik-Portfolios, wie resorbierbares RESOMER® oder unser rekombinantes Kollagen VECOLLAN®. Hier können viele kundenspezifische Lösungen entwickelt werden.

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Elena Blume (Redaktion K-Mag)