Entwicklung des Selective Laser Melting zur Verarbeitung bioresorbierbarer medizinischer Werkstoffe

Beschreibung

In dieser Arbeit wird das Selective Laser Melting von bioresorbierbaren medizinischen Werkstoffen entwickelt. Ausgangspunkt sind die medizinisch zugelassenen Werkstoffe, die für die Verarbeitung mit SLM ausgewählt und aus denen geeignete Partikel hergestellt werden, die mit SLM verarbeitet werden können. Für eine breite Anwendungsmöglichkeit des Fertigungsverfahrens werden die Werkstoffe Poly(L-lactid), Poly(DL-lactid) / ß-Tricalciumphosphat und Henchglas / ßTricalciumphosphat ausgewählt. Für die schichtweise Verarbeitung der Werkstoffe werden diese zu Partikeln weiterverarbeitet. Dazu werden geeignete Verfahren identifiziert mit denen sphärische Partikel mit einer Größe von 20 - 50 IJm hergestellt werden. Für einen reproduzierbaren Pulverauftrag wird die Prozesstechnik angepasst. Verschiedene Module für den Pulverauftrag mit einer Kohlefaserbürste, mit einer Kompression des Pulvers und mit einer rotierenden Walze werden entwickelt und in die Anlagentechnik integriert. Die ausgewählten Werkstoffe sind thermosensitiv und dürfen während der Verarbeitung definierte Temperatur - Zeit - Zyklen nicht überschreiten. Zur Bestimmung der beim SLM vorherrschenden Temperaturen wird ein theoretisches Modell zur Abbildung des Prozesses entwickelt und mit experimentellem Nachweis validiert. Mit diesem Modell wird der Einfluss der Verfahrensparameter auf die resultierenden Temperaturfelder dargestellt und die Möglichkeit des" reverse engineering" mit Voraussage von geeigneten Verfahrensparameterbereichen zur defektfreien Verarbeitung der Werkstoffe mit geringer thermischer Belastung geschaffen. Mit der Simulation der Temperaturfelder wird gezeigt, dass mit Verwendung einer homogenisierten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung die thermische Belastung signifikant reduziert werden kann. Die Verfahrensentwicklung beinhaltet die Analyse des Einflusses der Verfahrensparameter Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Spurversatz, Schichtdicke und Scanvektorlänge auf die Mikrostruktur sowie die mechanischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der generierten Bauteile. Ein geeignetes Parameterfenster zur Herstellung von Bauteilen aus PLLAund PDLLA/ ß-TCP wird identifiziert, bei dem eine Dichte von> 99 % erreicht wird. Die Erarbeitung eines Prozessfensters zur Verarbeitung von Henchglas / ß-TCP ist nicht erreicht worden. Die mechanischen Festigkeiten der mittels SLM hergestellten Bauteile überschreiten die in bisherigen Arbeiten erzielten Ergebnisse. An massiven Bauteilen werden Biege-Bruch-Festigkeiten von 12,5 MPa erreicht, die Druckfestigkeiten von Bauteilen mit interkonnektierender offener Porenstruktur liegt bei 3,4 - 8,8 MPa in Abhängigkeit der Durchmesser der Porenstruktur. Die chemischen Eigenschaften entsprechen weitestgehend den Eigenschaften der Ausgangswerkstoffe. Die biologischen Eigenschaften von mittels SLM hergestellten Testgeometrien werden mit Zellkulturversuchen untersucht und zeigen keine schädigende Wirkung der Werkstoffe auf die Zellkulturen. Auf Basisder vorgestellten Entwicklung des SLM werden Demonstrationsimplantate hergestellt. Diese umfassen individuell an verschiedene Knochendefekte angepasste Knochenersatzimplantate aus PDLLA/ ß-TCP, die mit einer interkonnektierenden Porenstruktur '700 IJm) versehen werden. Des Weiteren werden Demonstratorstents aus PLLA-co-PC L hergestellt, mit denen das Potential zur Herstellung von Stents demonstriert wird. Mit der vorliegenden Arbeit wird der Grundstein für die Herstellung von bioresorbierbaren Implantaten mit Selective Laser Melting gelegt.

Autor*in

Simon Höges

Themen in »Entwicklung des Selective Laser Melting zur Verarbeitung bioresorbierbarer medizinischer Werkstoffe«

Additive Manufacturing Implantat Knochenersatz Salective Laser Melting bioresorbierbar

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