Implantate der Zukunft: Erst stabil, dann verschwunden

Viele Implantate erfüllen ihre Aufgabe nur für eine begrenzte Zeit, bleiben aber oft ein Leben lang im Körper. Nägel oder Platten stabilisieren Knochenbrüche, sind aber nach der Heilung überflüssig. Belässt man sie im Körper, besteht das Risiko, dass beim Patienten Beschwerden auftreten oder sich verschlimmern. Zudem drohen Entzündungen. In solchen Situationen ist eine Entfernung medizinisch sinnvoll, auch wenn dies einen weiteren Eingriff bedeutet.

Die mögliche Abhilfe besteht in Implantaten, die der Körper abbaut – resorbiert –, nachdem sie ihre Funktion erfüllt haben. „Unsere Vision ist es, durch resorbierbare Lösungen die Zahl vermeidbarer Entnahme-Operationen um 40 Prozent zu reduzieren“, erklärte Alexander Kopp 2025 auf dem Abschlusssymposium des Bündnisses reACT (resorbierbare Lösungen aus der Aachener Technologieregion). Kopp, Geschäftsführer des Aachener Unternehmens Meotec, hatte das RUBIN-Bündnis während der dreijährigen Förderung durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt geleitet.

Im Laufe dieses Zeitraums entwickelten die 21 Bündnispartner aus der Medizintechnik mehrere Demonstratoren in Form von prototypischen Implantaten aus resorbierbaren Materialien. Diese wurden für drei Anwendungsbereiche konzipiert: Gewebeersatz, Kardiologie und Orthopädie. Bis aus den Demonstratoren marktreife Medizinprodukte entstehen, werden allerdings noch Jahre vergehen. „Das war uns bewusst und schreckt uns nicht ab. In der Medizintechnik-Industrie braucht man immer langen Atem“, sagt Simon Pöstges, Gruppenleiter Forschung und Entwicklung bei Meotec.

Implantate als temporäres Gewebegerüst

Im Bereich Orthopädie und Unfallchirurgie konzentrierten sich die Forschenden des Bündnisses besonders auf zwei Implantat-Typen: Zum einen Wirbelsäulen-Cages, die eine Verknöcherung von Wirbelkörpern etwa nach einem Bandscheibenvorfall oder verschleißbedingter Instabilität ermöglichen. Zum anderen Gitterstrukturen für Knochenschäden kritischer Größe mit einer Ausdehnung von mehr als zwei Zentimetern. Die Implantate sollen zunächst Wirbelsäule beziehungsweise Knochen mechanisch stabilisieren und dann als Gerüst dienen, auf dem sich neue Knochenzellen ansiedeln können. Dieser zweite Schritt gelingt mit gitterförmigen Strukturen besser als durch massive Implantate. Größe und Form dieser Gitterimplantate hängen von mehreren Faktoren ab: Alter, Geschlecht und Körperbau der Patientin oder des Patienten sowie das Ausmaß des Schadens. Ein Team des Lehrstuhls „Digital Additive Production“ der RWTH Aachen erstellte eine Software, mit der patientenspezifische gitterförmige Implantate direkt als digitale 3D-Modelle konstruiert werden.

Von der Legierung zum Implantatsmuster

Ausgangsmaterial für die Implantate sind metallische Legierungen. Eine enthält überwiegend Magnesium, eine andere Legierung hauptsächlich Zink. Beide Legierungen sind bekanntermaßen biologisch abbaubar. Im Gegensatz dazu lösen sich massive Implantate aus einer dritten Legierung, die auf Eisen basiert, nur sehr langsam im menschlichen Körper auf. „Wir haben sie trotzdem in unsere Entwicklungsarbeiten einbezogen, weil wir hoffen, dass besonders filigrane Gitterstrukturen mit Stäben im Durchmesser von 30 bis 40 Mikrometern durchaus vom Körper abgebaut werden können“, erklärt Pöstges.

Aus den Legierungen stellte Meotec mit einer speziellen Methode Pulver her: Eine flüssige Schmelze der Legierung trifft auf eine Fläche, die mit einer Ultraschallfrequenz angeregt ist. Die Schwingungen zerstäuben die Schmelze in Tröpfchen, die dann im Flug zu festen Kügelchen erstarren. In einem vergleichbaren Verfahren produzierten die Fachleute des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT Pulver aus der eisenbasierten Legierung. Anschließend verschmolzen sie die Pulver aller drei Legierungen mit einem Laser schichtweise zu dreidimensionalen Strukturen, wobei der hochpräzise Laser den Konturen des jeweiligen 3D-Modells folgte. Mit dieser speziellen Methode des 3D-Drucks, dem Laserstrahlschmelzen, entstanden so bündnisübergreifend Funktionsmuster der Implantate.

Es folgte eine Nachbearbeitung der Demonstratoren, abhängig von der eingesetzten Legierung. Im Falle der Magnesium-Legierung wandelte Meotec die Oberflächen mit einem eigens entwickelten Prozess elektrochemisch um und erhöhte so die Beständigkeit. Bei den Wirbelsäulen-Cages aus der Zinklegierung brachte die Firma medical magnesium nachträglich Gewinde und Funktionsflächen ein. Diese passen zu den Operationsinstrumenten, mit denen Chirurginnen oder Chirurgen künftig die Cages implantieren könnten. Das Unternehmen entwickelte zudem eine anwenderfreundliche Verpackung für die Cages. Alle beteiligten Bündnispartner führten begleitend chemische und mechanische Analysen von Materialien und Funktionsmustern durch.

Vision für 2030

„Wir haben Medizintechnik-Unternehmen und -Forschungseinrichtungen der Region miteinander vernetzt und die gesamte Prozesskette vom Design resorbierbarer orthopädischer Implantate bis zum verpackten Produkt skizziert und aufgebaut“, fasst Pöstges zusammen. Darüber hinaus führte ein Forschungsteam der Klinik für Orthopädie, Unfall- und Wiederherstellungschirurgie der Uniklinik RWTH Aachen erfolgreich Zellkulturversuche durch. Außerdem zeigte Teammitglied Dr. Rald Groven im Rahmen von Workshops, dass diese Prototypen für Knochendefekte, die von allein nicht mehr heilen, operativ eingesetzt werden können.

Der nächste Schritt wären nun präklinische Studien, um die Resorbierbarkeit der Funktionsmuster aus den verschiedenen Legierungen zu vergleichen und zu belegen. Um diese aufwändigen Versuche realisieren zu können, bemühen sich die Projektpartner derzeit um eine Anschlussförderung. Das Bündnis hält an seinem Fernziel fest: Bis 2030 soll die Region Aachen das europäische Herz der Medizintechnik im Bereich resorbierbarer Implantate werden. Das würde neue Arbeitsplätze schaffen und einen bedeutenden Beitrag zum Strukturwandel im Rheinischen Revier leisten.