Neuartiges hybrid Fertigungsverfahren für additive Hochleistungswerkstoffe zur Fertigung patientenindividuell-orthopädischer Hüftimplantate (HybridHipProcess)

Problemstellung
Das Einsetzen eines künstlichen Hüftgelenkes ist einer der häufigsten operativen Eingriffe an deutschen Krankenhäusern. Die dabei im Oberschenkelknochen eingesetzen Implantate haben immer noch eine beschränkte Haltbarkeit, denn die mechanischen Eigenschaften dieser Metallschäfte weichen erheblich vom umgebenden Knochen ab. Nach durchschnittlich 10 bis 15 Jahren lockert sich der Prothesenschaft und muss gewechselt werden. Betroffene Patienten müssen sich schwierigen Wechseleingriffen unterziehen. Hochmoderne additive 3D-Druck-Fertigungsverfahren ermöglichen schon heute die Fertigung komplizierter Geometrien und komoplexer Bauteile bei minimalem Materialeinsatz und Zeitaufwand. Bislang gibt es für die additive Fertigung von Hüftprothesenschäften jedoch noch kein etabliertes Fertigungskonzept, das auch den Anforderungen der Patientenindividualität und längerer Haltbarkeit entspricht.

Projektziel
Ziel von HybridHiProcess ist die Entwicklung eines additiven Fertigungsverfahrens, das einen automatisierten Produktionsprozess ermöglicht und patientenspezifische Anforderungen, wie angepasste Steifigkeit und individuelle Gelenkgeometrie, berücksichtigt. Hauptaspekt ist neben der Gestaltung der Schaftgeometrie die Entwicklung von Software-Tools zur patientenspezifischen Analyse der Schäfte vor der Fertigung. Um die Haltbarkeit des Implantats im Knochen zu steigern, sollen geometrische und strukturelle Optimierungen des Implantats vorgenommen werden.

Vorgehensweise
Das künstliche Hüftgelenk und hier insbesondere der Schaft mit seiner biomechanischen Steifigkeit wird basierend auf Patientendaten entwickelt. Mit Hilfe numerischer Analysen zue Anpassung der Bauteilfestigkeit und einer Betrachtung der Schaftgeometrie erfolgt die Berechnung spezifischer Prozessprameter für die additive 3D-Fertigung. Anhand der Ergebnisse der ersten Prototypen werden Anpssungen der Prozessparameter bzw. der Softwaretools vorgenommen. Eine erfolgreiche Implementierung der entwickelten Prozesse in eine standardisiertes Software-Modul bildet die Basis für eine reproduzierbare, additive Fertigung von künstlichen Hüftgelenken.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Mit der Entwicklung einer neuartigen Prozess- und Fertigungsstrategie zum Additiven 3D-Druck wird die automatisiete Herstellung von patientenspezifischen Protheseschäften mit individualisierter Geometrie ermöglicht. Mittelfristig können die in der Hüftprothetik gewonnenen Erkenntisse für unterschiedlichste Medizinprodukte, z.B. in der Orthopädie genutzt werden.

• 3D Systems GmbH
• AQ Solutions GmbH
• Universität Heidelberg
• Universitätsklinikum Heidelberg