Die Gruppe von Prof. Amit Bandyopadhyay von der Washington State University präsentiert eine wissensbasierte Diskussion über die Herausforderungen und mögliche zukünftige Richtungen für die Herstellung und Anwendung poröser Metallimplantate.
Die Rezension, veröffentlicht in der Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturing diskutierten und verglichen verschiedene Herstellungsmethoden für poröse oder funktionell abgestufte Metalle, insbesondere wie der Herstellungsprozess die Mikrostruktur, abgestufte Zusammensetzung, Porosität, Biokompatibilität und mechanische Eigenschaften beeinflusst.
Die meisten der in dieser Übersicht besprochenen Studien beziehen sich auf poröse Strukturen für Knochenimplantatanwendungen; Das Verständnis dieser Untersuchungen kann jedoch auch auf andere Geräte außerhalb des biomedizinischen Bereichs ausgeweitet werden.
„Obwohl die kommerzielle Erforschung poröser Metalle bereits im Jahr 1925 begann, waren die Fortschritte bis in die 1980er Jahre nur langsam. Seitdem hat die weitverbreitete kommerzielle Verfügbarkeit verschiedener poröser Metallmaterialien für verschiedene Anwendungen stetig zugenommen. In den letzten Jahren wurden poröse und funktionell abgestufte Materialien gesehen.“ umfangreiche Anwendungen bei orthopädischen und zahnmedizinischen Implantaten“, sagte Prof. Amit Bandyopadhyay, Boeing Distinguished Professor an der Washington State University. Er ist der erste und korrespondierende Autor der Rezension.
Untersuchungen haben gezeigt, dass, sobald die Vorteile poröser Metallstrukturen in biomedizinischen Geräten erkannt wurden, ihre biologische und biomechanische Kompatibilität – mit dem Wirtsknochen – durch umfangreiche Forschung weiterverfolgt wurde. Die Verwendung poröser Metalle für orthopädische Implantate begann mit Osseointegrationsgeräten. Eine Herausforderung im Zusammenhang mit der Implantation in einer jüngeren Gesellschaft besteht darin, dass die Implantate in der Regel stärkeren mechanischen Belastungen mit einer höheren Expositionsrate ausgesetzt sind.
„Daher ist eine Verbesserung der Implantatleistung und -lebensdauer unerlässlich. Die Erforschung und Innovation poröser Metallimplantatstrukturen mit einer Steifigkeit näher am Knochen und miteinander verbundener Porosität wird als äußerst bedeutsam erachtet. Diese Implantate sollten den Metaboliten- und Nährstoffaustausch fördern und das Einwachsen von Knochen ermöglichen, was zu einem verbesserten Implantat führt.“ -Gewebeverankerung und Grenzflächenfestigkeit. Die mechanischen Eigenschaften und die Anwendbarkeit der porösen Struktur für lasttragende Implantationsstellen hängen stark von Faktoren wie der Porenverbindung, der offenen Porosität, der Porengröße, den vorhandenen Phasen, Zusammensetzungsschwankungen, der Korngröße usw. ab“, so Prof . Bandyopadhyay kommentierte.
Die meisten Studien, die die Anwendbarkeit poröser Metalle als Implantat untersuchen oder eine neuartige Herstellungstechnik untersuchen, konzentrieren sich auf die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit, die Ermüdungsbeständigkeit und die biologische Verträglichkeit und bewerten diese auf die Zellanheftung und Integration in das Wirtsgewebe.
Das Forschungsinteresse von Prof. Bandyopadhyay liegt an der Schnittstelle zwischen Materialwissenschaft und -technik, fortschrittlichen Fertigungstechnologien und biomedizinischer Technik, wobei der Schwerpunkt auf 3D-Druck (3DP) oder additiver Fertigung für tragende Implantate, Knochengewebetechnik und Materialien für Raum- und Raumfahrtstrukturen liegt . Dr. Bandyopadhyay arbeitet seit 1995 weiterhin auf dem Gebiet des 3D-Drucks. Er setzt seine Forschungsaktivitäten in diesem Bereich seit über 28 Jahren konsequent fort und hat sich zu einer anerkannten Führungspersönlichkeit entwickelt.
Er hat über 370 Fachartikel veröffentlicht und ist Erfinder von 21 erteilten Patenten.
Im Jahr 2003 schlugen Prof. Bandyopadhyay und sein Team der WM Keck Foundation das Konzept „3D-gedruckter (3DP) poröser Metalle für tragende Implantate“ vor und erhielten ein Stipendium, um diese Forschung an der WSU zu initiieren. Im Laufe der Jahre haben er und sein Forschungsteam zahlreiche Arbeiten zu diesem Konzept veröffentlicht und einige US-Patente erhalten.
Dieses Konzept hat sich inzwischen weltweit durchgesetzt und im Jahr 2021 wurden weltweit über 150.000 poröse Metallimplantate per Metall-3DP für den menschlichen Gebrauch hergestellt. Vielleicht ist dies Prof. Bandyopadhyays bedeutendster Forschungsbeitrag in seiner Karriere.
Prof. Bandyopadhyay ist Mitglied der American Association for the Advancement of Science (AAAS), der Society of Manufacturing Engineers (SME), der National Academy of Inventors (NAI), der American Society for Materials (ASM International) und des American Institute for Medical and Biological Engineering (AIMBE) und American Ceramic Society (ACerS). Prof. Bandyopadhyay wurde 2017 in die Washington State Academy of Sciences (WSAS) gewählt.
Prof. Bandyopadhyay sagte: „In den nächsten 10 Jahren wird erwartet, dass die Zahl 3D-gedruckter poröser Metallimplantate für Hüft-, Knie-, Wirbelsäulen-, kraniomaxillofaziale und zahnmedizinische Anwendungen weltweit von 150.000/Jahr auf 4 Millionen/Jahr ansteigt. Solch ein beispielloses Wachstum bei porösem Metall.“ „Implantate werden aus traditionellen Implantaten, innovativen Implantatdesigns und intelligenten Implantaten mit Sensoren entstehen, die Ärzten Echtzeit-Feedback geben können.“
„Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Verarbeitung und Eigenschaften ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Herstellung dieser Implantate, ein Schwerpunkt dieses kritischen Übersichtsartikels für Ingenieure, Wissenschaftler, Kliniker und Wirtschaftsführer.“
Mehr Informationen:
Amit Bandyopadhyay et al., Poröse Metallimplantate: Verarbeitung, Eigenschaften und Herausforderungen, Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturing (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acdd35
Bereitgestellt vom International Journal of Extreme Manufacturing