(Bildquelle: Universität Leoben)

Die Stereolithographie ermöglicht es aus biokompatiblen, polymeren Materialien kieferorthopädische Zahnschienen herzustellen. (Bildquelle: Universität Leoben)

Die Entwicklung von biokompatiblen, polymeren Materialien für den 3D-Druck eröffnet die Möglichkeit der digitalen Fabrikation komplexer, geometrischer Strukturen in der Medizintechnik. Von den gängigen 3D-Druckverfahren kann besonders die Stereolithographie durch eine sehr hohe Auflösung überzeugen. Diese auf der Photopolymerisation von flüssigen Harzen basierende Technologie eignet sich insbesondere für die Herstellung biomedizinischer Produkte, bei welchen hohe Passgenauigkeit sowie hohe Oberflächengüte gefordert sind.

Neue Harze gefragt

Die Stereolithographie war das erste digitale 3D-Druckverfahren, welches CAD/CAM-positionsgesteuerte Laser- oder Lichtprojektoren nutzte, um lagenweise photosensitive Harze auszuhärten und dadurch 3D-Objekte aufzubauen. Die Motivation für die Entwicklung von biokompatiblen Harzsystemen entspringt der Vision von der digitalen Produktion auf den Patienten abgestimmter Geräte und Applikationen, wie sie in der Dentaltechnik (Zahnschienen), Orthopädie (Orthesen, Prothesen) und in der rekonstruktive Chirurgie (Knochenersatzteile) benötigt werden.

Die Palette verfügbarer kommerzieller Druckharze für Medizintechnikanwendungen ist derzeit aufgrund mangelnder Biokompatibilität und zu geringer mechanischer Eigenschaften des gehärteten Materials stark limitiert. Deshalb besteht ein hoher Bedarf neue Materialien zu entwickeln. Kommerziell verwendete Harzsysteme basieren größtenteils auf Acrylat- und Methacrylat-Monomeren, die aufgrund ihrer großen Sprödigkeit und vergleichbar hohen Zytotoxizität für die Herstellung von Medizinprodukten mit Kontakt zu Gewebe oder Schleimhäute nur bedingt geeignet sind.

Insbesondere der Polymerisationsumsatz ist entscheidend für die Herstellung von Medizinprodukten, die in direktem Kontakt mit dem menschlichen Körper stehen. Nicht einpolymerisierte Monomere (10-30 Prozent bei der Polymerisation von (Meth-)Acrylaten) können während der Einsatzzeit des Materials aus dem Photopolymer migrieren und dadurch ein Risikopotential für den Menschen darstellen. Durch eine Nachbelichtung von auf (Meth-)Acrylat basierten Photopolymeren unter Inertgas kann der Gehalt an freien Monomeren reduziert und somit die Biokompatibilität dieser Materialien erhöht werden. Jedoch kommt es durch diese Behandlung zu einer signifikanten Zunahme der Sprödigkeit, welche die Funktionalität dieser Werkstoffe einschränkt.

Nahezu vollständige Monomerumsetzung

Reaktionsmechanismus der Thiol-In Reaktion. (Bildquelle: Universität Leoben)

Reaktionsmechanismus der Thiol-In Reaktion. (Bildquelle: Universität Leoben)

Das an der Montanuniversität Leoben erforschte biokompatible Harzsystem basiert auf der photoinduzierten, radikalischen Reaktion von multifunktionellen Alkin- und Thiol-Monomeren. Beide Komponenten reagieren miteinander nach einem radikalischen Thiol-In Mechanismus nach lichtinduzierter Anregung eines Photoinitiators. Sowohl Thiol-, als auch die Alkinmonomere weisen eine höhere Biokompatibilität als kommerziell verwendete Acrylatmonomere auf.

Der spezielle Polymerisationsmechanismus (Stufenwachstumspolymerisation) der Thiol-In Reaktion führt zur Bildung sehr homogener polymerer Netzwerkstrukturen, woraus einzigartige mechanische Eigenschaften resultieren. Diese Polymere weisen eine signifikant höhere Zähigkeit und Temperaturstabilität auf, als die durch die Photopolymerisation von (Meth-)Acrylaten gebildeten inhomogenen Netzwerke.

Zudem wurde gezeigt, dass sich diese Harze durch Stereolithographie gezielt und mit hoher Auflösung härten lassen und einen fast quantitativen Reaktionsumsatz (> 98 Prozent) aufweisen.

In Kooperation mit der Medizinischen Universität Graz, Klinische Abteilung für Orale Chirurgie und Kieferorthopädie, wurden das entwickelte Harzsystem für die generative Fertigung von transparenten kieferorthopädischen Zahnschienen evaluiert.

Aufwändiger Herstellprozess wird vereinfacht

Eine aus dem entwickelten Harz gedruckte Zahnschiene. (Bildquelle: Universität Leoben)

Eine aus dem entwickelten Harz gedruckte Zahnschiene. (Bildquelle: Universität Leoben)

Die Stand der Technik Fertigung von dentalen Zahnschienen basiert auf einem Tiefziehprozess von thermoplastischen Folien (zum Beispiel aus Polycarbonat oder Polyethylenterephthalat) über Modellabformungen des Patientengebisses. Zu Beginn wird ein Abdruck des Gebisses durch den Kieferorthopäden mit Hilfe entsprechender Abformungsmassen (zum Beispiel Silikon oder Alginat) angefertigt. Die Herstellung des 3D Modells und anschließend der Zahnschiene erfolgt durch einen aufwendigen und mehrstufigen Prozess durch den Zahntechniker. Für eine kieferorthopädische Behandlung werden grundlegend mehrere Zahnschienen benötigt, welche jeweils individuell hergestellt werden müssen. Zur kieferorthopädischen Zahnkorrektur muss das Modell vor dem Tiefziehen manuell nachkorrigiert werden, um entsprechende Druck- und Entlastungszonen am Zahn zu schaffen. Nach dem Tiefziehprozess muss der Techniker die Schiene noch entsprechend bearbeiten, was den Zeitaufwand dieser Methoden deutlich erhöht.

Neben der manuellen Fertigung durch den Zahntechniker bieten einige Firmen wie Invisalign, Amsterdam, Niederlande, die industrielle Produktion von kieferorthopädischen Zahnschienen an. Bei diesem Verfahren wird ein Alginatabdruck (Negativ) oder ein 3D-Enoral-Scan gemacht. Die Zahnabformung oder das entsprechende STL-File wird anschließend dem Unternehmen übermittelt. Nach einer entsprechenden Digitalisierung beziehungsweise einer digitalen Bearbeitung des Scans erfolgt der Druck eines dreidimensionalen Modells (Positiv) mittels Stereolithographie. Anschließend wird die Zahnschiene durch einen Tiefziehprozess von thermoplastischen Folien über das gedruckte 3D- Modell gefertigt.

In Rahmen der Kooperation beider Universitäten war es möglich Harzsysteme für die Stereolithographie zu entwickeln, welche die direkte und effiziente dreidimensionale Fertigung von transparenten Zahnspangen  durch Stereolithographie erlauben und ähnliche thermomechanische Eigenschaften im gehärteten Zustand aufweisen wie die derzeit routinemäßig verwendeten thermoplastischen Materialien.

Die in diesem Artikel beschriebenen Forschungsarbeiten zu der Entwicklung biokompatibler Harze für die additive Fertigung von kieferorthopädischen Zahnschienen wurde kürzlich mit dem Wissenschaftspreis der Deutschen Gesellschaft für Aligner Orthodontie ausgezeichnet.

 

Kontakt

Montanuniversität Leoben, Leoben

office@unileoben.ac.at

 

Medizinische Universität Graz, Graz

Tel.: +43 (0) 316 385 – 0

Über die Autoren

Assoz.-Prof. Dr. Thomas Grießer

ist Leiter des Christian Doppler Labors für funktionelle Druckertinten auf Polymerbasis an der Montanuniversität Leoben, Department Kunststofftechnik in Leoben.

thomas.griesser@unileoben.ac.at

Ass.-Prof. Dr. Margit Pichelmayer

ist stellvertretende Leiterin der klinischen Abteilung für orale Chirurgie und Kieferorthopädie an der Medizinischen Universität Graz in Graz.

margit.pichelmayer@medunigraz.at