Knochenersatz aus dem 3D-Drucker: Implantat aus Zirkon ermöglicht schnellere, schonende Heilung

“Use it or lose it” Was nicht verwendet wird, geht verloren. Das gilt für Muskeln, fürs Gehirn, und auch für den Knochen. Wird er nicht mehr genutzt, baut er sich ab, wird dünn und brüchig und Abbauvorgänge sind vorprogrammiert. Gerade in der Kieferchirurgie stellen diese Abbauvorgänge eine enorme Herausforderung dar. In einem großen EU-Projekt wurde nun ein weltweit einzigartiges Implantat entwickelt um sich dieser Challenge zu widmen.

Das Feld der Geweberegeneration beschäftigt sich mit der Erneuerung verloren gegangenen Gewebes. Am Ludwig Boltzmann Institut für Traumatologie, das Forschungszentrum in Kooperation mit der AUVA, gibt es dafür eine eigene Forschungsgruppe. Die Anwendungsfälle sind so vielfältig wie die Arten, auf denen uns Knochen verloren gehen kann. Von komplexen Brüchen und Quetschungen bis hin zum schleichenden Verlust durch Krankheit oder das Unvermögen, den Knochen zu belasten.

Die Wiederherstellung von verloren gegangenem Knochen, genannt augmentative Chirurgie, geht selten ohne Ersatzmaterial vonstatten. Am schnellsten ist der Ersatz im selben Körper gefunden. Doch unser Körper ist gut durchdacht. Wird ihm etwas weggenommen, fehlt es an der Entnahmestelle. Es braucht also andere Ansätze. DIE perfekte Lösung sucht die Wissenschaft noch immer. Metallische Implantate sind jahrzehntelang erprobt und somit das Mittel der Wahl, wenn schnell das gröbste repariert werden muss, jedoch haben viele Menschen kein gutes Gefühl dabei, einen Fremdkörper in sich zu tragen. Biologische Ansätze sind elegant und nutzen natürliche Heilungsvorgänge, aber der Behandlungserfolg ist stark abhängig vom Gesundheitszustand der Patient:innen.

Im von der EU geförderten INKplant-Projekt arbeiteten 19 Partner aus 7 Ländern unter Führung des oberösterreichischen Unternehmens Profactor zusammen, um neue Lösungen für die Regeneration von Knochen zu finden. Personalisiert sollen sie sein, gut verträglich, belastbar, nicht zu teuer in der Herstellung. All das fanden die Wissenschaftler:innen im 3D-Druck.

Kieferersatz: Auf Heilung nicht warten müssen

Von Beginn an hatten die Expert:innen von INKplant eine besonderes komplexe kieferchirurgische Anwendung vor Augen: Gehen Zähne verloren, schwindet der Kieferknochen. Implantate brauchen jedoch diesen Kieferknochen für die Einheilung. Ein Dilemma, das derzeit nur durch einen langwierigen Prozess in mehreren Eingriffen bewältigbar ist. Der Knochen muss aufgebaut werden, die Verankerungen einheilen, erst nach vielen Monaten ist der Einsatz der Zahnkronen möglich. Kein Wunder, dass Patient:innen dabei operationsmüde werden können. Mehrere Monate Einheilung machen medizinisch durchaus Sinn, doch für den Patienten bedeutet es ein Ausharren zwischen Behandlung und Heilung.

Bei Zahnverlust nach Unfällen sieht die Sache nochmals schwieriger aus. Szenarien finden sich leider viele, auch im Arbeitskontext: Ein:e Arbeiter:in sieht nach oben, bevor er:sie durch einen herabfallenden Stein getroffen wird. Oder er:sie fällt nach unten und kommt mit dem Gesicht auf. Auch bei Radunfällen – etwa auf dem Weg zur Arbeit – kommen häufig die Zähne zu Schaden. Nach einem Unfall ist mehr als nur das Knochengewebe betroffen, auch umliegendes Weichgewebe ist verletzt, was den Aufbauprozess zusätzlich erschwert.

Durch Paradigmenwechsel zur Weltneuheit

2024 brachte schließlich eine spektakuläre Erfolgsmeldung. Im Kepler Universitätsklinikum in Linz wurde under der Leitung von DDr. Christoph Staudigl weltweit erstmals ein 3D-gedrucktes subperiostales Kieferimplantat aus Keramik eingesetzt. Subperiostal, das bedeutet, dass das Implantat unterhalb der “Beinhaut“, das weiche Bindegewebe, das den Knochen umgibt, eingesetzt wurde und nicht auf Kieferknochen für die Einheilung angewiesen ist. Im letzten Jahrhundert scheiterten die subperiostealen Implantaten, weil weder die Materialien noch die Fertigung ausgereift genug waren. Durch technische Fortschritte wurde im INKplant Projekt diese alte Technik mit modernsten Materialen kombiniert: „Wir verbinden ein altes Konzept mit modernen Werkstoffen und digitalem Workflow. Im Zeitalter des 3D Drucks haben wir mit der österreichischen Firma Lithoz einen Weltmarktführer mit an Bord. Keine andere Firma druckt Implantate aus Zirkon mit diesen mechanischen Eigenschaften“, zeigt sich DDr. Staudigl beeindruckt.

Personalisiertes Konstrukt aus besonderer Keramik

Nicht nur die Belastbarkeit, auch das Potential zur Osseointegration, zum Einwachsen des Implantats in den umliegenden Knochen, ist erfolgsentscheidend bei der Entwicklung. Verläuft die Integration erfolgreich, ist sie viel stabiler als jede Schraubverbindung. Ein vom Körper gut angenommenes Material „klebt“ sicher an Ort und Stelle. Zirkon hat sich dabei als besonders gewebeverträglich erwiesen. Es wächst gut ein und ist um ein Vielfaches weniger anfällig für Entzündungen, die bei Titanimplantaten eine sehr häufige Komplikation darstellen.

Der digitale Arbeitsablauf erleichtert den Prozess für alle Beteiligten. Patient:innen müssen lediglich in einem Computertomograph Platz nehmen, ein hochauflösendes 3D-Bild wird direkt an den Hersteller übermittelt, ein 3D-Drucker übernimmt die Arbeit.

Wissenschaft und Klinik

Kooperationen zwischen Klinik und biomedizinischer Forschung sind nicht so alltäglich, wie sie das von außen scheinen mögen. Beide haben dasselbe Ziel vor Augen, gehen es aber aus verschiedenen Blickwinkeln an: Kliniker:innen ist stets bewusst, dass sie mit Menschen arbeiten, sie gehen auf Nummer sicher, und lassen auch mal die 5 gerade sein, wenn es Patient:innen hilft. Wissenschaftler:innen können es sich leisten, die perfekte Lösung zu suchen, und dafür auch mal Risiken einzugehen oder unkonventionelle Ansätze zu verfolgen. „Wer wirklich neues erfinden will, kann gar nicht verrückt genug sein“, steht an der Tür zu LBI Trauma.

Umso schöner war es, die Zusammenarbeit zwischen DDr. Staudigl und der Knochengruppe am LBI Trauma mitzuerleben. Was anfangs nur als beratende Kooperation gedacht war, wurde durch gemeinsames Interesse an der Sache bald mehr. Am LBI Trauma arbeitete man daran, ein neues Modell für die Osteointegration zu entwickeln. Doch die mikrochirurgischen Eingriffe sind einfacher gesagt als getan. Hier kamen die routinierten Hände von DDr Staudigl ins Spiel. Letztendlich führten Wissenschaft und Klinik die präklinischen OPs Seite an Seite durch.

Die Zusammenarbeit zwischen Forschung und Klinik zu fördern, ist DDr. Staudigl schon lange ein Anliegen. Als Leiter der „Next Generation“-Gruppe der Österreichischen Gesellschaft für Implantologie setzt er sich dafür ein, junge Zahnmedizinier:innen für die Wissenschaft zu begeistern.
Zu zeigen, was die Wissenschaft für die Praxis liefern kann. „Das ist wie einen Blick in die Küche zu erlauben“, scherzt er. „In der Forschung sehen wir, was die Zukunft bringt.“

a.
a. Die Forschung rund um die Geweberegeneration hat viele Anwendungsbereiche: von Knochenbrüchen und Quetschungen bis zum schleichenden Verlust der Belastbarkeit der Knochen.