Medizin

Osteoarthritis is one of the ten most disabling diseases in developed countries and can require hip joint replacement. Depending on the country, between 100 and 300 surgeries are conducted per 100,000 people.

Although the classical hip joint replacement is an established and safe surgery, the biomechanical performance is often suboptimal. This results from strain shielding, bone resorption and thus implant loosening. A potential solution for these issues are short stems to preserve bone stock and minimize shielding.

In the course of an Open Call activity within the framework the European InkPlant project, Lithoz, Universidad Politécnica de Madrid and Universidad de Piura followed this approach to optimize the design for patient-specific short femoral stems and manufacture them via LCM technology from the bioceramics alumina-toughened zirconia (ATZ). This well-established biocompatible ceramic is especially suitable because of its high strength and low wear. The design process underwent several steps including a topological optimization resulting in a failure probability of less than 9*10^-10 and a weight reduction of more than 43%.

The 3D printing of high-performance ATZ enabled the manufacture of this innovative femoral stem implant in an efficient and easy way. Lithoz, together with the University partners, helped find a new treatment option for one of the most disabling diseases in developed countries.

Even small deviations in the length or angle during healing of long bones can cause pain and severely restrict functionality. It is therefore vital to achieve absolute precision during the treatment of the defect to enhance or restore the patient's quality of life. This makes LCM technology the perfect choice for manufacturing such long bone implants. 3D-printed ceramic bone replacements from hydroxy apatite, like this ulnar wedge implant, offer patient-specific scaffolds which are replaced with new bone by the human body over time. Tricalcium phosphate is also available as a faster resorbable alternative. Due to their similarity to the mineral components of bone, LithaBone products have optimal biocompatibility and osteoconductivity and are therefore the ideal material for bone replacement even for critical size bone defects.

Arthritis and other diseases of joints wear which results in massive pain and mobility restrictions. By treatment with artificial joints, patients can regain their mobility and live their lives pain-free.

3D-printed ceramic implants, such as these finger joints from alumina-toughened zirconia (ATZ), show very good tribological properties which lead to high endurance without debris. Thanks to an interconnected lattice structure, the implant is safely fixed due to excellent osseointegration. In addition, except for titanium, the critical biodistribution from abrassion of metal implants into the human body is completely avoided, making ceramics a safe alternative.

In intensiver Zusammenarbeit mit den Anwendern bisheriger Knochenersatzkeramiken entwickelte Lithoz das neue LithaBone HA 480. 3D gedruckte Teile aus Hydroxylapatit sind hervorragend resorbierbar, dank wichtiger Verbesserungen eignen sie sich bestens für den Knochenaufbau im medizinischen Bereich:

- Deutlich verbesserte mechanische Stabilität für formstabile Knochenaufbauten

- Erheblich gesteigerte geometrische Flexibilität

- Deutlich höhere Wandstärken von bis zu 10 mm

- 10-fach verlängerte Haltbarkeit

Minimal invasive surgery procedures allow for faster patient recovery, but require even smaller and more complex tools. High endurance and delicate features are required, particularly in the case of arthroscopy. Ceramics exhibit outstanding properties in terms of wear resistance, hardness and electrical insulation. Among other properties, these make ceramics the ideal material for surgical tools. 

The manufacture of this arthroscopic shaver made of alumina-toughened zirconia (ATZ) would not be possible without the design freedom of Lithography-based Ceramic Manufacturing. The application perfectly illustrates the delicate features that can be achieved, such as rinsing channels, a guide for a fiber optic, as well as incredibly sharp cutting geometries.

Dieses einzigartige Material hat seinen Weg von der Luft- und Raumfahrt in die Medizin aufgrund seiner hohen Festigkeit, Biokompatibilität sowie seiner guten osseointegrativen Eigenschaften gefunden. Zudem weist Siliciumnitrid antibakterielle Eigenschaften auf, welche das Infektionsrisiko senken.
Siliciumnitrid wird in der Medizinindustrie für orthopädische Anwendungen eingesetzt wie z.B. bei einer operativen Wirbelsäulenversteifung.

Die intrakardiale Pumpe aus bioinertem Aluminiumoxid versorgt nach einem Herzinfarkt oder einer Herzoperation das Herz mit Blut. Die Anwendung wurde von TU Wien und der Medizinische Universität Wien entwickelt.

Das verwendete Aluminiumoxid LithaLox HP 500 zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und Abnutzungsbeständigkeit sowie geringe Oberflächenrauheit (Ra = 0,4 µm) aus. Dadurch kann die Entstehung von Blutgerinnseln verringert werden. Die Pumpe wird mit Helium angetrieben und gewährleistet die Blutversorgung in der Heilungsphase ohne elektrischen Strom, wodurch eine thermische Schädigung des umliegenden Gewebes verhindert werden soll.

Durch bioinerte Hochleistungskeramiken mit perfekter Oberflächenqualität kann beispielsweise die Zellinteraktion an Bauteilen mit direktem Blutkontakt minimiert und eine Blutgerinnung verhindert werden.

Ein Autounfall, der zu einem Schädel-Hirn-Trauma führt, kann zur Notwendigkeit einer Druckentlastungsoperation (Trepanation) führen, um das Leben des Patienten zu retten. Der entfernte Schädelknochenbereich muss ersetzt werden.

Die LCM-Technologie bietet mit den LithaBone Materialien die Möglichkeit, patientenspezifische bioresorbierbare Implantate für eine schnellere Heilung herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht der 3D-Druck die Fertigung eines miteinander verbundenen Porennetzwerks, in dem die Größe und Form der Poren so gestaltet werden kann, dass sie den Heilungsprozess optimal unterstützen. Zellen können in diese Poren eindringen, neue Blutgefäße bilden und anschließend das Implantat resorbieren, um natives Knochengewebe zu regenerieren. Im Gegensatz zu anderen Lösungen auf dem Markt, die z.B. auf Rinderknochen basieren, stammen LithaBone-Materialien nicht aus tierischen Quellen und sind daher vegan.

Dieses interkonnektierte Porennetzwerk für optimiertes Einwachsverhalten von Zellen wurde aus dem speziell für medizinische Anwendungen entwickelten LithaBone HA 400 (Hydroxylapatit) gedruckt.

Mit der Lithoz LCM Technologie können keramische Scaffolds realisiert werden, welche die komplexe Struktur trabekulärer Knochen nachbilden. Dadurch sind diese Implantate leicht und trotzdem mechanisch belastbar. Sie werden während der Heilung im Körper abgebaut und mit der Zeit wieder durch körpereigene Knochen ersetzt. Durch die Versorgung mit Blutgefäßen wird der Heilungsprozess beschleunigt – Nährstoffe können zu den neuen Zellen gelangen, Stoffwechselprodukte entfernt und ausgeschieden werden. 

Mittels LCM lassen sich Implantate mit hochpräziser und reproduzierbarer Makroporosität erzeugen und mit definierter Oberflächentextur versehen, wodurch sich die Zelladhäsion der Osteoblasten entscheidend verbessert.