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Methodische Entwicklung einer modularen Lasersintermaschine zur Herstellung von bioresorbierbaren Implantatmatrizen
Kautz, Clemens Kolja
Eine aus dem Bereich der regenerativen Medizin stammende visionäre Anwendung der AM-Technologie ist die Fertigung von individuell angepassten Implantaten und Organen. Werden zur Herstellung von Implantatmatrizen, dem Gerüst zum Gewebeaufbau, bioresorbierbare Werkstoffe mittels Lasersintern verarbeitet, verbleibt das erzeugte Implantat nach der Transplantation im Körper des Patienten und wird dort durch biologische Prozesse in natürliches Gewebe umgesetzt. Um einen Beitrag zum Lasersintern mit bioresorbierbaren Polymeren wie PLA, PLGA oder PCL zu leisten, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine spezifische Lasersintermaschine mit einem kleinen Bauvolumen, wechselbarer Beschichtereinheit und einer materialspezifischen Laser-Scanner-Einheit entwickelt. Das methodische Vorgehen bei der Entwicklung des Gesamtsystems orientierte sich an den VDI-Richtlinien 2221 bzw. 2206 und ist dargestellt in den Abschnitten:
- Generelle Anforderungen an Lasersintermaschinen zur Implantatherstellung
- Methodische Entwicklung einer modularen Lasersintermaschine
- Auswahl der materialspezifischen Laser-Scanner-Einheit am Beispiel PLGA
- Montage, Inbetriebnahme und Erprobung der Lasersintermaschine
Das modulare Konzept der grundlagenforschungstauglichen Lasersintermaschine teilt das mechatronische Gesamtsystem in die Module "Maschinengestell", "Baustempelmodul", "Pulverzuführmodul", "Pulverauftragsmodul", "Beschichtereinheit", "Prozessgasmodul", "IR-Heizmodul" und "Lasermodul" auf. Bei der Auslegung der Laser-Scanner-Einheit, einer Baugruppe aus dem Lasermodul, ist neben der Laserleistung vor allem die Wellenlänge der Strahlquelle von großer Bedeutung. Aufgrund des materialspezifischen Absorptionsspektrums muss die zur Generierung der bioresorbierbaren Implantatmatrizen verwendete Laserwellenlänge auf das zu verarbeitende Material abgestimmt sein. Insbesondere bei der Verarbeitung von PLGA kann durch die Verwendung eines CO2-Lasers mit einer Wellenlänge von9,3µm, anstelle eines CO2-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6µm, die Absorption der elektromagnetischen Strahlung um den Faktor 10 auf ca. 33% gesteigert werden. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur zukünftigen Fertigung von individuell angepassten Implantaten und Organen mittels Lasersintern.
A visionary application of the AM-technology in the field of regenerative medicine is to manufacture individually adapted implants and organs. If bioresorbable materials are processed by laser sintering (also known as SLS) for the production of implant scaffolds, the framework for tissue build-up, the generated implant remains in the patient's body after transplantation and is converted into natural tissue by biological processes. In order to contribute to laser sintering with bioresorbable polymers such as PLA, PLGA or PCL, a specific laser sintering machine with a small build volume, an exchangeable coater unit and a material-specific laser-scanner-unit was developed within the scope of the present work. The methodical procedure for the development of the system was based on the VDI guidelines 2221 respectively 2206 and is described in the sections:
- General requirements for laser sintering machines for implant production
- Methodical development of a modular laser sintering machine
- Selection of the material-specific laser-scanner-unit using the example PLGA
- Assembly, commissioning and testing of the laser sintering machine
The modular concept of the laser sintering machine, suitable for basic research, divides the mechatronic system into the modules "machine frame", "build volume module", "powder feed module", "powder application module", "coater unit", "process gas module", "infrared heating module" and "laser module". When designing the laser-scanner-unit, an assembly within the laser module, the wavelength of the beam source is of great importance in addition to the laser power. Due to the material-specific absorption spectrum, the laser wavelength used to generate the bioresorbable implant scaffolds must be matched to the material to be processed. When processing PLGA the use of a carbon dioxide laser with a wavelength of 9,3µm, instead of a carbon dioxide laser with a wavelength of 10,6µm, can increase the absorption of electromagnetic radiation by a factor of 10 on approximately 33%. The present work contributes to the future production of individually adapted implants and organs by means of laser sintering.
