Dr.-Ing. Tobias Flath verteidigt seine Dissertation, die zur Verbesserung von 3D-Druckverfahren für die Herstellung von Knochenersatzwerkstoffen beiträgt.
Am 26. November 2020 verteidigte Dr.-Ing. Tobias Flath in einer digitalen Video-Live-Schalte erfolgreich seine Dissertation an der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Die Kommission bestand aus dem Vorsitzenden Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude (Fakultät Maschinenwesen/ TU Dresden), den Gutachtern Prof. Dr. rer. medic. Hans-Peter Wiesmann (Fakultät Maschinenwesen/ TU Dresden), Prof. Dr.-Ing. Peter Schulze (Fakultät Ingenieurwissenschaften/ HTWK Leipzig), Prof. Dr.-Ing. habil. Sylvio Simon (Fakultät Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme/ BTU Cottbus – Senftenberg) und Mitglied Dr.in-Ing. habil. Christine Schöne (Fakultät Maschinenwesen/TU Dresden).
Mit seiner Doktorarbeit „Entwicklung eines Doppelschneckenextruder-Dosierkopfes für den 3D-Druck und dessen Potenzial am Beispiel von Knochenersatzwerkstoffen“ trägt Dr.-Ing. Flath zur Verbesserung von 3D-Druckverfahren in der Medizin bei. Die von ihm entwickelte Dosierkopf-Technologie (DK) schafft neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Biomaterialien und die Gestaltung von Implantaten.
Die Forschungsarbeit: 3D-Druckverfahren für das Tissue Engineering
Seit einigen Jahren wird beim Tissue Engineering (TE) von Knochenersatzwerkstoffen das Fused Layer Modeling (FLM) Verfahren verwendet, ein 3D-Druckverfahren, bei dem reine Materialien und homogene Mischungen verdruckt werden. Die Polymerverarbeitung findet unter hoher thermischer Belastung statt. Pasten werden hingegen zumeist bei Raumtemperatur verarbeitet. Für die Entwicklung von Knochenersatzgewebe zum 3D-Druck von Implantaten kommen materialspezifische Dosierköpfe für thermoplastische Polymere oder Pasten zum Einsatz.
Laut Dr.-Ing. Flath ist es für die Biomaterialforschung in Pharmazie und Medizin von hohem Interesse unter Nutzung des FLM-Verfahrens medizinisch wirksame Substanzen einzuarbeiten. Mit den aktuellen FLM-Verfahren lassen sich aber aktuell noch keine Materialmischungen während des 3D-Drucks erzeugen, bei denen patientenindividuelle, auf den Knochendefekt abgestimmte Einmischungen von Additiven (Wachstumsfaktoren, Antibiosen, funktionalisierte Peptide, Mineralien) abgebildet werden, betont Flath.
Darüber hinaus können herkömmliche FLM-Verfahren bisher keine fließenden Übergänge unterschiedlicher Mischungsanteile (Gradienten) innerhalb eines Implantates realisieren, um zum einen beim Implantatdesign Übergänge unterschiedlicher Gewebearten abzubilden und zum anderen unterschiedliche Bereiche innerhalb eines Implantates bedarfsgerecht mit entsprechenden Additivanteilen zu versehen.
Dr.-Ing. Flath: „Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Verschiebung von Grenzen, um für das FLM-Verfahren neue Möglichkeiten bei der Verarbeitung von Knochenersatzwerkstoffen anzubieten. Im Zentrum der Untersuchung steht die Frage, unter welchen Bedingungen, innerhalb des FLM-Prozesses homogene Mischungen unterschiedlicher Materialien bei minimalem thermischen Einfluss hergestellt werden können. Außerdem soll die Anwendung der Technologie auf ein breites Materialspektrum erfolgen, sodass bei Raumtemperatur feste thermoplastische Biopolymere und pastöse Werkstoffe als Zielmaterialien gleichermaßen für die Verarbeitung mit der neuen Technologie in Frage kommen. Für variable Mischungen sollen Materialgradienten untersucht werden. Zur Demonstration deren Verteilung dienen farbige Pulveradditive.“
„Als Ergebnis dieser Arbeit steht eine neue DK-Technologie mit integriertem Doppelschneckenextruder für das FLM-Verfahren zur Verfügung, mit der im Druckprozess Mischungen mehrerer Materialien hergestellt werden können. Dies reduziert die dem Druck vorgeschalteten Prozessschritte und damit auch die mechanische und/oder thermische Belastung auf zu verarbeitende Materialien“, erklärt Dr.-Ing. Flath.
Mit der neuen Technologie können bestimmten lmplantatbereichen konkrete Mischungsanteile zugewiesen und somit Knochenersatzwerkstoffe spezifisch auf die Patienten und individuell auf die Anforderungen des Defektes angepasst werden.
Die Forschungsarbeit entstand in Kooperation mit der Fakultät Ingenieurwissenschaften der HTWK Leipzig, der Professur für Pharmazeutische Technologie der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig und der Professur für Biomaterialien der TU Dresden.
Neue Forschungsprojekte von Dr.-Ing. Flath
Dr.-Ing. Flath forscht aktuell weiter zur Anwendung von 3D-Druckverfahren für verschiedene Problemstellungen in Wissenschaft und Industrie.
So arbeitet Herr Dr.-Ing. Flath an der Optimierung von Kühlsystemen bei Kunststoffspritzgusswerkzeugen und der Standardisierung von Implantaten für die chirurgische Versorgung von kranio-maxillofazialen Frakturen.
Perspektivisch sind weitere Forschungsvorhaben zur Entwicklung von Biomaterialien im Zusammenhang der innerhalb der Dissertation entstandenen Technologie geplant. Dazu laufen aktuell Voruntersuchungen.
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