DE102005050560A1

DE102005050560A1 - Trägermaterial aus Fasern und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102005050560A1
Application number: DE102005050560A
Authority: DE
Inventors: Ezzedine Dr.-Ing. Laourine; Peter Prof.Dr.-Ing.habil. Offermann; Chokri Prof.Dr.-Ing.habil. Cherif; Thomas Dr.-Ing. Pusch
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trägermaterial aus Fasern, aufweisend eine freie dreidimensionale Geometrie und eine offenporige Struktur, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A das Trägermaterial ein der dreidimensionalen Geometrie entsprechend gebildetes und verfestigtes Vlies aus einzelnen Fasern ist. DOLLAR A Ein Verfahren zur Herstellung ist beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägermaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung, vorzugsweise für die Fertigung von dreidimensionalen textilen Trägerstrukturen, so genannten „Scaffolds", für die rekonstruktive Chirurgie nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 13.

Es ist bereits bekannt, Zellen auf Trägermaterialien (Scaffolds) zu kultivieren und die so hergestellten Gewebekultur als Gewebeersatz zu verwenden. Als Trägermaterialien werden z.B. Gele, Faserstoffe, poröse Keramiken oder andere zwei- bzw. dreidimensionale Strukturen eingesetzt. Es ist bekannt, verschiedene Gewebe, wie z.B. Knorpel, die durch Verletzung, Abnutzung oder Krankheit defekt sind, mit Hilfe von gezüchteten Gewebekulturen zu therapieren. Hierzu werden körpereigene Zellen beispielsweise in dreidimensionalen Trägermaterialien eingebracht und in vitro vermehrt und das so hergestellte Material in den Körper implantiert. Die für biokompatible Implantate eingesetzten Trägermaterialien haben wesentlichen Einfluss auf die Besiedelung, das Zellwachstum und die spätere Funktion des Implantates.

Faserstoffe bieten große Oberflächen für den Kontakt mit Zellen und bilden offenporige Strukturen, die für die Versorgung der Zellen mit Nährlösung notwendig sind. Häufig kommen heute Vliesstoffe zum Einsatz, die jedoch nachteilige Inhomogenitäten in der Struktur aufweisen. So werden größere Freiräume zwischen den Fasern nur sehr langsam von Zellendurchwachsen. In Bereichen, in denen Fasern sehr dicht liegen ist die Zelldichte dagegen sehr gering. Eine Organisation der Faseranordnung in Vliesstoffen ist durch die starke Streuung in der Faserorientierung nur begrenzt möglich. Textile Flächengebilde aus Fäden sind zwar sehr gut strukturiert, aber die Abstände zwischen den Fasern sind extrem unterschiedlich. Innerhalb der Fäden, die üblicherweise aus je 20 bis 200 Fasern bestehen, liegen die Fasern extrem dicht und zwischen den Fäden bestehen oft sehr große Abstände.

Trägermaterialien aus textilen Flächengebilden, insbesondere aus Vliesstoffen, Fasergeweben oder Maschenstoffen, weisen durch die überwiegend horizontale Anordnung der Fasern nur eine sehr geringe Druckstabilität auf.

Bei der Herstellung von Implantaten durch Schneiden und Prägen von zweidimensionalen Vliesen können starke Ungleichmäßigkeiten entstehen. Bei der Zellkultivierung werden homogene Vliesgebilde mit definierten Porengrößen benötigt. Vliesherstellungsverfahren sind für die Massenproduktion ausgelegt und sind für die Herstellung geringer Mengen Vlies aus hochreinen und teuren Fasern nicht geeignet.

Aus der DE 199 59 088 A1 ist beispielsweise ein Melt-Blown-Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen luftverwirbelten Vliesen bekannt. Die Vliesstrukturen haben Porengrößen zwischen 20 μm und 500 μm und eine Porosität von < 95%.

Bei dem Verfahren ist der Einsatz eines dreidimensional geformten Siebes als Negativform notwendig, worauf sich die Fasern sammeln können.

Aus der DE 103 53 231 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von 3D-Konturenbauteilen mit einem aerodynamischen Vlieslegeverfahrens bekannt, mit dem gleichmäßige Textilien hergestellt werden können.

Nachteilig ist hierbei, dass die Bauteile einen reinen schalenförmigen Aufbau aufweisen. Damit sind die Bauteile zwar dreidimensional gestaltet, besitzen jedoch die gleiche Bauteildicke über den gesamten Querschnitt.

In DE 197 216 61 A1 werden in einem dreidimensionalen Gitter angeordnete Stäbe zur Herstellung von Knochen- und Knorpelsatzersatzstrukturen für den unmittelbaren Einsatz in vivo beschrieben. Diese Stäbe bestehen aus biopolymeren, thermoplastischen Werkstoffen und werden mittels selektiven Lasersinterns aus einer pulverförmigen Schicht oder in einem Three-Dimensional Printing (3-DP) Verfahren, ähnlich dem Funktionsprinzip eines Tintenstrahldruckers, schichtweise zu einem dreidimensionalen Gitter aufgebaut.

Nachteilig ist hierbei, dass bei diesem Verfahren keine Fasermaterialien verwendet werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein dreidimensionales Trägermaterial aus Fasermaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, das sich frei dimensionieren und ohne Verwendung eines Gesenks oder Vorform herstellen lässt, ohne dabei eine nachteilige Verdichtung des Fasermaterials in Kauf nehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Trägermaterial mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von anhängigen Unteransprüchen.

Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Anspruch 13 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Trägermaterial besteht aus regellos angeordneten Einzelfasern, die zu einem Vlies dreidimensional mit bestimmter Geometrie geformt und verfestigt sind. Abhängig vom Fasermaterial erfolgt die Verfestigung der Einzelfasern durch thermische, mechanische oder stoffschlüssige Bindetechnologien.

Als Fasermaterialien werden biokompatibel synthetisch resorbierbare und/oder nicht abbaubare Fasermaterialien verwendet.

Die Länge der einzelnen Fasern liegt zwischen 0,5 mm und einigen Zentimetern. Insbesondere bei Anwendung der Vernadelungstechnik zur Verfestigung des Vlieses ist der Einsatz von Fasern bis zu einer Länge von 20 cm möglich. Der Durchmesser der einzelnen Fasern beträgt zwischen 1 μm und 300 μm. Der Querschnitt der Fasern kann rund oder profiliert sein. Ebenso ist der Einsatz von gewellten und/oder geprägten Kurzfasern möglich.

Vorteilhaft lassen sich Hohlfasern für die Herstellung des Trägermaterials einsetzen, die weiterhin vorteilhaft poröse Wände aufweisen können.

Das Trägermaterial kann vorteilhaft aus einer Mischung aus abbaubaren und nicht abbaubaren Fasern hergestellt werden, wobei die abbaubaren Fasern eine unterschiedliche Abbaukinematik aufweisen können.

Die Mischung kann Fasern mit unterschiedlicher Länge und ggf. mit unterschiedlichen Faserquerschnitten aufweisen. Dabei ist es für den Erhalt eines porösen Materials von Vorteil, dass gekräuselte oder gewellte Fasern verarbeitet werden, womit sich eine regellose Anordnung und ein genügend großer Abstand zwischen den Fasern einstellt.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Trägermaterials kommt man ohne Verwendung einer Negativform oder eines Gesenks aus. Mit den Fasern wird zunächst auf einer ebenen oder unebenen Unterlage eine Schicht gebildet, die anschließend mittels einer thermischen, mechanischen oder stoffschlüssigen Bindetechnologie verfestigt wird. Der Bereich der Verfestigung ist dabei auf die zu erreichende Geometrie beschränkt. Anschließend erfolgt der Auftrag einer weiteren losen Schicht Fasermaterials, die wiederum einer Verfestigung unterzogen wird, wobei eine Verbindungsbildung mit der bereits zuvor verfestigten Schicht erfolgt.

Die Abfolge der beiden Schritte wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Geometrie des Trägermaterials erreicht worden ist. Nicht verbundene Fasern außerhalb des Verfestigungsbereiches der einzelnen losen Schichten können auf einfache Weise vom Trägermaterial mechanisch getrennt werden.

Bei der Herstellung ist neben einer ebenen oder unebenen Unterlage zur Ablage der losen Schicht eine seitliche Begrenzung vorteilhaft aber nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise bei Verwendung eines Behälters zur Herstellung des Trägermaterials lässt sich der Umgang mit den Fasern vereinfachen.

Der Auftrag der losen Schichten erfolgt vorteilhaft aus einem Vorratsbehälter mit einer Dosiereinrichtung. Eine gleichmäßige Verteilung der Faser kann durch verschiedene Mittel zum Abstreichen erreicht werden.

Der Auftrag zusätzlicher Materialien, wie beispielsweise Klebstoff, zur Verfestigung der einzelnen Schichten erfolgt mittels einer Dosiereinrichtung, mit der sich die Schichten abscannen lassen, so dass der Auftrag des Klebstoffes der gewünschten Geometrie des Trägermaterials folgt. Die Steuerung bzw. die Scannbewegung erfolgt an Hand eines Computermodells auf Grundlage der Geometriedaten des herzustellenden Trägermaterials.

Die Dosierung des Klebstoffes wird dabei so gewählt, dass im Wesentlichen eine Benetzung der losen Schicht erfolgt. Bei der Wahl einer alternativen Bindetechnologie wird analog verfahren, so dass sich beispielsweise der mechanische Verfestigungsvorgang auf den Bereich der gerade gebildeten losen Schicht beschränkt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich aus einem lose aufgeschichteten Fasermaterial mit alternierend folgenden Verfestigungsschritten ein Trägermaterial mit beliebiger dreidimensionaler Gestalt herstellen. Der dazu benötige gerätetechnische Aufwand und die Menge an verbrauchtem Fasermaterial sind gering. Die Porosität ist durch die Wahl der alternierend aufeinander folgenden Verfahrensschritte, durch die Wahl des Fasermaterials, ggf. in bestimmten Mischungen, und die Wahl der Verfestigungstechnologie genau und reproduzierbar einstellbar.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich eine definierte Porosität erreichen. Porositäten um 98% über die gesamte Geometrie des Trägermaterials sind möglich. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, gezielt Kavitäten und Mikrostrukturen im Trägermaterial zu erzeugten, um die Wachstumsbedingung bei einer Besiedelung mit Zellen und ggf. ein späteres Einwachsen des Implantats zu begünstigen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Darstellung zweier Geometrien von Trägermaterialien
2 ein Trägermaterial in der Geometrie eines Jochbeins
3 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Vliesbildung
4 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Verfestigung
5 eine Darstellung mit einer alternativen Variante der Verfestigung
6 eine Darstellung mit einer weiteren alternativen Variante der Verfestigung
7 ein Trägermaterial in der Geometrie eines Jochbeins mit dargestelltem Ausschnitt
8 eine Vergrößerung des Ausschnittes aus 7
9 eine strukturelle Darstellung einer Schicht
10 eine Vergrößerung zu 9
11 eine Darstellung einer Vergrößerung mit Bindepunkt
1 zeigt zwei Trägermaterialien 1 mit einer einfachen dreidimensionalen Struktur. Die linke Abbildung zeigt einen Zylinder mit einem Durchmesser von ca. 10 mm und einer Höhe von 5 mm. Die rechte Abbildung zeigt eine Struktur, die beim schichtweisen Aufbau ab einer Höhe von ca. 2,5 mm nur zur Hälfte der Fläche verfestigt wurde. Das ungebundene Fasermaterial wurde nach Fertigstellung des Trägermaterials entfernt.
Als Fasermaterial wurden Polyamidkurzfasern (PA6.6, 1 mm, 6,7 dtex) verwendet. Zur Verfestigung der Fasern wurde ein UV aushärtender Klebstoff eingesetzt, der selbst nicht biokompatibel ist. Für biokompatible Trägermaterialien können geeignete biokompatible Klebstoffe ausgewählt und eingesetzt werden. Es können verschiedene Pharma-Gelatinen (5%ige–20%ige Lösungen) oder fibrilliertes Kollagen eingesetzt werden. Jedoch müssen sie zum Fixieren nicht erhitzt, sondern gekühlt und anschließend z. B. in einer 1%ige EDC-Lösung (N-Dimethylaminopropyl-N-ethylcarbodiimid-Hydrochlorid) in 80%igen Ethanol vernetzt werden.
2 zeigt eine Seitenansicht eines menschlichen Jochbeins. Ein herzustellende Trägermaterial 1 soll diesen Abmessungen entsprechen.
In 3 ist der Verfahrensschritt der Vliesbildung dargestellt. In einem Behälter 4 sind in einer vereinfachten Seitenansicht mehrere Schichten 2 von Fasermaterial dargestellt. Die hellen Bereiche stellten unverfestigtes 2.1, die dunklen Bereiche stellen verfestigtes Fasermaterial 2.2 dar.
Eine Dosiereinrichtung 3 für das Fasermaterial ist über dem Behälter 4 angebracht, und lässt sich in X-, Y- und Z-Ebene steuern. Über der oberen Schicht aus unverfestigten und verfestigtem Fasermaterial wird mit der Dosiereinrichtung 3 eine weitere Schicht Fasermaterial aufgetragen.
Nachdem in dem Behälter 4 eine vollständige Schicht aus losem Fasermaterial 2.1 aufgetragen worden ist, folgt entsprechend der Darstellung in 4 die Verfestigung.
4 zeigt den Verfahrensschritt der Verfestigung des Fasermaterials.
Das unverfestigte Fasermaterial 2.1 wird mit einem Mikrodosiersystem 10, mit dem ein Klebstoff in gering dosierbaren Mengen aufgebracht werden kann, in einer linienförmigen Bewegung abgetastet. Der Auftrag von Klebstoff ist hierbei auf die zu erreichende Geometrie des Trägermaterials 1 beschränkt. Auf diese Weise lässt sich ein verfestigter Bereich im sonst unverfestigten Fasermaterial herstellen.
Mit dem Mikrodosiersystem 10 wird der Kleber in sehr kleinen Mengen mit einem zwischen 30 × 10^–12 l bis 500 × 10^–12 l (entspricht einen Tropfendurchmesser zwischen ca. 9 μm und 50 μm) wählbaren Tropfvolumen dosiert und auf die zuvor aufgeschichteten Fasern aufgetragen.
Alternativ zur Steuerung der Dosiereinrichtung 3 und des Mikrodosiersystems 10 lässt sich der Behälter 4, in dem sich das Trägermaterial 1 befindet, beim Aufschichten der Fasern und zum flächigen Verteilen der Klebtropfen hin und her bewegt. Zur erneuten Schichtbildung wird die Basis des Behälters 4 um einen Bruchteil der eigentlichen Faserlänge abgesenkt. Dadurch wird erreicht, dass die einzelnen Schichten untereinander verbunden sind. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde die Basis des Behälters um ca. 0,4 mm abgesenkt. Anschließend erfolgt der Auftrag einer neuen Schicht, die wieder mit Klebstoff versehen wird. Der Kleber wurde mit Hilfe von UV-Licht ausgehärtet.
Die Herstellung einer komplizierten dreidimensionalen Geometrie wird mit Hilfe einer CNC-Steuerung des Behälters 4 unter der Dosiereinrichtung bzw. unter dem Mikrodosiersystem 10 realisiert. Damit wird gewährleistet, dass die Betropfung der Vliesschichten mit dem Klebstoff im gewünschten Raster erfolgt. Dreidimensionale Strukturen können durch ein wiederholtes Aufschichten der Fasermaterialien genau und reproduzierbar nachgebildet werden.
In der 5 ist eine alternative Variante zur Verfestigung des Fasermaterials dargestellt. Anstelle der Aufbringung von Klebstoff erfolgt die Verfestigung in der oberen Schicht 2 durch eine mechanische Bindetechnologie. Hierzu werden Nadeln 5 mittels einer Mechanik 11 in eine senkrechte und/oder schräge Bewegung versetzt und über die obere Schicht geführt.
Eine weitere alternative Variante zur Verfestigung des Fasermaterials ist in 6 dargestellt. Die Verfestigung erfolgt hier durch Anwendung einer thermischen Bindetechnologie. Durch Erhitzen der oberen Schicht mit Hilfe eines Lasers 6 und angeschlossener Optik 7 werden die Fasern aufgeschmolzen und an Bindepunkten miteinander vereinigt. Der Brennpunkt 8 liegt im Bereich der oberen Schicht 2.
Die 7 zeigt eine Darstellung des Trägermaterials 1 mit einem gekennzeichneten Bereich, dessen Vergrößerung in 8 dargestellt ist. Die Laser-Scanning-Mikroskopische-Vergrößerung in 8 zeigt einen dreidimensionalen Ausschnitt der Vliesstruktur.
In 9 bis 11 sind mikroskopische Aufnahmen des hergestellten Trägermaterials dargestellt. Die Vergrößerung in 11 zeigt die Bindestelle zwischen zwei Fasern. Aufgrund des geringen Volumens des Klebers, das sich genau dosieren lässt, treffen die Klebstofftropfen die Außenfläche der Fasern und haften dort. Beim erneuten Auftrag von Fasern verkleben die Fasern an den Berührungspunkten. Wie die Vergrößerungen zeigen, bildet sich eine offenporige Struktur aus.

1: Trägermaterial
2: Schicht
2.1: unverfestigtes Fasermaterial
2.2: verfestigtes Fasermaterial
3: Dosiereinrichtung
4: Behälter
5: Nadel
6: Laser
7: Optik
8: Brennpunkt
9: Faser
10: Mikrodosiersystem
11: Mechanik
12: Bindepunkt

Claims

Trägermaterial aus Fasern, aufweisend eine freie dreidimensionale Geometrie und eine offenporige Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein der dreidimensionalen Geometrie entsprechend gebildetes und verfestigtes Vlies aus einzelnen Fasern ist.
Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies eine schichtweise verfestigte Faserstruktur aufweist.
Trägermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies eine vernetzte Porenstruktur aufweist.
Trägermaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vernetzte Porenstruktur Nachbildungen von Gefäßstrukturen aufweist.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies resorbierbare und nicht resorbierbare Fasern enthält, wobei die resorbierbaren Fasern ggf. eine unterschiedliche Abbaukinematik aufweisen.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies Fasern mit unterschiedlichem Querschnitt enthält.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies Fasern mit unterschiedlicher Feinheit enthält.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von 0,5 mm bis 20 cm aufweisen.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen Durchmesser von 1 μm bis 300 μm aufweisen.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Faseranteil gewellt und/oder geprägt ist.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern punktuell miteinander verschmolzen sind.
Trägermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mechanisch untereinander verhakt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Trägermaterials aus Fasern, bei dem ein Trägermaterial mit einer frei wählbaren dreidimensionalen Geometrie und einer offenporigen Struktur erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) aus einzelnen Fasern eine Vliesbildung und nachfolgend eine Vliesverfestigung vorgenommen wird, wobei die Vliesverfestigung in einem Bereich erfolgt, der durch die zu erzeugende Geometrie bestimmt ist, b) auf dem bereits verfestigten Vlies mit der Vliesbildung und der darauf folgenden Vliesverfestigung im Bereich der zu erzeugenden Geometrie fortgesetzt wird, c) und die alternierende Vliesbildung und Vliesverfestigung so lange wiederholt wird, bis das dreidimensionale Trägermaterial mit der gewünschten Geometrie vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vliesbildung auf einer ebenen oder einer unebenen Unterlage erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesbildung und Vliesverfestigung auf einer Unterlage mit einer seitlichen Begrenzung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesverfestigung mittels einer thermische Bindetechnologien vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesverfestigung mittels einer mechanischen Bindetechnologie vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesverfestigung mittels einer stoffschlüssigen Bindetechnologie vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesbildung und Vliesverfestigung mit einer Fasermischung vorgenommen wird, wobei die Fasermischung resorbierbare und nicht resorbierbare Fasern enthält, wobei die resorbierbaren Fasern ggf. eine unterschiedliche Abbaukinematik aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesbildung und Vliesverfestigung mit einer Fasermischung vorgenommen wird, wobei die Fasermischung Fasern mit unterschiedlichem Querschnitt enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesbildung und Vliesverfestigung mit einer Fasermischung vorgenommen wird, wobei die Fasermischung Fasern mit unterschiedlicher Feinheit enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesbildung und Vliesverfestigung mit einer Fasermischung vorgenommen wird, wobei die Fasermischung Faser einer Länge von 0,5 mm bis 20 cm enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesbildung und Vliesverfestigung mit einer Fasermischung vorgenommen wird, wobei die Fasermischung Faser mit einem Durchmesser von 1 μm bis 300 μm enthält.