KI-gestützte Entwicklung von Kieselalgenstrukturen zum Aufbau von additiv gefertigten Endoprothesen aus Ti-6Al-4V


Hintergrund und Motivation
Die Anzahl der pro Jahr implantierten totalen Hüftendoprothesen wurde 2002 weltweit auf 700.000 geschätzt. Hierbei sind die Eingriffe nicht auf ein erstmaliges Implantieren einer Endoprothese beschränkt. Aufgrund des zunehmenden Alters der Gesamtbevölkerung wurden ca. 20 % der Eingriffe für einen Wechsel der Prothese durchgeführt. Insbesondere für junge Patienten ist dies im Laufe des Lebens in der Regel unvermeidlich, sodass eine bessere Einbindung der Prothese mit weniger Eingriffen und demnach weniger gesundheitlichen Belastungen einhergeht. Für das Design einer Endoprothese und deren langfristiger, nachhaltiger sowie erfolgreicher Einsatz, sind unter anderem drei Faktoren relevant:

  • Biokompatibilität der verwendeten Werkstoffe
  • Biomechanische Stabilität, indem Lastverteilungen zwischen Knochen und Prothese angestrebt werden, die dem natürlichen Zustand nahekommen um „stress-shielding“ zu vermeiden (körpereigener Rückbau von nicht beanspruchtem Knochenmaterial)
  • Stabilität der Verankerung im Knochen druch Einwachsen von neuem Knochengewebe in die Protheses

Kieselalgen sind marine Mikroorganismen, die in tausendfach unterschiedlicher Form in den Weltmeeren vorkommen und sich durch filigrane, hoch poröse und trotzdem feste und widerstandsfähige Strukturen auszeichnen. Das Potential entsprechender, bio-inspirierter Designprinzipien konnte bereits für unterschiedliche Bereiche genutzt werden, sodass beispielsweise crashrelevante Bauteile mit besseren Impactwerte bei geringerem Gewicht entwickelt werden konnten. Aufgrund ihrer geringen Dichte und ihren einzigartigen Leichtbauschalenstrukturen, die unempfindlich auf variable dynamische Belastungen reagieren, sind entsprechende Designprinzipien ein vielversprechendes Vorbild und prädestiniert für die Entwicklung bio-inspirierten offenporiger Strukturen, die beim optimierten Design von Endoprothese zum Einsatz kommen können.


Ziele und Vorgehen
In diesem Vorhaben soll zunächst die Entwicklung einer Methode zur KI-gestützten Strukturierung von Druckschwell- und biegebeanspruchte Risswachstumsproben erfolgen, um auf lange Sicht die erfolgreiche Strukturierung von Endoprothesen in Folgeprojekten zu ermöglichen. Der Fokus liegt hierbei auf bio-inspirierten, offenporigen Kieselalgenstrukturen, die das Einwachsen von Knochen befördern. Gleichzeitig sollen realistische Belastungen berücksichtigt werden, um auf lange Sicht ein möglichst passgenaue Beanspruchungsverteilung zu unterstützen. Die Strukturen werden aus biokompatiblen, korrosionsbeständigen Werkstoffen mit Hilfe additiver Fertigung im pulverbettbasierten selektiven Laserschmelzprozess (PBSLM) am IWT erzeugt. Hier erfolgen auch die mechanische Prüfung, die Modellierung von Rissinitiierung und Versagen der Strukturen, und die Analyse der Probekörper.
Auf diese Weise wird in KIKI einerseits eine bezüglich Leichtbau und Beanspruchung optimierte Druckschwellprobe entwickelt, die Beanspruchungen vergleichbar zum natürlichen Zustand in einem Oberschenkelknochen ertragen kann ohne den umgebenen Knochen übermäßig zu entlasten. Andererseits wird ein KI-unterstützter Entwicklungsprozess von bio-inspirierten Strukturen entwickelt. Die Kombination beider Punkte stellt die Grundlage für die Entwicklung von bio-inspirierten Endoprothesen dar, die im Nachfolgenden adressiert werden soll.
Durch seinen innovativen Ansatz trägt das Projekt KIKI dazu bei, Bremen als wichtigen Standort für die additive Fertigung in der Medizintechnik zu stärken Im Wesentlichen werden die Ergebnisse eines zweistufigen Ansatzes dazu beitragen, das allgemeine Verständnis von Phytoplanktonorganismen zu verbessern und gleichzeitig helfen, bioinspirierte funktionale Designstrategien zu entwickeln, die effizient auf moderne technische Anwendungen und Designtechnologien übertragen werden können.


Rolle des AWI
Im Rahmen des Projekts werden am AWI bio-inspirierte, offenporige Strukturen und Designkonzepte mithilfe innovativer Software und parametrischer Modellerzeugung generiert. Dabei werden die Prinzipien so entwickelt, dass sie hoch variabel eingesetzt werden können, für die Endoprothetik relevanten Designeigenschaften berücksichtigen und Optimierungen hinsichtlich Gewicht, Porosität, Festigkeit und Herstellbarkeit ermöglichen. Hauptsächlich werden hierfür Bauprinzipien von Kieselalgen abgeleitet und abstrahiert. Im nachfolgenden Schritt wird auf Grundlage der erstellten Designs sowie den Ergebnissen der mechanischen Analyse der Probekörper eine Datenbasis erstellt. Diese ist die Grundlage für ein neu zu entwickelndes KI-Tool. Dieses Tool wird im Designprozess der bio-inspirierten mechanischen Proben die Auswahl geeigneter Kieselalgenstrukturen unterstützen und somit die Erzeugung einer optimierten Struktur verbessern.

Kooperationspartner

Gefördert durch

Projektdurchführung:
Nils Kaiser (Leitung)
Aniket Angre

Kontakt:
Nils Kaiser
+49 (471) 4831-2901

Laufzeit:
Januar 2022 bis Dezember 2023
(2 Jahre)

Förderung:
UBRA