Orthopädisches Hüft-Implantat, das zukünftig mit additiver Fertigung aus Silber-Titanlegierungen gefertigt werden könnte.
In Titanimplantaten erzeugt additive Fertigung gezielt nanoskalige Silberinseln. Dank der Unmischbarkeit von Silber und Titan setzen sie lokal Silberionen frei und bieten einen integrierten antibakteriellen Schutz ohne zusätzliche Beschichtungen.
In der modernen Medizin sind Titanimplantate aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften weit verbreitet, sei es bei Zahnimplantaten oder orthopädischen Anwendungen (Bild 1). Ein zentrales Problem bleibt jedoch die Infektionsgefahr: Bakterielle Biofilme auf Implantatoberflächen können schwer behandelbare Infektionen verursachen. Hier könnte Silber, ein seit langem bekanntes antimikrobielles Mittel, eine entscheidende Rolle spielen. Silberionen hemmen das Wachstum vieler Bakterienarten, darunter auch Staphylokokken, die häufig Infektionen an Implantaten auslösen. Additiv gefertigte Implantate ermöglichen zudem eine individuelle Anpassung an patientenspezifische Geometrien. Die Herausforderung besteht darin, Titanimplantate effektiv mit Silber auszustatten. Konventionelle Beschichtungsverfahren sind schwierig, da sie oft eine ungleichmäßige Verteilung, schlechte Haftung oder begrenzte Kontrolle über die Silbermenge auf der Implantatoberfläche aufweisen. Die Kombination von Silbernanopartikeln (AgNPs) mit additiver Fertigung, genauer gesagt dem Laser-Pulverbett-Schmelzen (PBF-LB/M), bietet eine elegante Lösung. Dabei wird Titanpulver mit winzigen Silberpartikeln vermischt und Schicht für Schicht mittels Laserstrahlung zu einem festen Bauteil verschmolzen. Durch diese Methode entstehen durch die nahezu vollständige Unmischbarkeit von Titan und Silber „Silberinseln“ innerhalb des Titans, winzige Bereiche mit konzentrierten Silbernanopartikeln, typischerweise nur 150-200 Nanometer groß. Diese wirken antibakteriell, indem sie die Ansiedlung und Vermehrung von Bakterien hemmen und die Bildung von Biofilmen verhindern.
Unmischbarkeit als Designvorteil
Titanpulver (Ti, blau) mit gleichmäßig verteilten Silbernanopartikeln (Ag, rot), die später im additiven Fertigungsprozess zu antibakteriellen Silberinseln verschmelzen.
Zunächst werden Silbernanopartikel mittels Laserablation in Flüssigkeit hergestellt. Dabei wird ein festes Silbertarget in einer Flüssigkeit platziert und mit hochenergetischer Laserstrahlung bestrahlt. Durch die Laserbestrahlung werden Silberatome und kleine Cluster aus dem Target gelöst, die in der umgebenden Flüssigkeit sofort abkühlen und zu stabilen Nanopartikeln aggregieren. Auf diese Weise entstehen sehr kleine, nanoskalige Silberpartikel mit einer durchschnittlichen Größe von etwa
16 Nanometern. Besonders wichtig dabei ist, dass keine chemischen Zusatzstoffe oder Stabilisatoren benötigt werden. Die Partikel bleiben daher rein und biologisch unbedenklich. Darüber hinaus kann die Partikelgröße durch die Wahl geeigneter Laser- und Scanparameter beeinflusst werden. Diese Nanopartikel werden anschließend mit Titanpulver (Partikelgröße 15-45 Mikrometer) vermischt (Bild 2) und im PBF-LB/M-Verfahren zu filigranen Strukturen mit weniger als einem Millimeter Wandstärke (Bild 3) oder Testwürfeln verarbeitet.
Durch Variation von Laserleistung, Scan-Geschwindigkeit und Schichtdicke konnte so eine Materialverdichtung von bis zu 99,6 % erreicht werden. Mikroskopische Analysen zeigen, dass die Silberpartikel nicht vollständig in Titan aufgelöst werden, sondern kleine Inseln bilden. Diese Struktur verändert die Kristallisation des Titans: In silberreichen Bereichen entstehen keine langen, säulenförmigen Körner, sondern feinkörnige Strukturen, wodurch zusätzlich die mechanischen Eigenschaften deutlich verändert werden: Die Härte der Titanproben stieg mit zunehmendem Silberanteil um fast
50 %, von 244 HV auf 372 HV. Dies deutet darauf hin, dass die Silbernanopartikel das Material mechanisch stärken, etwa durch die Behinderung der Versetzungsbewegung und zusätzliche Verfestigungsmechanismen.
Nano-Inseln als antibakterieller Schutz
Additiv gefertigte Gitterstruktur, deren Aufbau als Grundlage für die Gestaltung patientenspezifischer Implantate dienen kann.
Um die Wirkung der Silberinseln zu prüfen, werden Titanproben mit Staphylococcen inkubiert, einer Bakterienart, die häufig Implantatinfektionen verursacht. Die Proben werden jeweils 24 Stunden in einer Nährlösung mit den Bakterien inkubiert, danach gewaschen und erneut in frischer Nährlösung gehalten. Anschließend werden die Bakterien fixiert und in einem Rasterelektronenmikroskop angeschaut. Die kugelförmigen Bakterien sind hier deutlich auf den glatten Oberflächen zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits geringe Silberanteile die Besiedlung deutlich reduzierten. Bei einer Silberkonzentration von 1 % verringerte sich die Zahl der haftenden Bakterien auf etwa ein Drittel im Vergleich zu Titan ohne Silberzusatz. Die Nano-Silberinseln setzen kontinuierlich Silberionen frei, die das Wachstum der Bakterien hemmen, während die Biokompatibilität weitgehend erhalten bleibt.
Damit zeigen die Experimente, dass gezielt eingebrachte Silberinseln einen dauerhaften antibakteriellen Schutz über die gesamte Implantatoberfläche bieten können, unabhängig von Größe oder Struktur, und dabei hohe Biokompatibilität sowie Materialstabilität bewahren. Die Kombination aus Silbernanopartikeln und additiver Fertigung eröffnet so eine vielversprechende Strategie zur antibakteriellen Optimierung von Titanimplantaten, ohne deren Sicherheit oder Stabilität zu beeinträchtigen, und könnte einen entscheidenden Schritt zu Verringerung von Infektionsrisiken darstellen. Zukünftige Studien sollen die Übertragbarkeit auf anwendungsrelevante Legierungen prüfen sowie Korrosionsbeständigkeit und Eigenschaften unter dynamischer Belastung evaluieren.
Weiterführende Literatur
Links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt deutlich weniger Bakterien auf der
Titanprobe mit Silbernanopartikeln (rechts) im Vergleich zur Referenzprobe ohne Silber (links).
[1] Shokri, H., Rittinghaus, S.-K., Schmelzer, J., Bertrand, J. and Gökce, B. (2025), A Novel Approach to Produce Metal-Metal Composites by Leveraging Immiscibility: Laser Powder Bed Fusion of Nanosilver-Dispersed Titanium. Adv. Eng. Mater., 27: 2401512. https://doi.org/10.1002/adem.202401512
[2] Kricke, J. L., Ebert, N., Sorarrain, A., Roth, S., Fischer, D., Schmidt, M., Gökce, B., Marimón, J. M., Kopp, S.-P., Doñate-Buendía, C. Electrophotographic Powder Application for Surface Functionalization of Polymer Parts with Thin Silver-Nanoadditivated Bactericidal Layers. Adv. Mater. Technol. 2025, 10, 2401262. https://doi.org/10.1002/admt.202401262
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Autoren
Silja-Katharina Rittinghaus, Bergische Universität Wuppertal
Hamed Shokri, Bergische Universität Wuppertal
Daniel Borchert, Bergische Universität Wuppertal
Bilal Gökce, Bergische Universität Wuppertal
Vadym Voropai, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Jessica Bertrand, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt deutlich weniger Bakterien auf der
Titanprobe mit Silbernanopartikeln (rechts) im Vergleich zur Referenzprobe ohne Silber (links).
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