Tailored Fiber Placement in der Medizintechnik: Wenn Faserarchitektur über Implantatperformance entscheidet

Implantate sind keine gewöhnlichen Composite-Bauteile

Wer Composite-Bauteile für den Maschinenbau oder die Luft- und Raumfahrt entwickelt, denkt zuerst an maximale Steifigkeit, minimale Masse und reproduzierbare Serienqualität. Medizinische Implantate stellen ein anderes, deutlich komplexeres Anforderungsprofil. Neben Festigkeit und Gewicht zählen Biokompatibilität, Langzeitverhalten unter physiologischen Bedingungen, kontrollierte Steifigkeitsprofile und, je nach Anwendung, die Fähigkeit, intraoperativ an individuelle Anatomien angepasst zu werden.

Genau hier eröffnet Tailored Fiber Placement (TFP) Möglichkeiten, die klassische Composite-Fertigungsverfahren nicht bieten können.

Wo klassische Composite-Layups bei Implantaten an ihre Grenzen stossen

Konventionelle Faserverbundstrukturen basieren typischerweise auf unidirektionalen oder mehrlagigen Laminataufbauten. Unter reiner Biegelast können solche Strukturen hohe Festigkeiten erreichen. Sobald jedoch Torsion, lokale Lastspitzen, Schraubenlöcher oder anatomisch angepasste Übergangsbereiche ins Spiel kommen, zeigen klassische Faserlayouts konstruktive Schwächen.

Ein konkretes Beispiel: Schraubenlöcher und Verbindungspunkte sind bei lasttragenden Fixationssystemen strukturell kritische Stellen. In konventionell gefertigten Laminaten werden diese Bereiche durch das nachträgliche Einbringen von Bohrungen geschwächt, weil die Fasern durchtrennt werden. Das Ergebnis sind lokale Festigkeitsverluste genau dort, wo der Werkstoff am stärksten beansprucht wird.

Hinzu kommt die Frage der Konturierbarkeit. Metallische Implantate können intraoperativ an die Knochengeometrie angepasst werden. Viele klassische Composite-Bauteile sind nach der Fertigung geometrisch fixiert, was ihren klinischen Einsatz in bestimmten Indikationsbereichen einschränkt.

Typische Schwachstellen klassischer Composite-Layups bei Implantaten:

• Hohe Festigkeit in Hauptbelastungsrichtung, begrenzte Torsionsresistenz
• Strukturschwächung durch nachträgliches Bohren von Schrauben- und Verbindungslöchern
• Wenig Designfreiheit rund um geometrisch kritische Bereiche
• Geometrisch fixiert nach der Aushärtung, kaum intraoperativ anpassbar
• Unidirektionale Verstärkungen neigen unter komplexen Lasten zu Delamination und strukturellem Zerfall

Was Tailored Fiber Placement für medizinische Implantate technisch interessant macht

Tailored Fiber Placement ist ein textilbasiertes Fertigungsverfahren, bei dem kontinuierliche Faserrovings computergesteuert auf ein Trägermaterial abgelegt und durch ein Stickverfahren fixiert werden. Das entscheidende Merkmal: Die Fasern werden nicht flächig oder gleichmässig verteilt, sondern gezielt entlang berechneter Lastpfade positioniert. Verstärkung entsteht exakt dort, wo sie strukturell gefordert ist.

Für medizinische Implantate ergeben sich daraus vier technisch relevante Vorteile:

1. Lastpfadoptimierte Verstärkung

Fasern können mit TFP entlang der Hauptspannungsrichtungen geführt werden, sowohl für Biegung als auch für Torsion. Gerade bei Frakturfixationssystemen, wo beide Lastfälle gleichzeitig relevant sind, erlaubt Tailored Fiber Placement eine zielgerichtetere strukturelle Auslegung als unidirektionale Laminate.

2. Lokale Verstärkung ohne unnötige Materialmasse

TFP platziert Verstärkung nur dort, wo sie funktional notwendig ist. Das unterstützt leichte und kompakte Implantatstrukturen, ohne auf flächige Überdimensionierung angewiesen zu sein, ein klarer Vorteil, wenn minimales Gewicht und maximale Funktion gefragt sind.

3. Funktionale Gestaltung rund um kritische Geometrien

Bei Implantaten sind Aussparungen und Schraubenlöcher häufig unvermeidbar. Mit Tailored Fiber Placement können Fasern gezielt um diese Zonen herumgeführt werden, sodass die strukturelle Integrität erhalten bleibt. Gleichzeitig lassen sich Fasern unter Schraubenköpfen sinnvoll verteilen, was zu einer zuverlässigeren Kraftübertragung im Verbindungsbereich führt.

4. Kontrollierte Steifigkeit als aktiver Designparameter

Im Implantatbereich ist nicht nur hohe Festigkeit gefragt. Ebenso wichtig ist eine Steifigkeit, die zur jeweiligen Anwendung passt, um unerwünschte Belastungsumverteilungen und biomechanisch nachteilige Effekte zu vermeiden. TFP bietet dafür deutlich mehr Freiheitsgrade als konventionelle Laminataufbauten.

BIONTEC in der Forschung: TFP für lasttragende Frakturfixationssysteme

Dass Tailored Fiber Placement in lasttragenden medizinischen Implantatstrukturen funktioniert, zeigt eine veröffentlichte Studie in Research in Veterinary Science (Moritz et al., 2023), an der BIONTEC als Entwicklungspartner für Design und Herstellung der TFP-Preforms beteiligt war. Untersucht wurde ein neuartiges, intraoperativ konturierbares Composite-Implantatsystem für die Behandlung von Unterarmfrakturen bei Kleinhunderassen. Der Kern des Systems: Ein halbflexibler, TFP-basierter Glasfaser-Preform, der am Knochen konturiert und anschliessend durch ein lichthärtendes Harzsystem versteift wird, sodass ein lasttragend und geometrisch stabiles Fixationssystem entsteht.

Zentrale Erkenntnisse der Studie

Die Studie liefert Ergebnisse, die weit über den veterinärmedizinischen Einzelfall hinaus für Implantatkonzepte relevant sind:

TFP-basierte Strukturen bleiben unter Belastung zusammen

In Biegeversuchen übertreffen TFP-verstärkte Proben unverstärkte Harzkörper klar. Wichtiger noch: Das TFP-basierte System blieb auch nach dem ersten Versagen als zusammenhängende Struktur erhalten. Unidirektional verstärkte Miniplatten hingegen neigten zur Rissbildung und strukturellen Disintegration, in Torsionstests zum Zerbrechen in mehrere Teile. Die kontinuierliche, funktionsgerechte Faserführung und der hohe Faservolumengehalt tragen wesentlich zu dieser strukturellen Integrität bei.

Optimierte TFP-Strukturen zeigen Vorteile bei komplexen Lastfällen

Optimierte TFP-Designs erreichten unter Torsionsbelastung statistisch signifikant höhere Werte als unidirektionale Vergleichsstrukturen. Das unterstreicht den Vorteil der angepassten Faserarchitektur gegenüber einfachen Laminataufbauten, sobald mehrachsige Belastungen auftreten.

Faserarchitektur um Schraubenlöcher erhöht die strukturelle Integrität

Fasern können in TFP-Strukturen so angeordnet werden, dass sie Schraubenlöcher umgehen und gleichzeitig unter Schraubenköpfen sinnvoll verteilt bleiben. Das vermeidet die Festigkeitsverluste, die durch nachträgliches Bohren konventioneller Laminate entstehen. Dadurch bleibt die Verbindungszone strukturell stärker als bei klassischen Laminataufbauten.

TFP vs. klassisches Laminat: Was macht den Unterschied?

Welche Fasern eignen sich für medizinische Implantate?

Die Materialwahl ist bei medizinischen Implantaten keine reine Leistungsfrage. Biokompatibilität, Langzeitverhalten, regulatorische Absicherung und klinische Zielsetzung spielen eine ebenso grosse Rolle. Grundsätzlich lassen sich mehrere Faserklassen unterscheiden, die für TFP-basierte Implantatstrukturen sinnvoll einsetzbar sind.

Glasfasern

Glasfasern sind im Implantatkontext gut etabliert. Sie bieten ein ausgewogenes Verhältnis aus mechanischer Leistungsfähigkeit, Verarbeitbarkeit und medizinischer Eignung, sind elektrisch nichtleitend, gut als textile Halbzeuge verarbeitbar und in biostabilen wie in bioresorbierbaren Matrixsystemen einsetzbar. Auch in der zitierten Studie wurden E-Glasfasern als Verstärkungskomponente verwendet.

Bioaktive Glasfasern

Für bioresorbierbare oder regenerative Implantatkonzepte sind bioaktive Glasfasern ein vielversprechender Ansatz. Sie verbinden strukturelle Funktion mit biologischer Wechselwirkung, ein Eigenschaftsprofil, das für temporäre oder bioresorbierbare Stützstrukturen hochinteressant ist und in der Forschung zunehmend Beachtung findet.

Polymerbasierte Hybridgarne

Hybridgarne aus Polymer und Verstärkungsfaser erlauben die Integration von Verstärkungs- und Matrixanteilen bereits im textilen Halbzeug. Das ist besonders attraktiv für thermoplastische oder bioresorbierbare TFP-Preforms. In der Studie wurde ein Hybridgarn aus PLA und Glasfasern erfolgreich für ein bioresorbierbares Miniplattenkonzept eingesetzt.

Hinweis zur Materialwahl: Nicht jede Hochleistungsfaser aus dem industriellen Composite-Bereich ist automatisch für medizinische Implantate geeignet. Carbonfasern etwa sind für Prothesen, Orthesen und strahlentransparente medizinische Hilfsmittel eine ausgezeichnete Wahl, weil ihre geringe Röntgendichte dort einen klaren Vorteil darstellt. Für langzeitimplantierte, lasttragende Fixationssysteme spielen jedoch andere Kriterien eine entscheidende Rolle, darunter elektrische Leitfähigkeit, Abriebverhalten, Bildgebungseigenschaften und regulatorische Anforderungen.

Matrix: Thermoplastische oder duroplastische Systeme?

Die Wahl des Matrixsystems beeinflusst nicht nur die Verarbeitbarkeit, sondern auch Konturierbarkeit, Sterilisierbarkeit, Langzeitverhalten und das mögliche Spektrum klinischer Anwendungen. Für TFP-basierte Implantatstrukturen kommen beide Systemklassen in Frage, mit klar unterschiedlichen Stärken.

Thermoplastische Matrixsysteme

Thermoplaste erweichen bei Erwärmung und können dadurch umgeformt oder konsolidiert werden. Besonders interessant sind sie für bioresorbierbare Implantatkonzepte, etwa auf Basis von PLA oder ähnlichen Polymeren.

Vorteile:

• Gute Umform- und Nachformbarkeit
• Potenziell bessere Schadentoleranz gegenüber Duroplasten
• Interessant für bioresorbierbare Konzepte, etwa auf PLA-Basis
• Kein klassischer Aushärtungsschritt erforderlich

Duroplastische Matrixsysteme

Duroplaste härten chemisch aus und bilden danach ein irreversibles Netzwerk. Sie überzeugen, wenn präzise mechanische Eigenschaften, gute Preform-Imprägnierung und hohe Formstabilität gefragt sind. Lichthärtende Harzsysteme eröffnen ein besonders interessantes Konzept: Der Preform bleibt zunächst flexibel, wird intraoperativ an die Anatomie angepasst und anschliessend durch Lichthärtung versteift.

Vorteile:

• Gute Imprägnierbarkeit textiler Preforms bei niedrigviskosen Harzsystemen
• Hohe Formstabilität und definierte mechanische Eigenschaften nach der Aushärtung
• Lichthärtende Systeme ermöglichen intraoperative Anpassbarkeit und anschliessende Versteifung in einem Schritt
• Geeignet für präzise, lasttragende Composite-Strukturen

Die richtige Wahl hängt davon ab, ob das Implantat dauerhaft oder temporär eingesetzt wird, ob intraoperative Anpassbarkeit gefordert ist und ob ein bioresorbierbares oder biostabiles System entwickelt werden soll.

Perspektive: TFP für Implantate über den Einzelfall hinaus

Die in der Studie untersuchten Implantatkonzepte sind technologisch klar auf ein breiteres Anwendungsspektrum übertragbar. Die Autorinnen und Autoren nennen ausdrücklich weitere mögliche Anwendungen in der Veterinär- und Humanmedizin, darunter andere Frakturfixationssysteme und den maxillofazialen Bereich.

Überall dort, wo Implantate präzise, lastgerecht, leicht und geometrisch anspruchsvoll ausgelegt werden müssen, entstehen interessante Anwendungsräume für TFP-basierte Faserarchitekturen. Die Leistungsfähigkeit medizinischer Composite-Implantate hängt dabei nicht allein vom Material ab: Faserarchitektur, Faservolumengehalt und das Zusammenspiel aus Faser und Matrix sind ebenso entscheidend.

Fazit: Faserarchitektur als Implantatdesign

Tailored Fiber Placement eröffnet für medizinische Implantate einen Entwicklungsraum, den klassische Fertigungsverfahren so nicht bieten. Statt Verstärkung flächig einzubringen, können Fasern funktionsgerecht entlang realer Lastpfade positioniert werden, gezielt um kritische Geometrien herum, mit kontrollierbarem Steifigkeitsprofil und erhaltener struktureller Integrität auch bei komplexen Belastungssituationen.

Die veröffentlichte Studie zu TFP-basierten Frakturfixationssystemen, an der BIONTEC als Entwicklungspartner und Hersteller der TFP-Preforms beteiligt war, ist ein sichtbares Beispiel dafür, wie dieser Ansatz in einem anspruchsvollen medizintechnischen Kontext eingesetzt werden kann.

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Quelle: Moritz, N., Liesmäki, O., Plyusnin, A., Keränen, P., & Kulkova, J. (2023). Load-bearing composite fracture-fixation devices with tailored fibre placement for toy-breed dogs. Research in Veterinary Science, 156, 66–80. https://doi.org/10.1016/j.rvsc.2023.02.001

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