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17.11.2021 | Additive Fertigung | Im Fokus | Onlineartikel

Additive Fertigung ermöglicht neue medizinische Anwendungen

Autor:
Christoph Berger
5 Min. Lesedauer

Für den 3D-Druck gibt es im Medizinbereich unterschiedlichste Anwendungsmöglichkeiten. Zugutekommt der Technik dabei vor allem, Produkte nach klar definierten Eigenschaften herzustellen. Das führt zu neuen Therapie- und Behandlungsansätzen.

Es geht um Hightech-Zahnersatz, um Prothesen, die Entzündungsreaktionen im Körper eigenständig erkennen oder individuell angepasste Sitze für Rollstühle – um die Erforschung neuer Technologien für den Einsatz von 3D-Druckverfahren in der Medizintechnik. Derartige Anwendungen sind angestrebte Ziele des von den Fraunhofer-Instituten für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden sowie des für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz zusammen mit der Fakultät Maschinenbau mit dem Center for Advanced Manufacturing Technologies (CAMT) der Technischen Universität Breslau 2021 gegründeten Zentrums "Additive Technologien für Medizin und Gesundheit" (ATeM)“. Zusammen sollen noch in diesem Jahr erste Demonstratoren vorgestellt werden.

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Einsatzmöglichkeiten der additiven Fertigung in der Herstellung von Phantomen

In der medizinischen Bildgebung ist die Qualitätssicherung, wie u.a. die Dosimetrie in der Strahlentherapie, unerlässlich. Um diese zu gewährleisten, können sog. Phantome eingesetzt werden. Phantome bezeichnen physische Modelle, die biologisches Gewebe und dessen Eigenschaften, wie bspw. Röntgenabsorptionseigenschaften oder Magnetresonanz-Relaxationszeiten, in der medizinischen Bildgebung nachahmen.

"Großes Potential liegt in der Nutzung innovativer Werkstoffe und der Integration zusätzlicher Funktionalitäten in den Zahnersatz, die den Tragekomfort für den Patienten erhöhen", erklärt dazu Prof. Dr. Frank Brückner, Technologiefeldleiter Generieren und Drucken am Fraunhofer IWS. Die additive Fertigung könnte es gestatten, deutlich komplexere Implantate nach einem 3D-Scan des Mundraums sofort zu drucken und damit Wartezeiten zu verkürzen, erklärt er. Über additive Verfahren ließen sich beispielsweise auch Metall- und Kunststoffmaterialien für eine verbesserte Ästhetik miteinander kombinieren.

Die Kombination von Werkstoffen

Von Kombinationen verschiedener Werkstoffe berichtet auch das Unternehmen Lithoz im Artikel "3D-Drucker in Aktion" der Springer-Fachzeitschrift "Keramische Zeitschrift", Ausgabe 6/2021. Demnach würden sich mit einem 2020 auf den Markt gebrachten Multimaterial-Drucker Anwendern neue Möglichkeiten bei der gemeinsamen Verarbeitung zweier Materialien in den Kombinationen Keramik-Keramik, Keramik-Metall oder Keramik-Polymer eröffnen. Die Zusammensetzung und Organisation der Materialien lasse sich innerhalb eines Bauteils stufenlos ändern, da diese in verschiedenen Schichten gedruckter Komponenten und auch innerhalb einer einzigen Schicht kombiniert werden könnten. Die LCM-Technologie, LCM steht für Lithography-based Ceramic Manufacturing, eröffne die Möglichkeit zu neuen Anwendungen, zum Beispiel in den Bereichen Elektronik und eingebettete Sensoren, über biomedizinische Implantate und Geräte bis hin zu Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau und hocheffizienten Energiespeichersystemen.

Im Rahmen des vorgestellten Zentrums ATeM arbeitet man am IWU zudem an sich drucken lassenden faserverstärkten 3D-Strukturen. Verstärkungsfasern werden dabei direkt in eine Kunststoffmatrix mit dem Ziel eingebracht, ein belastungsgerechtes Design eines Produkts, das zudem noch extrem leicht ist, zu erreichen. Oder es wird an der Integration von empfindlichen Sensoren in additiv hergestellten Knie- oder Hüftgelenken gearbeitet. Diese könnten Entzündungsreaktionen nach der Operation feststellen, indem sie auf höhere Temperaturen oder veränderte Biomarker reagieren. Auch Lab-on-a-Chip-Systeme sollen gedruckt werden können. Mit ihnen ließen sich Organfunktionen und Abläufe im menschlichen Körper auf einem Chip darstellen. Beim Testen von Medikamenten könne diese Variante zum Einsatz kommen.

Individuell, auf den Patienten zugeschnittene Lösungen

Prinzipiell erlaube der 3D-Druck individuelle und auf den Patienten zugeschnittene Lösungen sowie die Integration neuer, verbesserter Eigenschaften und Funktionen in Bauteile, heißt es vonseiten des IWS. Dies sei meist nicht nur deutlich kostengünstiger als herkömmliche Verfahren, sondern erlaube auch, neuartige Therapien und Behandlungsansätze bereitzustellen.

Ein anderes Einsatzgebiet von additiven Fertigungsverfahren wird im Kapitel "Einsatzmöglichkeiten der additiven Fertigung in der Herstellung von Phantomen" des Springer-Fachbuchs "Konstruktion für die Additive Fertigung 2020" beschrieben. Darin geht es um Phantome. Bei diesen handelt es sich um Modelle, die biologisches Gewebe und dessen Eigenschaften in der medizinischen Bildgebung nachahmen. Benötigt werden diese Modelle für die Qualitätssicherung. "Je nach Anwendungsfall müssen die verwendeten Materialien somit Eigenschaften wie Röntgenabsorption, Schallausbreitung oder Magnetresonanz-Relaxationszeiten widerspiegeln", schreiben die Autoren. Zusätzlich würden sie für spezifische Forschungsinteressen in weiteren Bereichen der interventionellen Radiologie, der Krebsdiagnostik und -Therapie eingesetzt.

Phantome simulieren biologisches Gewebe

Vor dem Hintergrund dieser Einsatzgebiete müssen die Phantome einen hohen Grad an anatomischen Details reproduzieren oder individualisierbare Eigenschaften, wie die Integration von Messmitteln, aufweisen, heißt es weiter. "Aufgrund der freien Gestaltungsmöglichkeiten bieten additive Fertigungsverfahren (eng. Additive Manufacturing, AM), bei denen das Bauteil element- oder schichtweise aufgebaut wird, die Möglichkeit, Phantome mit sehr definierten Eigenschaften herzustellen", so die Autoren.

Als AM-Materialien kommen für diese Zwecke hauseigene und kommerziell erhältliche AM-Materialien zum Einsatz, einschließlich Thermoplasten und Fotopolymerharzen. "Entscheidend für ein Phantom ist das gewebeäquivalente Material (auch Surrogat), das verschiedene Eigenschaften entsprechend des Originals im menschlichen Körper aufweist, um dieses möglichst realitätsnah nachzuempfinden", wird in dem Kapitel erklärt. Hergestellt werden sie mit zwei Fertigungsmöglichkeiten: der direkten oder der indirekten Fertigung. Bei der direkten Fertigung könne das gewünschte Modell oder Teil des Modells direkt mit AM gefertigt werden, bei der indirekten Fertigung entstehe das Modell über Werkzeuge und den Formenbau.

Gedruckt werden die Phantome sowohl mit dem 3D-Durckverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) sowie mit dem Stereolithografie (SLS) Verfahren. Die Autoren erklären: "FDM ist ein Schmelzschichtungsverfahren, bei dem das Objekt schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff hergestellt wird. … Bei der Stereolithografie (SLA) wird das Werkstück aus einem flüssigen Photopolymer mittels eines reflektierenden UV-Lasers ausgehärtet."

Weitere Forschungen an AM-Druckmaterialien

In ihrem Ausblick gehen die Autoren davon aus, dass additiv gefertigte Phantome langfristig heute übliche Standardmodelle in der Forschung und Qualitätssicherung der medizinischen Bildgebung ergänzen und ersetzen werden. Durch maßgeschneiderte Phantome, die für spezifische Forschungsinteressen oder sogar für die Anatomie eines bestimmten Patienten entworfen werden können, würden sich viele neue Möglichkeiten eröffnen. "Die nächste Entwicklungsstufe wird es ermöglichen, mehrere Gewebe und Eigenschaften in einem Phantom so zu vereinen, dass Phantome verstärkt multimodal eingesetzt werden können." Dazu seien aber noch weitere Studien an Druckmaterialien notwendig.

Zudem werde die Fertigung von speziellen Filamenten für AM-Phantome eine wichtige Rolle spielen, um in einem Druckvorgang ein komplettes anthropomorphes Phantom ohne zusätzliche Fertigungsmethoden zu produzieren. Die Autoren: "In Zukunft könnten somit auch flexible und bewegliche Phantome bis hin zu Phantomen mit integrierten biologischen Proben additiv gefertigt werden."

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