Generative Fertigung in der Medizintechnik: Aus Pulver gebaut

Generative Fertigung in der Medizintechnik: Aus Pulver gebaut

Individuell angepasste Hörgeräte, maßgeschneiderte Zahnkronen oder Knochenimplantate, Bauteile für Autos und Flugzeuge — das sind einige der ersten generativ gefertigten Produkte. Sie werden direkt aus den Konstruktionsdaten Schicht für Schicht aus Pulver hergestellt — schnell und kostengünstig. Doch noch ist »Additive Manufacturing« ein Nischenmarkt. Forscher arbeiten an neuen Materialien und verbesserten Prozessen, um die generative Fertigung für weitere Anwendungen interessant zu machen.

Schicht für Schicht aufgebaut: Teilnachbildung eines menschlichen Kieferknochens
© Britta Pohl / Fraunhofer IFAM
Schicht für Schicht aufgebaut: Teilnachbildung eines menschlichen Kieferknochens

In einigen Bereichen sind Rapid-Technologien schon nicht mehr wegzudenken – etwa in der Dentaltechnik. Individuelle Produkte wie Zahnersatz oder Gebisse lassen sich mit generativen Verfahren schneller und preisgünstiger fertigen. Eine Laser-Sinter-Anlage stellt täglich mehr als 500 Zahnkronen her, mit traditioneller Gusstechnik schafft ein Zahntechniker gerade zehn. Rapid-Technologien ermöglichen zudem die Fertigung passgenauer Hörgeräte auf Knopfdruck. Dazu wird einfach mit einem 3D-Scanner der äußere Gehörgang vermessen und als Datenmodell in einen Rechner eingegeben. Am Computer lässt sich das virtuelle Gehäuse nach mechanischen und akustischen Tests optimieren. Danach wird es mittels Lasersintern oder Stereolithographie gefertigt. Heute werden weltweit bereits mehr als 40 Prozent aller Hörgeräteschalen generativ hergestellt.

Implantate

Die generative Fertigung erobert sich ständig neue Anwendungsgebiete. In der Medizintechnik bereitet das Selective Laser Melting den Weg für eine neue Generation medizinischer Implantate. Der große Vorteil: Die Implantate lassen sich individuell anpassen und mit poröser Struktur fertigen. Forschern des ILT ist es gelungen, gemeinsam mit ihren Kollegen vom Lehrstuhl für Lasertechnik LLT an der RWTH Aachen SLM für die Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung TiAl6V4 zu qualifizieren und in dem Projekt »Elastobone« maßgeschneiderte Implantate zu fertigen. Als Vorlage dienen CAD-Modelle, etwa aus den Daten einer Computer-Tomographie. Mit dem neuen Verfahren haben die Forscher ein künstliches Hüftgelenk herstellt. 2008 wurde dieses Individualimplantat erstmals eingesetzt.

Künstliche Knochen – Ersatzknochen aus der Laserschmelze

Die Forscher des ILT arbeiten bereits an der nächsten Generation künstlicher Knochen – an resorbierbaren Implantaten. Die abbaubaren künstlichen Knochen regen die Regeneration des Körpers an. Die Besonderheit: In Abständen von wenigen hundert Mikrometern durchziehen feine Kanäle das Implantat. Die Porenkanäle schaffen eine Gitterstruktur, in die der angrenzende Knochen hineinwachsen kann. Dieser Aufbau wird durch das selektive Laserschmelzen möglich. »Das Grundgerüst der Ersatzknochen besteht aus dem Kunststoff Polylactid, kurz PLA. Darin eingelagerte Körnchen aus Tricalciumphosphat (TCP) sorgen für Festigkeit und regen den natürlichen Knochenheilungsprozess an«, sagt Simon Höges, Projektleiter am ILT. Das Material lässt sich allerdings nur dort einsetzen, wo es nicht zu stark belastet wird: So sollen die »Resobone«-Implantate vor allem fehlende Gesichts-, Kiefer- und Schädelknochen ersetzen. Sie können derzeit bis zu 25 Quadratzentimeter große Lücken schließen.

Als Vorlage für die passgenaue Fertigung der Implantate dienen Computer-Tomographien des Patienten. Die Arbeitsabläufe von den CT-Aufnahmen über die Konstruktion des Implantats bis hin zu seiner Fertigung sind so aufeinander abgestimmt, dass sich Ersatz für ein defektes Jochbein in wenigen Stunden und ein fünf Zentimeter großes Schädelstück über Nacht herstellen lassen. Die resorbierbaren Implantate entstanden im Projekt »Resobone« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Prothesen

Mit generativen Technologien lassen sich auch Prothesen fertigen. Ingenieure des Fraunhofer IPA haben gemeinsam mit der Firma Gottinger GmbH eine neuartige Beinprothese entwickelt. An Stelle der aufwändigen Anprobe am Patienten werden die erforderlichen Daten und individuellen Maße direkt am Computer generiert und anschließend in die Konstruktion integriert. Besonderes Augenmerk wurde auf das Design gelegt: »Wir wollen den Amputierten neue Möglichkeiten bieten, trotz ihrer Beeinträchtigung den Alltag zu meistern, indem sich die Prothese nicht nur funktional, sondern auch gestalterisch an den Lebensstil des Betroffenen anpasst«, erläutert Grzesiak. Erste Patienten testen bereits die Beinprothese. Der neuartige Gliedersatz ist derzeit auch in der Ausstellung »Working Prototypes« im DHuB-Museum in Barcelona zu sehen.

Großes Potenzial sieht der Sprecher der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung in weiteren Branchen in der Mikrosystemtechnik und Biomedizin. Ein Beispiel: Peptid-Arrays – ein Werkzeug, um neue medizinische Wirkstoffe, Impfstoffe, Diagnose- oder Therapieverfahren zu entwickeln – lassen sich mit generativen Verfahren kostengünstig herstellen. Ein Team aus Wissenschaftlern des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) in Heidelberg und des IPA hat dazu eine Art Drucker für Biochips entwickelt. Gedruckt wird auf Glas. Die 20 unterschiedlichen Aminosäuren, aus denen Eiweiße aufgebaut sind, werden aus 20 Tonern gedruckt. Schicht für Schicht werden die Aminsäuren aufgetragen und zu Peptiden verkettet. Dank der generativen Fertigung lassen sich die Kosten um mindestens den Faktor 100 senken. Die fertigen Arrays können zu einem Preis von wenigen Cent pro Peptid angeboten werden. Fraunhofer-Forscher planen aber schon weiter. Sie wollen künftig sogar Venen, Haut oder gar ganze Organe drucken. »Aber das ist noch Zukunftsmusik«, betont Grzesiak.

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Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung

Die Partner in der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung entwickeln neue Technologien und Anwendungen auf Basis der generativen Verfahren gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten aus dem Bereich der Life Sciences. Die Aktivitäten umfassen nicht nur die direkten Anwendung der generativen Technologien, sondern auch Materialentwicklung, medizinische Zertifizierung als Lösungen für die Biotechnologie.

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