Eine Nachbildung von Blutgefäßen, die aus Silikon im 3-Druck gefertigt wurde. (Bild: Aceo)
Ein Patient bespricht die bevorstehende OP mit seinem Arzt. Im Nebenzimmer bereitet ein Mediziner anhand von MRT-Bildern eine Operation vor. Im Stockwerk darunter wird die Prothese eines Patienten angepasst. All diese Aufgaben gehören zum medizinischen Alltag. Ein übliches Szenario im medizinischen Alltag.
Doch die Vorbereitungen könnten auch anders und viel plastischer aussehen. Statt MRT-Bilder stelle man sich Folgendes vor: Der Patient sieht ein Modell seiner eigenen Niere in den Händen des Arztes, der ihm zeigt, wo der Tumor sitzt, der entfernt werden muss. Erst dadurch versteht der Patient, was während der Operation passieren wird. Auch dem Arzt könnte ein Herz-Modell helfen, Schnittstrategien und mögliche Nähte an einem Modell des Herzens seines Patienten besser vorzubereiten. Diese präoperativen Versuche helfen dem Arzt, Komplikationen vorherzusehen und zu vermeiden, und sorgen so für einen effizienten und erfolgreichen Eingriff. Der Patient, der seine neue Prothese anprobiert, profitiert von einer optimal gedämpften Passform, die genau auf seinen Körper zugeschnitten ist. In naher Zukunft werden diese Szenarien dank 3D-Druck mit Silikon in der Praxis ankommen. Die Münchner Wacker Chemie hat eine Technologie entwickelt, die unter der Marke Aceo in den Markt gebracht wird. In einem Gemeinschaftsprojekt mit der Universität Erlangen werden MRT (Magnetresonanztomographie) – und CT (Computertomographie) -Daten aufbereitet und in den 3D-Druck mit Silikonen integriert.
Silikon für 3D-gedruckte Biomodelle
Der Hauptvorteil von 3D-gedruckten Biomodellen ist die Möglichkeit Organe mit komplexer Innenstruktur zu schaffen. Das Formteil entsteht Schicht um Schicht – vergleichbar mit dem Wachstum eines Baumes. Silikone überzeugen durch ihre Elastizität, einen hervorragenden Druckverformungsrest (Formgedächtnis), die Verfügbarkeit von verschiedenen Shore-Härten und ihre Biokompatibilität. Darüber hinaus lässt sich das Elastomer wie echtes Gewebe schneiden und vernähen.
Hannah Riedle vom Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) widmet sich in ihrer Dissertation der Biomodellierung mit Silikonen. Sie hat Maschinenwesen mit Schwerpunkt Medizintechnik studiert. Das Ziel des dreijährigen Forschungsprojekts ist die Evaluierung und Etablierung von 3D-Druckverfahren mit Silikonen in der Biomodellierung. Hierzu zählt auch die Entwicklung von Methoden für die Aufbereitung von MRT- und CT-Daten, damit diese möglichst einfach in das 3D-Druckverfahren integriert werden können. „Ich bin überzeugt, dass diese Methoden den Markt für medizinische Anwendungen wie Prothesen und Epithesen wesentlich erweitern und ältere Technologien ergänzen können. Darüber hinaus eröffnet unser Konzept neue Möglichkeiten für präoperative Tests“, erklärt Hannah Riedle. Dr. Vera Seitz, Entwicklungsingenieurin und Projektleiterin auf Seiten von Aceo, ergänzt: „Diese Forschung hat auch das Potenzial, bestimmte medizinische Behandlungsmethoden und Therapien zu verbessern. Die Ausbildung kann ebenfalls profitieren, da in Zukunft realistischere generische Modelle verfügbar sein werden, die neue Erkenntnisse liefern können.“ Letztlich soll aber jeder wissenschaftliche Fortschritt dazu beitragen, das Leben der Menschen positiv zu verändern, und das ist auch das eigentliche Ziel dieses Projekts.
Biomodellierung – eine neue medizinische Disziplin
Biomodellierung ist ein Teilbereich der Medizintechnik, der sich mit der Nachbildung anatomischer Strukturen und ihrer Eigenschaften beschäftigt. Der Markt für Biomodelle wurde noch nicht vollständig analysiert, aber laut Experten ist ein Volumen in dreistelliger Millionenhöhe realistisch. Die Nachfrage kann in zwei Teilbereiche eingeteilt werden: individuelle und generische Modelle. Individuelle Modelle werden für sehr spezifische Zwecke angefertigt, zum Beispiel präoperative Tests, Prothesen oder Epithesen. Generische Modelle werden in der Ausbildung eingesetzt, also an Schulen und Universitäten. Diese Modelle werden zunehmend eigenständig mittels 3D-Druck in Krankenhäusern oder von Oral- und Gesichtschirurgen angefertigt. Derzeit ist die Auswahl an Materialien für den 3D-Druck eingeschränkt, und die Modelle sind daher nur für eng eingegrenzte Zwecke einsetzbar. Gleichzeitig liefern moderne radiologische Verfahren wie MRT oder CT Daten, die für die Anfertigung von Biomodellen genutzt werden können. Für die Biomodellierung sind verschiedene Softwareprodukte verfügbar; Schnittstellen zwischen den Daten und der 3D-Drucktechnologie sind jedoch kaum vorhanden. Das Schließen dieser Lücke ist eines der Hauptziele des Projekts.
Drop-on-Demand-Konzept
In dem Drop-on-Demand-Verfahren werden einzelne Silikontropfen mit UV-Strahlung vernetzt.(Bildquelle: alle Aceo)
Die Druck-Technologie basiert auf einem Drop-on-Demand-Prinzip. Dabei dosiert der Druckkopf einzelne, mikroskopisch kleine Silikontropfen (sogenannte Voxel, also Volumenpixel) auf einer Bauplattform. Diese fließen ineinander und formen eine homogene Oberfläche. Nach jeder Schicht wird ein Vernetzungsprozess mittels UV-Licht aktiviert. Schicht für Schicht entsteht ein dreidimensionales Objekt. Um komplexe Geometrien, Überhänge und Hohlräume abbilden zu können, wird im selben Verfahren ein Stützmaterial mitgedruckt. Am Ende des Druckvorgangs wird das Formteil aus Silikon aus dem Drucker entnommen. Das umweltfreundliche Stützmaterial wird einfach mit Wasser ausgewaschen. Die Drop-on-Demand-Technik ist kontaktlos, das heißt der Druckkopf und das Bauteil berühren sich nie. Das bringt viele Vorteile mit sich und ermöglicht sowohl eine hohe Präzision als auch viel Gestaltungsfreiheit in der Geometrie.
Marktübersicht 3D-Druck und additive Fertigung
Der Begriff 3D-Drucker umfasst hier alle Geräte und Maschinen, mit denen Teile aufbauend erstellt werden können. Diese Teile können Modelle, Prototypen, Kleinserienteile, Serienteile in unbegrenzter Zahl, Prototypen-Werkzeuge, Werkzeug-Einsätze und andere Produkte sein. Verarbeitbare Materialien sind neben Kunststoffen auch Metalle, Keramik, Holz und andere Werkstoffe. Damit folgt die Definition der Drupa 2016.
Druck auf Bestellung
Der in München ansässige Hersteller von Spezialchemikalien und Silikonproduzent hat erst 2014 mit der Entwicklung von 3D-Druckverfahren begonnen. Aufgrund der hohen Viskosität des Werkstoffs Silikon hat der Konzern eine komplette neue Hardware und Software entwickelt, da bis dato keine entsprechende Technologie auf dem Markt verfügbar war. In einem Onlineshop können Kunden ihre eigenen CAD-Entwürfe hochladen, die anschließend in der Print Fab in Burghausen additiv gefertigt und in alle Welt versandt werden. Das interdisziplinäre Team besteht aus Experten für Materialien, Hardware, Software und Design und bietet neben der Auftragsentwicklung rund um Material und Konstruktion mehrere begleitende Serviceleistungen an.
