3D-Druck

Implantate machen einen guten Eindruck

| Autor / Redakteur: Christa Friedl / Ira Zahorsky

Mithilfe von Stereolithografie sind besonders präzise Implantate möglich. Im Bild der Asiga-Drucker, der in einem Arbeitsgang 48 Ohrstücke produziert.
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Mithilfe von Stereolithografie sind besonders präzise Implantate möglich. Im Bild der Asiga-Drucker, der in einem Arbeitsgang 48 Ohrstücke produziert. (Bild: Hypecask)

Implantate oder gar lebende Gewebe einfach aus dem Drucker? Der Wirbel um die 3D-Technik in der Medizin ist groß. Auch wenn der Hype wieder etwas abgeflaut ist: Durch die additive Fertigung ändern sich Wertschöpfungsketten – eine Chance für innovative Unternehmen auf einem dynamischen Markt.

Der 3D-Druck kehrt die Formgebung von Gütern um. Normalerweise wird Material abgetragen, damit eine vorgegebene Form entsteht. 3D-Drucker hingegen arbeiten additiv: Am Anfang steht ein virtuelles dreidimensionales Modell. Nach diesem digitalen Bauplan wird Material in dünnen Schichten auf eine Grundfläche aufgetragen. Nach jeder Lage senkt der Drucker die Fläche leicht ab und fügt eine weitere Schicht hinzu. So entsteht ein räumliches Gebilde, das den vorgegebenen Abmessungen und inneren Strukturen exakt entspricht, ohne dass groß nachgearbeitet werden muss. Ist das Ergebnis trotzdem noch nicht optimal, wird schlicht der Datensatz korrigiert und neu gedruckt.

An der additiven Fertigung wird kein Weg vorbeigehen

„Produkte werden komplett digital entwickelt und produziert und die zugehörigen Baupläne können digital gehandelt werden“, beschreibt Prof. Dieter Kempf, ehemaliger Präsident des Branchenverbands Bitkom, den großen Technologiesprung. Besonders in der Medizintechnik geht an einer additiven Fertigung künftig kein Weg vorbei, denn gerade in dieser Branche geht es darum, Produkte individuell, schnell und besonders präzise zu fertigen.

Die Entwicklung verläuft seit einigen Jahren rasant: 3D-Drucker werden immer leistungsfähiger, die Qualität der Teile höher, die Herstellkosten niedriger. „Noch vor Kurzem konnten sich nur wenige, große Unternehmen die Geräte leisten“, sagt Dr. Stephan Weiß, Mitbegründer des Bayreuther Unternehmens Hypecask. Heute dagegen sind die Geräte auch für kleine Hersteller und Nutzer bezahlbar und einfach genug zu bedienen. Außerdem steigt die Zahl der geeigneten Werkstoffe und die Materialforschung liefert ständig Nachschub. Vor allem aber wirkt der schnelle Fortschritt bei Erfassung, Speicherung und Übermittlung digitaler Daten wie ein Schmiermittel: Modellierung und Simulation sind heute genauso Standard wie früher die Herstellung einer Gussform.

Besonders häufig werden für die Medizintechnik Kunststoffe gedruckt, denn sie sind flexibel, günstig, leicht schmelzbar und in ihren Eigenschaften ausgesprochen variabel. Hypecask entwickelte einen 3D-Drucker, der nach dem Fused-Deposition-Modeling-Verfahren Fuß- und Beinprothesen herstellt. Dabei wird ein Kunststoffdraht aus PET oder ABS geschmolzen und nach dem Modell des Stumpfes über eine Düse Schicht für Schicht appliziert. Das Besondere des Delta Towers ist ein deutlich höherer Bauraum, sodass sich ganze Beinlängen damit herstellen lassen. Problematisch bei manchen Kunststoffen ist allerdings, dass sie bei erhöhtenTemperaturen unter Belastung weich werden können. „Hier muss die Materialforschung noch Materialien finden, die sich auch bei wärmeren Temperaturen nicht verformen, gut druckbar und kostengünstig sind“, betont Weiß. Entwickelt wurden beispielsweise erste Polymere, denen winzige Fasern beigemischt sind, die sich beim Druckvorgang gezielt ausrichten und dem Bauteil höhere Festigkeit verleihen.

Besonders präzise arbeiten 3D-Drucker mithilfe der Stereolithografie. Dabei wird jede einzelne Schicht aus flüssigem Harz durch UV-Licht direkt im Drucker polymerisiert. Der Vorteil: Die geometrische Auflösung liegt im Mikrometerbereich, die Abmessungen des Objekts sind sehr präzise und die Oberflächengüte ist besonders gut. Über diese Methode lassen sich beispielsweise Hörgeräte und Dentalprothesen schnell und günstig produzieren.

Im Vergleich dazu sind die Erfahrungen mit gedruckten Medizinprodukten aus Metall noch eher dünn gesät. Denn ihre Herstellung ist schwieriger und das Produkt relativ teuer. Aber auch hier lockt vor allem die Aussicht auf maßgeschneiderte Produkte: Ein individuelles Knieimplantat beispielsweise, das nach den CT-Daten eines Patienten gefertigt wird, passt sich dem Gelenk besser an. Bei der OP muss weniger Masse vom natürlichen Knochen entfernt werden. Das erhöht die Chance, dass auch nach zehn bis 15 Jahren noch genug Knochenmasse vorhanden ist, um die Endoprothese zu erneuern – ein Problem, das sich bei Standardprodukten bisher nicht lösen lässt.

Besonders viel Aufmerksamkeit gilt derzeit 3D-Druckern, die resorbierbares Material oder sogar lebendes Gewebe verarbeiten können. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung beispielsweise hat Keramikwerkstoffe entwickelt, die knochen-
ähnliche Strukturen für resorbierbaren Knochenersatz liefern. Die einzelnen Pulverschichten werden dabei mit einem Bindematerial zusammengeklebt. Beim anschließenden Sintern wird der Klebstoff wieder ausgebrannt. Die Körngröße des auf Calciumphosphat basierten Pulvers ist so eingestellt, dass eine Schichtdicke von nur 100 µm möglich wird.

Die Gladbecker Hersteller Envision-TEC hat einen 3D-Bioplotter im Programm, der lebendes Gewerbe aus unterschiedlichen Biomaterialien aufbauen kann. Der Drucker verfügt in der neuesten Generation über eine CAD/CAM-Software mit intuitiver grafischer Benutzeroberfläche und hochauflösender Kamera. Die Gladbecker produzieren damit aus Keramik oder Thermoplasten resorbierbaren Ersatz für Knochen oder Knorpel. Verarbeitet werden können auch weiche Hydrogele aus Collagen oder Fibrin, in denen körpereigene Zellen suspendiert sind – „ein Ansatz zum Druck von Ersatzorganen für den menschlichen Körper“, betont Carlos Carvalho, verantwortlich für Prozess- und Materialentwicklung bei Envision-TEC. Diese Entwicklungen sind allerdings erst im Laborstadium oder im frühen Tierversuch.

Massive Umwälzungen in der Technik stehen nicht bevor

Der 3D-Druck kann Implantate hinsichtlich Materialqualität, Kosten und Funktionsumfang verbessern. Doch die Prognose, dass die Technik viele Bereiche der industriellen Fertigung innerhalb kurzer Zeit massiv umwälzen werde, hat sich nicht bewahrheitet. Manche Hersteller kämpfen mit starken Kursverlusten, melden Börsenbeobachter, und durch die wachsende Zahl an Anbietern und Geräten steige zudem der Margendruck. Noch schärfer urteilen Analysten der Gartner Inc, eines auf IT spezialisierten Marktforschungsunternehmens. „Bei der Prototypen-Entwicklung konnten sich 3D-Drucker bereits durchsetzen, weil sie eindeutig und innerhalb kurzer Zeit Kosten gegenüber herkömmlichen Verfahren einsparen.“ Ein darüber hinausgehender professioneller und serienmäßiger Einsatz in Medizin und Industrie aber ist laut Gartner noch ein ganzes Stück entfernt.

„Derzeit ist der Hype um den 3D-Druck in der Medizintechnik etwas abgeebbt, vieles steckt noch im Forschungsstadium und wächst erst an den Hochschulen heran“, melden auch die Veranstalter der Messe Compamed. Doch die Richtung ist vorgegeben – aufgrund der allgemeinen Digitalisierung von Herstellverfahren und der wachsenden Ansprüche an Flexibilität und Individualisierung medizinischer Produkte. Stephan Weiß sieht noch einen anderen Treiber. „Es ist auch eine Frage des Nachwuchses.“ Welche jungen Leute beherrschen heute noch klassisches Handwerk oder interessieren sich für alte Fertigungsverfahren? Der Umgang mit virtuellen Modellen und der feste Glaube an digitale Daten dagegen ist ihnen in die Wiege gelegt und wird zur Beschleunigung der Entwicklung beitragen.

* Christa Friedl ist freie Journalistin in Krefeld.

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