3D-Druck in der Medizintechnik – Zukunftsträchtig und leistungsfähig

Interview mit Dr. Stephan Weiß, Mitbegründer von Hypecask

Der 3D-Druck bietet mittlerweile weitaus größere Anwendungspotenziale, als anfänglich angenommen. Die große Vision: Organe und Stammzellen drucken, um fehlende Transplantationsorgane zu ersetzen. Wie es scheint, ist es noch ein weiter Weg bis dahin, allerdings findet der 3D-Druck bereits in anderen medizintechnischen Gebieten seinen Einsatz. So zum Beispiel im Bereich der Herstellung von Fuß- und Beinprothesen, aber auch in der Zahntechnik.

01.08.2014

Foto: Dr. Stephan Weiß

Dr. Stephan Weiß; ©privat

Dr. Stephan Weiß ist Mitbegründer von Hypecask. Sein Unternehmen entwickelte in einer Kooperation den 3D-Drucker „Delta Tower“. COMPAMED.de sprach mit ihm über die Entwicklung des 3D-Drucks und die Potenziale, die das Druckverfahren für die Medizintechnik bietet.

Herr Dr. Weiß, erläutern Sie bitte kurz die Funktionsweise des Delta Towers.


Dr. Stephan Weiß: Der Drucker funktioniert nach dem bekannten Fused Deposition Modeling-Verfahren, kurz FDM. Das heißt, ein Kunststoffdraht wird von einer Fördereinheit zu einer Düse transportiert. Dort wird er erhitzt, geschmolzen und dann Schicht für Schicht aufgetragen. Somit wird das Objekt produziert.

Welche Vorteile sehen Sie im Vergleich zum standardmäßigen Gussverfahren von Beinprothesen?

Weiß: Zunächst wird das 3D-Modell über einen Scan des Stumpfes erfasst. Das geht wesentlich schneller als ein Gipsabdruck und ist außerdem präziser. Dadurch ist es für den Patienten angenehmer, da er die Muskeln nur für eine kurze Zeit anspannen muss. Ein weiterer Vorteil liegt in der schnellen und automatisierten Produktion. Sollte der erste Ausdruck nicht passen, dann lassen sich Fehler relativ schnell am 3D-Modell beheben. Die Geometrie ist natürlich auch ein Pluspunkt. Sie ermöglicht ebenso die Kontrolle über den Innenraum des Objektes. Bei der richtigen Materialwahl kann ein sehr leichter Schaft hergestellt werden, der trotzdem stabil ist. Zudem kommt hinzu, dass der Kunststoff verhältnismäßig günstig ist, wenn man ihn richtig bezieht.

Foto: Delta Tower

Der Delta Tower eignet sich für den 3D-Druck von Fuß- und Beinprothesen; ©Dr. Stephan Weiß/privat

Sie haben bereits mit dem Fraunhofer Institut kooperiert. Was war Gegenstand Ihrer Untersuchung?

Weiß: Das Projekt mit dem Fraunhofer IPA hat die Optimierung des Prothesendesigns und der verwendeten Materialien beim FDM-Druck zum Ziel. Die langfristige Vision ist unter anderem der Einsatz dieser Technologie in Entwicklungsländern. Dabei sollen schließlich Recyclingmaterialien zum Einsatz kommen, die so stabil gemacht werden, dass aus Kunststoffmüll hochfunktionelle Prothesen mit geringem Zeit- und Kostenaufwand hergestellt werden können.

Ist der Kunststoff, gerade bei Recyclingmaterialien, wirklich so stabil und belastbar, dass auch eine gewisse Langlebigkeit der Prothese garantiert werden kann?

Weiß: Das recycelte Material ist meiner Ansicht nach noch nicht so weit. Hier muss die Materialforschung noch einiges leisten, entweder im Rahmen der sauberen Trennung von Recyclingmaterialien oder der Entwicklung von Verträglichkeitsvermittlern für Gemische. Allerdings haben wir schon mit normalen PETG-Kunststoff Fußprothesen bauen können. PETG ist bereits recht stabil und lässt sich gut drucken. Diese Prothesen wurden bereits von Personen getragen und haben die Testzyklen erfolgreich durchlaufen. Allein die vom Fraunhofer IPA clever designte Form bringt in die Prothese schon so viel Stabilität und Flexibilität hinein, dass der 3D-Druck ganz einfach abbildbar wird, gerade weil die komplette Geometriefreiheit beim Bau vorhanden ist. Wir haben das Verfahren mit verschiedenen Materialien getestet. Der nächste Schritt wäre dann, das Ganze aus Nylon, einem noch leistungsfähigeren Kunststoff, zu testen.

Problematisch bei gängigen Kunststoffen ist, dass diese eine sehr niedrige Glasübergangstemperatur haben. Das heißt, dass es bei 60-80 Grad Celsius unter Belastung zu einer Erweichung kommen kann. In der Hinsicht muss die Materialforschung noch weiter forschen, um Materialien zu finden, die sich auch bei wärmeren Temperaturen nicht verformen, gut druckbar und kostengünstig sind. Das ist ein Ziel, gerade im Bereich Recyclingmaterial, das angestrebt wird und durchaus umsetzbar ist. Es kommen beispielsweise bereits Filamente zum Einsatz, die ähnlich wie Carbon faserverstärkt sind. Durch die gezielte Ausrichtung der Fasern beim Druckvorgang entlang des Verfahrweges könnte man durch intelligentes Design sicherlich noch mehr Verstärkung hineinbringen als auf konventionellem Weg.
 

Der Delta Tower eignet sich nicht für die Herstellung von Zahnimplantaten. Dafür nutzen sie den ASIGA Drucker, den Sie in Deutschland vermarkten. Was ist bei diesem Drucker anders?

Weiß: Der Unterschied zum Delta Tower ist, dass der ASIGA Drucker über Stereolithographie funktioniert. Das heißt, ein flüssiges Harz wird über Belichtung mit einem UV-Projektor verfestigt. Der Kunststoff wird lokal polymerisiert. Der Vorteil daran ist, dass man eine wesentlich höhere Auflösung hat. Man geht hier in die 10-20 Mikrometer, die man auflösen kann.

Inwieweit ähnelt das eingesetzte Harz der Struktur des Zahnschmelzes?

Weiß: Das was dabei herauskommt, ist von den mechanischen Eigenschaften her leider nicht so stabil wie Zahnschmelz. Man kann es in etwa mit einem gewöhnlichen Acrylharz vergleichen, das dann später zu einem Acrylkunststoff, wie beispielsweise Plexiglas, wird. Es ist zwar hart, aber nicht gleichartig mit Keramik, es eignet sich also mehr für Modelle, nicht für die Krone direkt. An dieser Stelle würde man einen Umweg gehen. Es gibt wachsähnliche Kunststoffe, die man drucken kann. Diese werden eingebettet, ausgebrannt und die Form, die hinterlassen wird, ausgefüllt mit Keramik oder mit Metall. So wird der ASIGA Drucker schon lange in der Juwelierindustrie – in der Goldschmiedeindustrie – eingesetzt und kann dementsprechend auch für den Druck von Kronen usw. genutzt werden.

Wie beurteilen Sie die Zukunftsperspektive des 3D-Drucks für die Medizintechnik insbesondere im Bereich Organe und Gewebe?

Weiß: Das 3D-Druckverfahren eignet sich besonders, weil damit auch komplexe Dinge gut erzeugt werden. Organe sind natürlich recht komplex, aber da würde ich mich noch nicht so weit vorwagen, eine Prognose zu stellen. Wir werden allerdings demnächst mit einem Projekt an die Öffentlichkeit gehen, bei dem wir auch Flüssigkeiten aller Viskositäten aus einer Dosiereinheit heraus präzise 3D-drucken können. Da wäre es beispielsweise möglich, Stammzellen oder Zellmasse in einem Hydrogel eingebettet zu dosieren und in Form eines Organs zu platzieren. Wir werden aber nur die Technologie dazu zur Verfügung stellen. Ich denke, dass es in der Hinsicht noch mehr Forschungsanliegen von vielen Parteien gibt. Insofern wird es sicherlich hochinteressant, gerade eben weil sich die Materialentwicklung rasant weiter bewegt und je mehr Materialien zur Verfügung stehen, umso mehr Einsatzmöglichkeiten wird es in Zukunft geben.

Foto: Melanie Günther; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Melanie Günther.
COMPAMED.de