Additive Manufacturing

3D-Metalldruck für die Kardiologie

| Redakteur: Sandra Häuslein

3D-Metalldruck unterstützt Chirurgen bei der Durchführung von Herzoperationen, denn er eröffnet neue Fertigungsmethoden für medizinische Instrumente.
3D-Metalldruck unterstützt Chirurgen bei der Durchführung von Herzoperationen, denn er eröffnet neue Fertigungsmethoden für medizinische Instrumente. (Bild: © psdesign1/Fotolia.com)

Herz-OPs bergen Risiken für Patient und Chirurg. Medizinische Instrumente können diese Risiken minimieren – der 3D-Metalldruck zeigt dabei neue Fertigungsmethoden auf.

Operationsnähte werden heutzutage immer noch fast genauso gesetzt wie zur Zeit der alten Ägypter. Alex Berry, Gründer des britischen Unternehmens Sutrue, fand heraus, dass weltweit ca. 240.000 Mediziner pro Jahr Verletzungen durch Nadelstiche als direkte Folge dieser Art des Vernähens erleiden. Sogar erfahrene Chirurgen haben mit Rückschlägen und Ungenauigkeiten aufgrund der bisherigen Vernähtechniken zu kämpfen. Um diesen Trend umzukehren, hat Sutrue ein Instrument entwickelt, das jede beliebige gekrümmte Nadel mit einem Faden automatisch durch das Gewebe des Patienten führen kann. Die Anforderungen an das Instrument für den Wundverschluss waren, dass die Stiche schnell und präzise positioniert sowie reproduzierbar und mit der notwendigen Kraft ausgeführt werden können. Je besser und schneller eine Naht gezogen werden kann, desto kürzer ist die Operation auch für den Patienten. Zudem führt ein sauberer Stich zu einer schnelleren Genesung.

Präziser Wundverschluss

Das Instrument für den Wundverschluss ist das erste Beispiel, das zeigt, wie der 3D-Druck bei der Entwicklung medizinischer Instrumente helfen kann. Während einer Herz-OP wird das Instrument über ein herkömmliches Endoskop in der Größe eines Strohhalms eingeführt und an die gewünschte Position geschoben. Der Kopf kann gedreht und geschwenkt werden, um das gewünschte Gewebe zu finden. Die Nadel dreht sich während des Wundverschlusses sachte und dabei mit höchster Genauigkeit. Dies ist aufgrund eines komplexen Miniatur-Schaltmechanismus möglich, mit dem die Nadel angetrieben wird. Der gesamte Schaltmechanismus besteht aus einer Additive-Manufacturing-(AM-)Baugruppe. Die Naht wird schnell und sauber durchgezogen, und der Stich wird automatisch an der richtigen Stelle platziert. Mehrere kleine Stiche in Arterien oder an empfindlichen Stellen sind jetzt für den Operateur möglich.

Komponenten mit Lasercusing-Prozess herstellen

ES Technology, der Vertriebspartner von Concept Laser in Großbritannien, stellt die Teile für das Instrument zum Wundverschluss auf einer Mlab-cusing-Maschine mithilfe des Lasercusing-Prozesses her. Die Maschinenlösung ist besonders für die Herstellung filigraner Teile geeignet, bei denen eine hohe Oberflächenqualität gefordert wird. Das Besondere an der kompakten Maschine ist das benutzerfreundliche Schubladen-Auszugssystem, welches gleichzeitig sehr sicher ist. Dazu zählen sowohl die Baukammer mit Dosierkammer als auch der Vorratsbehälter. Materialien können so schnell gewechselt werden, ohne dass das Risiko einer Kontamination der Pulverwerkstoffe besteht. Zudem ist jetzt der „große Bruder“ erhältlich, die Mlab-cusing-200R-Maschine. Sie bietet eine Verdoppelung der Laserleistung von 100 W auf 200 W und erzielt damit eine bessere Produktivität. Zudem verfügt diese über einen größeren Bauraum, wodurch das Bauvolumen erhöht werden kann.

Eine Bauplatte für 600 Teile

Die Maschinentechnologie von Concept Laser ermöglicht es, die Zähne des Schaltmechanismus, die 0,4 mm lang sind, zu fertigen. Bis zu 600 Teile können auf einer Bauplatte gedruckt werden. Nachdem das Zahnsystem vom Pulverbett entfernt wurde, ist aufgrund der hohen Genauigkeit des Metallpulver-basierten Lasercusing-Prozesses keine Oberflächenbearbeitung nötig. Verwendet wird Edelstahl 316L.

Alex Berry erklärt: „Neben den geometrischen Einschränkungen haben herkömmlich gefräste oder gegossene Teile noch einige andere Nachteile. Es dauerte bislang eine geraume Zeit, bis der fertige Prototyp erstellt war. Außerdem sind die Kosten sehr hoch, entweder für die Werkzeuge oder beim Materialeinsatz. Beim 3D-Druck werden die Teile sehr schnell gefertigt. Die Kosten liegen bei einem Bruchteil der Aufwendungen für herkömmliche Prototypen. Die Potenziale hinsichtlich bionischem Design, Reproduzierbarkeit, Miniaturisierung und nicht zuletzt einer Reduzierung der Bauteile und des Montageaufwands sind ebenfalls äußerst hoch.“

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Stabilisierung des Herzmuskels

Auch beim zweiten Beispiel verhilft der 3D-Druck zu einer individuellen und schnellen Fertigungsmethode eines medizinischen Instruments – nämlich eines Herzstabilisators.

Allein in Großbritannien leben etwa eine halbe Millionen Menschen mit einem Herzfehler. Die Behandlung mit Medikamenten führt nur zu geringen Verbesserungen. Häufig ist daher eine Operation die einzige Möglichkeit, das Leben des Patienten zu retten. Während einer Herz-OP muss der Herzmuskel stabilisiert werden, damit ein sicherer Eingriff möglich ist. Richard Trimlett, Berater am Royal Brompton-Krankenhaus in Großbritannien, erklärt: „Wir führen eine Operation bei schlagendem Herzen durch. Das Herz befindet sich ‚in Bewegung‘, und dennoch müssen wir den kleinen Bereich, in dem wir arbeiten, möglichst ruhig halten. Wenn der Brustkorb geöffnet ist, können wir ein großes Sauggerät einführen, aber wenn wir Arthroskopien durchführen, benötigen wir sehr kleine Teile, die wir ein- und ausführen können. Was wir nicht wollen, sind Nachteile für den Patienten aufgrund einer schlechteren Stabilität des Herzens. Daher haben wir etwas gesucht, das aus Einzelteilen besteht, durch einen sehr kleinen Schnitt passt und das wir verwenden können, um das Herz stabil zu halten. Bestenfalls einen Einwegartikel, den man an unterschiedliche Formen und Größen anpassen kann.“

Biokompatibler Prototyp

Für Richard Trimlett war klar, dass der Herzstabilisator klein und zerlegbar sein sollte. Zudem sollte das Instrument vormontiert mit freiliegenden Kanälen entwickelt werden. Alex Berry stellte sich der Herausforderung und präsentierte einen biokompatiblen Prototypen des Herzstabilisators: Ein Teil des Prototypen war aus Kunststoff (SLS) und ein Teil aus Metall (Lasercusing). Die Komponente besteht aus einem Stab, in den der U-förmige Herzstabilisator wie ein Stempel eingesetzt wird. Der Chirurg drückt den Stabilisator auf die OP-Stelle, die stillgehalten werden soll, um den Eingriff vorzunehmen.

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Der Herzstabilisator wurde in drei Monaten entwickelt. Die metallische Komponente wird von ES Technology auf einer Mlab cusing von Concept Laser innerhalb von drei bis vier Stunden ausgedruckt. Sie besteht aus einem metallischen Grundkörper und mehreren Kunststoff-Saugpunkten, die mithilfe eines Vakuums angesaugt werden können. Beide Teile werden in Sandwich-Technik zusammengefügt.

Schlagwort: künstliches Herz

Das Sutrue-Team beschäftigt sich seit über 10 Jahren mit der Entwicklung von medizinischen Operationsgeräten. Eine genaue Analyse der OP-Methode ist unerlässlich, damit geeignete medizinische Instrumente entwickelt werden können. Um dies zu erreichen, arbeiten Chirurgen eng mit medizinischen Beratungsexperten wie Richard Trimlett zusammen. Trimlett und Berry sehen für die Zukunft noch eine große Herausforderung. Das Schlagwort lautet „künstliches Herz“, also mechanische Pumpen, die die Funktion des Herzens übernehmen. Die bisherigen Modelle haben ihre Schwächen. AM könnte in diesem Bereich zu einer neuen Denkweise führen. Die Pumpe könnte kleiner gestaltet werden. Laut Richard Trimlett ist das wirklich Faszinierende die Möglichkeit, elektromagnetische Funktionen für den Antrieb der Pumpe zu integrieren. Dies sind nur einige Überlegungen bei der Neuentwicklung von mechanischen Herzpumpen. AM scheint die Experten im Bereich der Kardiologie zu inspirieren. (sh)

Das war der 2. Anwendertreff Leichtbau in Würzburg:

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