Fraunhofer IPA

Generative Orthopädie

Durch moderne Verfahren kann die Arbeit von Orthopädietechnikern erleichtert und bessere, z. B. gewichtsreduzierte und funktionelle Produkte für die Patienten, entwickelt werden.

Einen zentralen Punkt bilden dabei die generativen Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing). Diese Schichtbauverfahren ermöglichen eine werkzeuglose Herstellung direkt aus CAD-Daten. Durch die geometrische Freiheit dieser Verfahren ergeben sich neue Möglichkeiten im Bereich der Bionik. Dabei können extrem leichte Strukturen der Natur oder bionische Optimierungsverfahren wie die Topologieoptimierung in Produkte wie Prothesen, Orthesen oder chirurgische Instrumente integriert werden. Durch diese Technologie lassen sich auch Funktionen wie Federelemente, Verschlüsse oder Aktoren, die bisher nicht oder nur mit viel Aufwand in die Produkte integriert wurden, umsetzen.

Die Kombination aus 3D-Scanner, CAD-Technologie und generativen Fertigungsverfahren bildet einen neuen, von der Natur inspirierten, digitalen Arbeitsprozess für neue, zukunftsweisende Produkte.

 

Fachlicher Ansprechpartner
Jérémy Lefint | Telefon +49 711 970-3713 | jeremy.lefint@ipa.fraunhofer.de

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Implantat ersetzt defekte Venenklappe

Schließen Herzklappen nicht richtig, werden sie ersetzt. Versagen hingegen Venenklappen, behandeln Ärzte dies bislang ausschließlich medikamentös. Künftig soll ein Implantat die Funktion des beschädigten Ventils übernehmen. Mit einem neuartigen Dosierwerkzeug lassen sich die Prothesen automatisiert fertigen.

Sie ist eines der häufigsten Krankheitsbilder – die chronisch venöse Insuffizienz (CVI).Fast zehn Millionen Bundesbürger leiden an einer behandlungsbedürftigen Venenschwäche, Frauen sind doppelt so oft betroffen wie Männer. Ursächlich für die Volkskrankheit ist eine eingeschränkte Funktionsfähigkeit der Beinvenenklappen. Schließt das Venenventil nicht mehr richtig, folgt das Blut der Schwerkraft und fließt – wenn das Herz nicht gerade pumpt – in die Beine, wo es sich staut. In der Folge kommt es zu Ödemen, bei besonderen Schweregraden treten offene Geschwüre auf. Meist wird die CVI mit Entzündungshemmern und Wassertabletten behandelt. Ein Venenklappenimplantat zur Therapie der Erkrankung gibt es weltweit bislang noch nicht. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart wollen diese Lücke schließen. In enger Zusammenarbeit mit vier Industriepartnern und dem Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik RWTH Aachen entwickelten sie in eine Produktionsanlage, mit der sich Venenklappenprothesen aus dem Kunststoff Polycarbonaturethan (PCU) automatisiert herstellen lassen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi förderte das Projekt.

Herzstück der Anlage ist ein 3D-Tröpfchendosierwerkzeug, mit dem die Forscher verschiedene Härtegrade eines Polymers, Shore-Härten, präzise auf Freiformflächen aufbringen und kombinieren können. »Die 3D-Tröpfchendosiertechnik ist ein schichtweise arbeitendes, generatives Verfahren, mit dem sich dreidimensionale

Geometrien aus einem Polymer herstellen lassen«, erläutert Dr. Oliver Schwarz, Gruppenleiter am IPA. Die Wissenschaftler verwenden PCU, da es sich durch eine hohe Belastbarkeit und Flexibilität auszeichnet. Zudem kann es gut mit umgebendem Gewebe vernäht werden. PCU-Gebilde sind in sehr dünnen Schichtdicken herstellbar – ideale Voraussetzung für die hauchzarten Venensegelklappen. »Mit PCU in Kombination mit unserer 3D-Tröpfchen-Dosierkinematik können wir fließende Materialübergänge aus sechs verschiedenen Elastizitäts- und Härtegraden erzielen – ganz ohne Sollbruchstellen, genauso wie es in der Natur bei hochbelasteten Strukturen angewandt wird. Per Spritzguss ist das nicht machbar«, sagt Schwarz.

© Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen Die fertig produzierte Venenklappe ist hochbelastbar.

Doch wie entsteht aus dem PCU die Venenklappenprothese? Zunächst werden die Polymere in einem Lösungsmittel aufgelöst und mithilfe des Dosierwerkzeugs tröpfchenweise bis auf 25 Mikrometer genau auf eine Venenklappenprothesenform abgesetzt. Pro Sekunde kann das System bis zu 100 Tröpfchen mit einem Volumen von 2 bis 60 Nanoliter abgeben. Eine 6-Achs-Kinematik positioniert den Piezodosierer präzise über der Form. Ist diese vollständig betropft, wird sie mit einem warmen Stickstoffvolumenstrom überströmt. Infolgedessen verdunstet das Lösungsmittel – zurück bleibt das Polymer. In einem erneuten Dosiervorgang wird eine weitere Schicht aufgetragen. Abschließend lässt sich die Polymerprothese von der Form abziehen. Den so gefertigten Klappenersatz können Ärzte per Katheter durch die Haut in die Beinvene implantieren.

Neben dem Dosierer besteht die Produktionsanlage aus zahlreichen Komponenten. Die Experten vom IPA zeichnen unter anderem für das Befüllungs- und Überwachungssystem, die Trocknungsanlage, die gesamte Reinraumbox und die Steuerung der 6-Achs-Kinematik verantwortlich. »Es ist uns gelungen, die bisher für Fräsmaschinen genutzte Beckhoff-Steuerung so umzuprogrammieren, dass wir damit generative Prozesse regeln können«, freut sich Schwarz. Mit ihrer Lösung sind der Forscher und sein Team künftig in der Lage, dünnwandige hochbelastete Implantate zu fertigen, also etwa auch Herzklappen oder Bandscheiben. Noch sind die Produkte nicht am Markt – es fehlt die Industrie, die in diese Technologie investiert.

Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.ipa.fraunhofer.de/de/Branchenloesungen/medizin–und-biotechnik/schwerpunkte/medizintechnik.html

Fachlicher Ansprechpartner
Dr. rer. nat. Oliver Schwarz | Telefon +49 711 970-3754 | oliver.schwarz@ipa.fraunhofer.de

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Bohren wie die Holzwespen

Um Löcher zu bohren, kennen Techniker bislang nur eine Methode: Sie lassen ein Werkzeug rasch rotieren, wie es jeder Heimwerker von seiner Bohrmaschine kennt. Doch es geht auch anders. Oliver Schwarz hat sich in der Natur umgeschaut, denn die Bionik ist sein Spezialgebiet. Er leitet beim Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA die Gruppe »Bionische Medizintechnik«. Bei den Hautflüglern ist er fündig geworden. Viele Arten von Holz- und Schlupfwespen bohren bis zu vier Zentimeter tiefe Löcher ins Holz, um ihre Eier abzulegen. Da ihnen Rotationen nicht möglich sind, raspeln sie die Hohlräume überaus trickreich aus dem Stamm. Wenn man ihren Legestachel genau unter die Lupe nimmt, erkennt man, dass er eigentlich aus drei separaten Raspeln besteht, die sich unabhängig voneinander bewegen können. Eine Art Leitschiene sorgt dafür, dass die Chitin-Teile beieinander bleiben. Beim Bohren bewegt sich das Raspel-Trio in einem ausgeklügelten Wechselspiel vor und zurück und frisst sich dabei ganz von selbst ins Holz. Techniker sprechen vom Pendelhubprinzip. Während sich der eine Teil bewegt, verklemmt sich der andere im Loch und sorgt so für den nötigen Halt. Auf diese Art muss das Tier den filigranen Stachel nicht andrücken, wie es etwa bei einer Bohrmaschine nötig ist.

© Fraunhofer IPA Bohren wie die Holzwespen – von den Holzwespen abgeschaut: Ein neuartiger Bohrer soll Chirurgen dabei helfen, Hüftprothesen einzusetzen.

Diese Bohrtechnik bietet gegenüber der herkömmlichen Methode erhebliche Vorteile. Vor allem ist sie nicht auf runde Löcher beschränkt. Da nichts rotiert, lassen sich Löcher mit beliebigem Querschnitt erzeugen. Man muss nur die Form der Raspeln entsprechend anpassen. Wählt man etwa ein Dreieck oder Rechteck, würde ein Dübel viel besser halten, weil er nicht durchdrehen kann. Man könnte sogar ganz auf Dübel verzichten und stattdessen den Bohrkopf im Loch stecken lassen und anschließend mit einem Stift oder einer Schraube spreizen. Und wenn man auch noch die Hohlräume im Legestachel nachahmt, die Holzwespen brauchen, um ihre Eier durchzuleiten, könnte man beim Bohren sogar Flüssigkeiten ins Loch drücken, etwa Öl oder – bei medizinischen Anwendungen – Medikamente. Und noch ein Vorteil: Weil ein Pendelhub-Bohrer kaum angedrückt werden muss, könnte man ihn selbst im Weltall oder unter Wasser nutzen, wo es schwierig ist, eine große Gegenkraft aufzubringen. Auch das Bohren über Kopf würde seine Schrecken verlieren. »Ich möchte, dass unser Bohrer irgendwann im Baumarkt zu haben ist«, sagt Schwarz deshalb. Für harten Stahl eignet er sich momentan zwar nicht, denn darin kann seine Spitze nicht eindringen. Und ohne Ansatz können die Raspeln erst gar nicht loslegen. Aber viele Spezialanwendungen sind denkbar, etwa das Bohren in Gasbeton oder in Hohlblocksteinen. Herkömmliche Bohrer haben Probleme, wenn sie auf Hohlräume stoßen, weil das ganze Gerät dann durch den großen Anpressdruck ruckartig nach vorne schnellt.

Vorerst hat Schwarz aber ein ganz anderes Einsatzgebiet gefunden, das zu seinem Fraunhofer-Arbeitsfeld passt. Er und sein Team möchten den Orthopäden das Implantieren von künstlichen Hüftgelenken erleichtern. Knochen eignen sich wegen ihrer porösen Struktur besonders gut für den Raspelbohrer. Jedes Jahr lassen sich allein in Deutschland etwa 200 000 Patienten ein neues Hüftgelenk einsetzen. Dazu wird im Oberschenkelknochen ein passgenaues Loch mit einem rechteckigen Querschnitt gebohrt. Bei dieser Knochenarbeit ist große Präzision nötig, denn die meisten Implantate müssen ohne Zement auskommen, damit sie länger halten. Hohlräume dürfen nicht entstehen. Trotz der hohen Anforderungen arbeiten die Chirurgen bisher weitgehend von Hand, wobei ihnen ein Satz Raspeln mit unterschiedlichen Querschnitten zur Verfügung steht – ein zeitraubendes und fehleranfälliges Vorgehen.

Das Team um den Bioniker Schwarz hat nun ein pneumatisch betriebenes Gerät nach dem Pendelhubprinzip entwickelt, das den Ärzten das Bohren erheblich erleichtern und die Präzision erhöhen würde. Die Stuttgarter haben sich dabei eng mit Fachmedizinern abgestimmt, um deren Bedürfnisse berücksichtigen zu können und das optimale Design zu finden. Der handliche Apparat trägt den Namen »Sirex®« nach dem Gattungsnamen der Holzwespen, ein Patent wurde erteilt. Ein erstes Funktionsmuster hat gezeigt, dass man mit der Technik problemlos in Knochen bohren kann, aber auch in Holz oder Gasbeton. Schwarz: »Das geht rein wie Butter.« Ein pneumatisch angetriebener und zwei weitere elektrische Bohrer sind aufgebaut worden um in verschiedene Materialien zu bohren. Noch fehlt ein Partner aus der Industrie, um den innovativen Knochenbohrer in seiner endgültigen Form bauen zu können.

Die Natur ist der beste Erfinder, schließlich hatte sie Jahrmillionen Zeit, um ihre Methoden zu optimieren. Um von ihr lernen zu können, meint IPA-Experte Schwarz, brauche man nicht nur offene Augen. »Man muss noch staunen können.« (Klaus Jacob) 

Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.ipa.fraunhofer.de/de/Branchenloesungen/medizin–und-biotechnik/schwerpunkte/medizintechnik.html

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Gefühlvoll zupacken

Bionik zum Anfassen: Bei der Entwicklung einer neuen, formadaptiven Pinzette stand die Natur Pate. Die Greifer passen sich sanft der Oberfläche an, verteilen den Druck gleichmäßig und sorgen dafür, dass Oberflächen nicht beschädigt werden. Ein ideales Werkzeug für die biologische Forschung und Chirurgie.

»Die klassische Pinzette übt den größten Druck immer an der Spitze aus. Das ist für Biologen und Mediziner oft ein Problem: Wenn sie mit empfindlichem Gewebe hantieren, kann der Zellverband durch den hohen Druck beschädigt werden«, erklärt Dr. Oliver Schwarz vom Fraunhofer IPA. Zusammen mit seinem Team hat der Biotechniker eine »formadaptive Pinzette« entwickelt, die den Druck reduziert.

Die Inspiration für das neue Werkzeug lieferten Fische, genaugenommen deren Schwanzflossen. Diese enthalten strahlenförmige Strukturen, die durch querverlaufendes, elastisches Bindegewebe verbunden sind. Der Aufbau sorgt dafür, dass sich die Strahlen dem Wasserdruck entgegenbiegen und den Vortrieb des Fisches beschleunigen.

Diesen Fin-Ray®-Effekt, der 1997 entdeckt wurde, nutzen die IPA-Forscher für die Entwicklung medizinischer Geräte. »Unsere bionische Pinzette besteht – wie der Fischschwanz – aus Längs- und Querverstrebungen, die elastisch miteinander verbunden und so angeordnet sind, dass sie auf Druck reagieren und diesem entgegenwirken«, sagt Schwarz.

Der Druck dafür muss nicht groß sein: Vorsichtig greift der Forscher mit seiner Pinzette nach einem Strohhalm, der auf dem Tisch liegt. Die beiden Greifarme, die eben noch kerzengerade waren, passen sich sofort der Oberfläche des Halmes an. »Dieses formadaptive Verhalten sorgt dafür, dass der Druck nicht mehr an einem Punkt konzentriert auftritt, sondern sich auf die gesamte Auflagefläche verteilt«, erläutert der Forscher, während er den Strohhalm mit der Pinzette vom Tisch aufhebt. Der Halm verbiegt sich dabei nur leicht zu einem Oval, wird aber nicht gequetscht.

Das Geheimnis steckt im Design. In monatelanger Tüftelarbeit haben die IPA-Forscher am Computer unterschiedliche Modelle entwickelt. »Unser Ziel war es, die Pinzette so zu gestalten, dass sie gut in der Hand liegt, die gewünschte Adaption an die Oberfläche garantiert und dass sie sich sowohl kostengünstig als auch nachhaltig produzieren lässt«, berichtet Schwarz.

Das erfolgversprechendste Modell – es besteht aus Polyamid, einem Kunststoff, der aus Rizinusöl gewonnen wird und medizintechnisch zugelassen ist – kann mit 3D-Drucktechnik oder im Spritzgussverfahren gefertigt werden. Die ersten Prototypen befinden sich in der Chirurgie bereits im Praxistest.

Die Medizin ist dabei nur eines von vielen Anwendungsfeldern: Die neuen formadaptiven Pinzetten lassen sich überall nutzen, wo kleine empfindliche Teile fixiert oder transportiert werden müssen: In der biologischen Forschung genauso wie in der Produktion elektronischer Bauelemente.

© Fraunhofer IPA, Rainer Bez – Funktionsmuster der formadaptiven Pinzette halten Strohhalme. Wie links im Bild zu sehen, kann mit der Spitze der Pinzette Kraft ausgeübt werden. Wie rechts im Bild zu sehen, können Objekte zwischen den Maulflächen der Pinzette gehalten werden, ohne größere Kräfte zu erfahren.

 

© Fraunhofer IPA, Rainer Bez – Halten eines Stück Strohhalms mit einer formadaptiven Pinzette (rechts) und mit einer herkömmlichen Pinzette aus Metall (links). Mit der Metallpinzette wurde nur so viel Kraft ausgeübt, wie zum sicheren Festhalten des Strohhalms benötigt wurde.

 

© Fraunhofer IPA, Rainer Bez – Halten eines flächigen Stück Schaumstoffs mit einer formadaptiven Pinzette.

 

© Fraunhofer IPA Der Fin-Ray®-Effekt. – Links: Ein unbelasteter Fin Ray® Rechts: Ein Fin Ray® auf dessen Seite gedrückt wird (grüner Pfeil).

Mehr Informationen finden Sie unter: https://www.ipa.fraunhofer.de/de/Branchenloesungen/medizin–und-biotechnik/schwerpunkte/medizintechnik.html

Fachlicher Ansprechpartner
Dr. rer. nat. Oliver Schwarz | Telefon +49 711 970-3754 | oliver.schwarz@ipa.fraunhofer.de

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