{{{sourceTextContent.title}}}

Wenn das Hüftgelenk aus dem Drucker kommt

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Es geht um Hightech-Zahnersatz, Prothesen, die selbstständig Entzündungsreaktionen im Körper erkennen, oder individuell angepasste Sitze für Rollstühle. Ein deutsch-polnisches Hochleistungszentrum der Fraunhofer-Gesellschaft erforscht neue Technologien für den Einsatz von 3D-Druckverfahren, der sogenannten additiven Fertigungstechnik, in der Medizintechnik.

{{{sourceTextContent.description}}}

Für die Fraunhofer-Gesellschaft ist es eines von zwei im März gestarteten internationalen High-Performance-Centern, die sich explizit der organisationsübergreifenden Zusammenarbeit widmen. Auf deutscher Seite sind das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden und das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz am Zentrum "Additive Technologien für Medizin und Gesundheit" (ATeM) beteiligt. Sie kooperieren mit der Fakultät für Maschinenbau und dem Center for Advanced Manufacturing Technologies (CAMT) der Wroclaw University of Science and Technology. Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt das Projekt finanziell.

Additive Technologien bieten vor allem für Hersteller im Bereich der Medizintechnik interessante Möglichkeiten. Der 3D-Druck ermöglicht individuelle, auf den Patienten zugeschnittene Lösungen sowie die Integration neuer, verbesserter Eigenschaften und Funktionalitäten in Bauteile. Dies ist in der Regel nicht nur kostengünstiger als herkömmliche Verfahren, sondern ermöglicht auch neuartige Therapien und Behandlungsansätze. Das 2021 gegründete ATeM-Hochleistungszentrum hat sich zum Ziel gesetzt, die additive Fertigung in den kommenden Jahren zu einem etablierten Standardwerkzeug in der Medizintechnik zu machen. Ende dieses Jahres wollen die Projektpartner ihre ersten Demonstratoren vorstellen.

In mehreren Einzelprojekten erforschen die Wissenschaftler derzeit neue Anwendungsbereiche. Ein Projekt befasst sich mit den Perspektiven des 3D-Drucks in der Zahnmedizin. "In der Verwendung innovativer Materialien und der Integration zusätzlicher Funktionalitäten in den Zahnersatz liegt ein großes Potenzial, um den Tragekomfort für den Patienten zu erhöhen", erklärt Prof. Dr. Frank Brückner, Technologiefeldleiter Additive Fertigung und Druck am Fraunhofer IWS. Die additive Fertigung könnte es ermöglichen, deutlich komplexere Implantate unmittelbar nach einem 3D-Scan der Mundhöhle zu drucken und damit Wartezeiten zu verkürzen. Additive Verfahren könnten auch eingesetzt werden, um beispielsweise Metall- und Kunststoffmaterialien für eine verbesserte Ästhetik zu kombinieren.

Ein weiteres Anwendungsszenario konzentriert sich auf funktionale Erweiterungen, wie die direkte Integration von Sensoren in medizinische Komponenten. So könnten empfindliche Sensoren in additiv gefertigten Knie- oder Hüftgelenken Entzündungsreaktionen nach Operationen erkennen, indem sie auf höhere Temperaturen oder veränderte Biomarker reagieren. In Zukunft sollen auch Lab-on-a-Chip-Systeme gedruckt werden, mit denen sich Organfunktionen und Prozesse im menschlichen Körper auf einem Chip abbilden lassen. So könnte es möglich werden, Arzneimittel ohne Tierversuche zu erforschen.

In zwei Projekten unter der Leitung des Fraunhofer IWU untersuchen die Wissenschaftler derzeit, wie sich faserverstärkte 3D-Strukturen drucken lassen. "Mit verstärkten Fasern, die wir direkt in die Kunststoffmatrix einbringen, können wir ein belastungsgerechtes und gleichzeitig sehr leichtes Produktdesign erreichen", erklärt Prof. Dr. Lothar Kroll, Wissenschaftlicher Leiter Leichtbau und Textiltechnik am Fraunhofer IWU. Damit könnten zum Beispiel Schädelimplantate aus dem biokompatiblen thermoplastischen Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) gedruckt werden. Auch an individuell angepassten Sitzen für Rollstühle und hochfesten Orthesen arbeiten die Forscher derzeit.

Ein Fraunhofer-Projektzentrum unter Leitung des Fraunhofer IWS und des CAMT der TU Wroclaw wurde 2008 eingerichtet. "Wir freuen uns, dass wir mit dem neuen High-Performance Center die Synergieeffekte dieser erfolgreichen Zusammenarbeit weiter ausbauen können", sagt Prof. Dr. Edward Chlebus, ehemaliger Dekan der Fakultät für Maschinenbau der TU Wroclaw. Das Modell der Hochleistungszentren, das in Deutschland bereits seit vielen Jahren von der Fraunhofer-Gesellschaft erprobt wird, hat einen starken Fokus auf Wissenstransfer und Industriekooperationen. Es gibt nun auch organisationsübergreifend wichtige Impulse zur Stärkung der europäischen Wirtschaft.

"Alle Partner sind Experten auf dem Gebiet der additiven Fertigung", betont Robin Willner, Wissenschaftler am Fraunhofer IWS und Büroleiter des deutsch-polnischen Hochleistungszentrums. Er fügt hinzu, dass die TU Wroclaw sehr eng mit der dortigen medizinischen Fakultät verbunden ist. "Gemeinsam erhalten wir nun einen hervorragenden Einblick, wo Bedarf besteht, wo noch keine Lösungen gefunden wurden und wo additive Technologien einen Mehrwert im Medizin- und Gesundheitsbereich schaffen könnten."

Bereits Ende des dritten Quartals 2021 wollen die Projektteilnehmer die ersten Demonstratoren für die einzelnen Projekte vorstellen. Diese schnelle Umsetzung ist möglich, weil die Partnerinstitutionen bereits in der Vergangenheit in Vorstudien wesentliche Grundlagen für die aktuelle Forschung geschaffen haben. Die Ideen für neue Medizinprodukte und Therapien sollen in naher Zukunft durch Industriekooperationen und mögliche Ausgründungen den Patienten zugute kommen.