Medizinische Entwicklung  Was 3D-Druck in der Medizintechnik leisten kann – 5 einzigartige Entwicklungen

Medizinische Geräte werden kleiner, individueller und komplexer. Was kann Mikro 3D-Druck dazu beitragen, Produkte zu entwickeln, die Herstellung zu beschleunigen und die Kosten zu begrenzen? Erfolgreiche Anwendungsbeispiele zeigen, was mit der Präzisionsmikro-Stereolithografie (PµSL) von Boston Micro Fabrication (BMF) möglich ist.

Medizinische Geräte werden kleiner, teurer in der Montage und werden häufiger mit kollaborierender Robotik eingesetzt. Die Miniaturisierung, die Kosten für die Montage und die Komplexität der Konstruktion von Werkzeugen für Diagnose- und Operationsroboter sind Herausforderungen, denen sich Konstrukteure medizinischer Geräte heute stellen müssen. Bauteile, die im Kunststoff-Spritzgießen und der CNC-Bearbeitung hergestellt werden, verursachen hohe Werkzeugkosten und lange Vorlaufzeiten. Dies rechnet sich nur bei hohen Stückzahlen. Mikro-3D-Druck dagegen wird oft für Prototypen und kleine Mengen von Versuchsteilen verwendet. Inzwischen ist die Technologie so weit fortgeschritten, dass kleine Serien in hervorragender, zulassungsfähiger Qualität produziert werden können. Dies gilt besonders für eine neues Verfahren, die Projektionsmikro-Stereolithografie.

Karlsruher Institut für Technologie (KIT): Kohlenstoff-Strukturen zur Gewebezüchtung

Am Karlsruher Institut für Technologie in Karlsruhe wurden Kohlenstoffstrukturen 3D-gedruckt, um anpassbare Gerüste für die Züchtung von Gewebe zu schaffen. Dazu wird glasartiges Kohlenstoffmaterial benötigt, das durch 3D-Druck eines Vorläufers und anschließende Karbonisierung erzeugt wird. Der verwendete 2µm 3D-Drucker microArch® S130 von BMF war in der Lage, die Gerüste mit komplexeren inneren Strukturen und engen Toleranzen mit sehr hoher Auflösung zu drucken. Unter Verwendung des HTL-Harzes von BMF im microArch S130 karbonisierten die 3D-gedruckten Vorstufen anschließend nahtlos. Darüber hinaus verfügte der 3D-Drucker von BMF über ausreichend hohe Auflösung in einer für die 3D-Zellbesiedlung geeigneten Längenskala. „Kohlenstoff ist ein interessantes Material mit einzigartigen Eigenschaften, sagt Dr. Monsur Islam, Projektleiter im KIT.

New York University Abu Dhabi: Sehnen- und Bändergewebe aus biokompatiblen Materialien

Die Entwicklung von Sehnen- und Bändergeweben aus biokompatiblen Materialien stellt Forscher vor chemische, biologische und mechanische Herausforderungen. Nikos Karathanasopoulos und Oraib Al-Ketan von der New York University in Abu Dhabi suchen nach Metamaterialien zur Wiederherstellung von Gewebe und Bändern, die den mechanischen Eigenschaften des ursprünglichen Gewebes nahekommen. Mit dem microArch S240 von Boston Micro Fabrication konnten sie Metamaterial-Architekturen in Größen herstellen, die Merkmale in der Größenordnung von Zehntel-µm und Gesamtprobenlängen in der Größenordnung von einem Millimeter enthalten. Zu den gedruckten Teilen gehörten diagonale Streben mit Durchmessern in der Größenordnung von 50 µm. Dabei wurden Materialien gefunden, die bis zu 18-mal steifer sind, wenn sie normal belastet und nicht geschert werden, was weit über die Grenzen isotroper technischer Materialien hinausgeht.

ImcoMED: Hautkrebs-Behandlungsnadeln

IMcoMED entwickelt ein Gerät für die Behandlung von Hautkrebs, das Mikrofluidik und Mikronadeln kombiniert. Diese M-Duo Technologie des Unternehmens basiert auf zwei sehr kleinen Nadeln, die extrem nah beieinander arbeiten. Eine Nadel injiziert Trägerflüssigkeit, die andere saugt sie ab. Dabei werden der interzellulären Flüssigkeit in diesem Bereich alle löslichen Krebszellsignale und Mikrovesikel entzogen. Dier Herausforderung bestand darin, ein Teil mit hoher Genauigkeit und Präzision herzustellen, das die beiden Nadeln in einem präzisen Abstand hält.

Mit dem 3D-Drucker microArch S240 wurden die gewünschten Teile hergestellt. Das System druckt den Deckel mit zwei Röhren, welche die Nadeln in Position halten in 10 µm-Schichten. Die Kanäle von 100 µm weisen Abstände zwischen 20 und 40 µm auf. Noch befindet sich das Einweg-Gerät in der Entwicklungsphase – die Verwendung in der Serienproduktion ist geplant.

Buchmann-Institut an der Goethe- Universität Frankfurt: Hydrowells für Zellkulturen

Forscher des Buchmann-Instituts für Molekulare Biowissenschaften an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main benutzen den microArch® S140 von Boston Micro Fabrication, um miniaturisierte Gefäße, genannt Hydrowells, für die Kultivierung von zellulären Sphäroiden herzustellen. Die Arbeit war Teil des SHAPE-Experiments (Spheroid Aggregation and Viability in Space), das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt wird und an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt wird. Für das Mikrogravitationsexperiment SHAPE wurden speziell konstruierte Hydrowells aus Agarose, einem Polysaccharid mit trichterförmigem Eingang, zylindrischem Querschnitt und einem U-förmigen, konischen oder abgestumpften unteren Abschnitt benötigt.

„Die mit BMF-Druckern hergestellten Mikroformen haben eine hervorragende Auflösung und Oberflächenbeschaffenheit“, sagt Dr. Francesco Pampaloni, Teamleiter an der Goethe-Universität Frankfurt. „Das ermöglicht die Herstellung von qualitativ hochwertigen Hydrozellen, die zuverlässig Sphäroide mit einer gleichmäßigen Größe produzieren.“ Der verwendete microArch® S140 druckt mit einer optischen Auflösung von 10 µm und kann Teile mit einer Oberflächengüte von 0,4-0,9 µm Ra (oben) und 1,5-2,5 µm Ra (Seite) herstellen.

3D-Druck Medizintechnik: Utereoskop von RNDR Medical

RNDR Medical hat ein neuartiges Einweg-Ureteroskop für die Endourologie entwickelt. Es wird zur Visualisierung, Diagnose und Behandlung bei Erkrankungen der Harnwege, wie Nierensteinen und Urothelkarzinomen eingesetzt. Das Ureteroskop ist mit einer hochauflösenden Digitalkamera und Beleuchtung ausgestattet, die eine direkte Visualisierung der Anatomie ermöglichen.

Die Mikropräzisions-3D-Drucker der microArch-Serie von BMF ermöglichten eine schnelle, iterative Entwicklung der distalen Spitze in einer frühen Projektphase. Damit ließ sich der Entwicklungszeitplan erheblich verkürzen, die Kosten für die teuren Mikrobearbeitungen der Prototypen und das Mikrospritzgießen wurden eingespart. Die Geschwindigkeit und Flexibilität des BMF-Drucksystems war für das Entwicklungsteam von großem Vorteil, um mit minimalem Zeit- und Kostenaufwand ein optimales Design zu finden.

Außerdem hielt das BMF-Material dem Testprogramm des Bauteils so gut stand, dass die additive Fertigung auch für erste Produktionsmengen verwendet wird. Inzwischen stellt RNDR bis zu 500 Einheiten der Ureteroskop-Spitzen in einer einzigen Charge her.

BU: 3D-gedruckte Kohlenstoff Mikrogitter-Architektur bei 150-facher Vergrößerung Mit dem microArch S130 konnte Dr. Islam einen 1,3 x 1,3 x 1,3 mm großen Würfel mit 100 x 100 µm großen Tunneln im Abstand von 100 µm in 5µm-Schichten drucken. Das oben gezeigte Bild zeigt eine karbonisierte Probe mit einer Gitterstärke von 100 µm und einem Abstand zwischen benachbarten Gittern von 100 µm. Nach der Karbonisierung werden die Gerüste für die Zellkultivierung und die Gewebeentwicklung getestet. Nun werden die für diese Gerüste verwendeten Struktur-Designs weiter ausgebaut.

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