Das internationale Leistungszentrum „ATeM“ der Fraunhofer-Gesellschaft bringt die additive Fertigung in die Medizintechnik.
Das internationale Leistungszentrum „ATeM“ der Fraunhofer-Gesellschaft bringt die additive Fertigung in die Medizintechnik. (Foto: Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS)

Intelligente Hüftgelenke und mehr aus dem Drucker

28.06.2021

Es geht um Hightech-Zahnersatz, um Prothesen, die Entzündungsreaktionen im Körper eigenständig erkennen oder individuell angepasste Sitze für Rollstühle. Ein deutsch-polnisches Leistungszentrum der Fraunhofer-Gesellschaft erforscht neue Technologien für den Einsatz von 3D-Druckverfahren in der Medizintechnik. Für die Fraunhofer-Gesellschaft ist es eines von zwei im März gestarteten internationalen Leistungszentren, die sich explizit der grenzübergreifenden Zusammenarbeit widmen. Beteiligt am Zentrum „Additive Technologien für Medizin und Gesundheit“ (ATeM) sind auf deutscher Seite das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden sowie das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. Sie kooperieren mit der Fakultät Maschinenbau und dem Center for Advanced Manufacturing Technologies (CAMT) der Technischen Universität Breslau. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt das Projekt finanziell.

Additive Technologien bergen gerade für Hersteller in der Medizintechnik interessante Möglichkeiten. Der 3D-Druck erlaubt individuelle und auf den Patienten zugeschnittene Lösungen sowie die Integration neuer, verbesserter Eigenschaften und Funktionen in Bauteile. Dies ist meist nicht nur deutlich kostengünstiger als herkömmliche Verfahren, sondern erlaubt auch, neuartige Therapien und Behandlungsansätze bereitzustellen. Das 2021 gegründete Leistungszentrum ATeM möchte die additive Fertigung in den kommenden Jahren zum etablierten Standardwerkzeug in der Medizintechnik machen. Ende des Jahres wollen die Projektpartner bereits erste Demonstratoren vorstellen.

Schneller zum komfortableren Zahnersatz

In verschiedenen Einzelprojekten loten die Partner dafür neue Anwendungsfelder aus. Eines der Projekte beschäftigt sich mit den Chancen des 3D-Drucks in der Zahnmedizin. „Großes Potential liegt in der Nutzung innovativer Werkstoffe und der Integration zusätzlicher Funktionalitäten in den Zahnersatz, die den Tragekomfort für den Patienten erhöhen“, erklärt dazu Prof. Dr. Frank Brückner, Technologiefeldleiter Generieren und Drucken am Fraunhofer IWS. Die additive Fertigung könnte es gestatten, deutlich komplexere Implantate nach einem 3D-Scan des Mundraums sofort zu drucken und damit Wartezeiten zu verkürzen. Über additive Verfahren ließen sich beispielsweise auch Metall- und Kunststoffmaterialien für eine verbesserte Ästhetik miteinander kombinieren.

Zahnprothesen wie diese entstehen aktuell in aufwendiger Handarbeit. „ATeM“ will die Herstellung komfortablerer Prothesen schneller, kostensparender und ressourcenschonender gestalten.
Zahnprothesen wie diese entstehen aktuell in aufwendiger Handarbeit. „ATeM“ will die Herstellung komfortablerer Prothesen schneller, kostensparender und ressourcenschonender gestalten. (Foto: Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS)

Sensorik und Fasern eröffnen neue Möglichkeiten

Ein weiteres Anwendungsszenario betrifft Funktionserweiterungen, wie etwa die direkte Integration von Sensoren in medizinische Komponenten. Empfindliche Sensoren in additiv hergestellten Knie- oder Hüftgelenken könnten Entzündungsreaktionen nach der Operation feststellen, indem sie auf höhere Temperaturen oder veränderte Biomarker reagieren. Ebenfalls gedruckt werden sollen in Zukunft Lab-on-a-Chip-Systeme, mit denen sich Organfunktionen und Abläufe im menschlichen Körper auf einem Chip darstellen lassen. Das kann beispielsweise beim Testen von Medikamenten zum Einsatz kommen.

Wie sich faserverstärkte 3D-Strukturen drucken lassen, erforschen derzeit Wissenschaftler in zwei Projekten unter der Leitung des Fraunhofer IWU. „Ein belastungsgerechtes Design eines Produkts, das dazu noch sehr leicht ist, erreichen wir mit dem Einsatz von Verstärkungsfasern, die wir direkt in die Kunststoffmatrix einbringen“, erklärt Prof. Dr. Lothar Kroll, Wissenschaftlicher Direktor Leichtbau- und Textiltechnologien am Fraunhofer IWU. Damit ließen sich beispielsweise Schädelimplantate aus dem biokompatiblen thermoplastischen Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) drucken. Auch an individuell angepassten Sitzen für Rollstühle sowie hochfesten Orthesen arbeiten die Forschenden momentan.

Lab-on-Chip-Systeme sollen perspektivisch Tierversuche substituieren und einen patientenspezifischen Medikamenteneinsatz ermöglichen. „ATeM“ nimmt die Produktion dieser Systeme in den Blick, um filigrane Halbleitersysteme direkt, biokompatibel und fluidisch dicht in diese Systeme zu integrieren.
Lab-on-Chip-Systeme sollen perspektivisch Tierversuche substituieren und einen patientenspezifischen Medikamenteneinsatz ermöglichen. „ATeM“ nimmt die Produktion dieser Systeme in den Blick, um filigrane Halbleitersysteme direkt, biokompatibel und fluidisch dicht in diese Systeme zu integrieren. (Foto: Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS)
Piezosensoren sollen in Schuheinlagen eingedruckt dabei helfen, die Gewichtsverteilung zu analysieren. Das kann dabei helfen, Haltungsschäden vorzubeugen.
Piezosensoren sollen in Schuheinlagen eingedruckt dabei helfen, die Gewichtsverteilung zu analysieren. Das kann dabei helfen, Haltungsschäden vorzubeugen. (Foto: Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS)

Patienten profitieren schon bald von den Ergebnissen

Bereits Ende des dritten Quartals 2021 wollen die Beteiligten erste Demonstratoren zu den verschiedenen Projekten präsentieren. Das ist zügig möglich, weil die Partnereinrichtungen wichtige Grundlagen für die aktuelle Forschung in der Vergangenheit bereits in verschiedenen Vorstudien realisierten. Über Industriekooperationen oder mögliche Ausgründungen sollen die Ideen für neue Medizinprodukte und Therapien bereits in naher Zukunft den Patienten zugutekommen.