Prototyping-Verfahren für die Medizin optimiert
Knochenmodell hilft Chirurgen bei der Operation

Eine Technologie aus dem Maschinenbau hilft Ärzten bei der Vorbereitung schwieriger Eingriffe: Mit Rapid Prototyping können Modelle von Knochen, Muskeln und Hautflächen hergestellt werden.

TÜBINGEN. Rapid Prototyping wird heute vor allem im Automobil- und Maschinenbau eingesetzt, um kostengünstig Probeexemplare und Vorläuferversionen neuer Produkte herzustellen. Das Bonner Forschungszentrum Cäsar hat jetzt Verfahren entwickelt, mit denen Rapid-Prototyping-Modelle von Knochen und Weichgeweben genutzt werden können, um Operationen vorzubereiten und Implantate zu erstellen.

"Diese Technologie wird einbezogen, um den Ärzten bessere Hilfsmittel als zweidimensionale Computerbilder für die Vorbereitung schwieriger chirurgischer Eingriffe zur Verfügung zu stellen", sagt Rudolf Meyer von der Fraunhofer-Allianz Rapid Prototyping. Ein Verfahren, um solche Modelle zu erstellen, ist die Stereolithographie.

Die Daten für die Modelle kommen dabei aus Computertomographen und Kernspin-Tomographen. Sie werden aufbereitet und in das Stereolithographiegerät eingespeist, das die Daten benutzt, um einen Laserstrahl zu dirigieren. Der wird auf lichtempfindliche flüssige Kunststoffe gerichtet. Wenn Laserlicht auftrifft, härten diese Materialien aus. Es entstehen Modelle aus Harzen.

Das Besondere am Verfahren der Bonner Forscher ist, dass sich nicht nur Knochen, sondern auch Weichgewebe wie Muskeln oder Haut darstellen lassen. Dazu werden verschiedene Strukturen unterschiedlich erfasst und farbig markiert. "Im menschlichen Gehirn lässt sich dabei beispielsweise ein Tumor anders darstellen als der angrenzende Knochen", erläutert Herrmann Seitz, der zuständige Arbeitsgruppenleiter bei Cäsar.

Prof. Hans-Florian Zeilhofer, Kiefer- und Gesichtschirurg am Kantonsspital in Basel, arbeitet bereits mit Modellen, die mit stereolithographischen Verfahren hergestellt worden sind. Er hat bislang fast 400 Operationen mit solchen Modellen durchgeführt: "Ich nehme beispielsweise während der Operation das stereolithographische Modell, modelliere das entsprechende Implantat und gebe über das Modell eine resorbierbare Folie, die anschließend eingesetzt wird," sagt Zeilhofer. Das Modell entsteht also erst im Verlaufe der Operation.

Mit dem Bonner Verfahren können Weichgewebe nicht nur grafisch markiert, sondern künftig auch mit anderen Materialien dargestellt werden, deren biomechanische Eigenschaften den Strukturen entsprechen. Die so dargestellten Muskeln und Hautflächen sind also weich, die Knochen-Modelle dagegen hart. "Damit können wir neue Operationsverfahren entwickeln und schwierige Operationen vorher ausprobieren", sagt Zeilhofer.

Für ihn sei der nächste Schritt dann das so genannte Tissue Engineering - in diesem Fall der körperverträgliche Nachbau von Knochen. "Wir könnten über 3-D-Verfahren Knochenimplantate berechnen und damit ein Grundgerüst herstellen, das wir an der Oberfläche mit körpereigenem Knorpel besiedeln. Das Gerüst besteht dabei aus Material, dessen Struktur dem Knochen entspricht. Das würde dann absorbiert und durch körpereigene Zellen ersetzt werden."

Auch für den Fraunhofer-Experten Meyer ist das ein wichtiger Trend, der allerdings noch Forschung bei den geeigneten Materialien voraussetzt: Verträgliche Werkstoffe müssen erst entwickelt oder verbessert werden. Dazu gehört auch die Verbesserung der natürlichen Wachstumsprozesse beim Einsatz von Implantaten. Dabei gibt es unterschiedliche Prinzipien, erklärt Meyer: "Es kann darum gehen, dass mit Hilfe von Rapid-Prototyping-Techniken erzeugte Strukturen mit natürlichem Gewebe verwachsen oder dass sie sich allmählich ohne negative Auswirkungen auf den menschlichen Organismus in Nichts auflösen."

Denkbar sei auch, so ergänzt Seitz, "dreidimensionale Druckverfahren, um Knochenersatz herzustellen". Dieser Bereich stecke aber noch in den Kinderschuhen, dämpft er die Erwartungen. "In den nächsten Jahren wird es aber erste Schritte geben." Die amerikanische Z Corporation entwickelt bereits entsprechende Maschinen.

Der nächste Schritt in der Verbesserung seines eigenen Produkts ist für Seitz die Verfeinerung der Verfahren. Von der bloßen Segmentierung in Knochen und Weichgewebe, die mit einem Prototypen heute möglich ist, will er "zur realistischen Darstellung einer kompletten anatomischen Struktur" kommen. Dieser Bereich sei eine besondere Chance für die deutsche Medizintechnik: "Während im Bereich Tissue Engineering die USA klar führend sind, ist unsere Position im Rapid Prototyping besser."

Quelle: Handelsblatt

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