Hightech-Konstruktionen für den menschlichen Körper -
neue Materialien und Fertigungsverfahren mit Einspareffekt
So etabliert wie die seit 1992 jährlich im November stattfindende international fü
hrende Fachmesse für die Zulieferer der Medizintechnik-Industrie, die COMPAMED in Düsseldorf, ist mitterlweile auch das COMPAMED Frühjahrsforum.
Es bietet stets gut ein halbes Jahr vor Messestart (COMPAMED 2013: 20. - 22. November) allen Experten für Produktentwicklung und Fertigungsverfahren aus dem Zuliefererbereich, aus der Medizintechnik-Industrie sowie der Forschung eine passende Gelegenheit, sich über aktuelle Trends zu informieren und in Diskussionen auszutauschen.
Beim vom IVAM - Fachverband für Mikrotechnik und der Messe Düsseldorf kooperativ ausgerichteten 7. COMPAMED Frühjahrsforum standen (am 25. April in Stuttgart) neueste Erkenntnisse im Bereich der Wiederherstellung, des Ersatzes und der Unterstützung von Körperteilen inklusive ihrer Funktionen im Mittelpunkt. Die inhaltliche Bandbreite gab bereits das Tagungsthema "Mikrosystemtechnik-Evolution: raffinierte Hightech-Konstruktionen für den menschlichen Körper - Exoskelette, Endoprothesen, Neuroprothesen und Bioimplantate" treffend wieder.
Mit einer hochaktuellen Thematik, den Möglichkeiten des 3D-Drucks im Medizintechnik-Bereich, setzen sich zum Beispiel Wissenschaftler der Universität Rostock auseinander. So wird am Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik (LFM) der dreidimensionale Druck von patientenspezifischen Implantaten erforscht. Hier könnte additives Manufacturing, also der Einsatz von 3D-Drucktechnologie, ein erhebliches Potenzial im Hinblick auf die Senkung der Fertigungskosten von Implantaten bieten. An der Universität Rostock wird das Verfahren zur Herstellung individueller, resorbierbarer Knochenersatzimplantate eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen pulverbasierten Prozess zur schichtweisen Herstellung von Modellen direkt aus Computerdaten. Dünne Schichten eines Pulvers werden auf eine Grundplatte aufgebracht, die durch gezielte Binderzugabe entsprechend des aktuellen Bauteilquerschnitts verfestigt werden. "Ausgangsmaterial ist ein Granulatgemisch auf Calciumphosphatbasis, das sich als anorganischer Bestandteil des Knochens hervorragend eignet, um Knochendefekte zu verschließen", erklärt Dipl.-Ing. Christian Polzin vom LFM. Das Granulatgemisch wird mit einer Dextrinlösung mittels eines Druckkopfs verklebt. Die 3D-gedruckten Modelle werden nach einer angemessenen Trocknungszeit im Pulverbett gesintert. Durch Auswahl der Materialien und Design der Knochenersatzimplantate kann das Einwachs- bzw. Abbauverhalten individuell angepasst werden.
Schrauben aus "künstlichem" Knochen
Apropos Calciumphosphat: Das Material eignet sich auch für bioresorbierbare Knochenschrauben und I
mplantate. Diese sollen herkömmliche Bauteile zur Knochenstabilisierung aus Metall ersetzen, die vor allem aus medizinischem Stahl oder Titan bestehen. Damit würden weitere operative Eingriffe zur Metallentfernung entfallen. An Alternativen arbeiten die DRK Kliniken Wesermünde mit dem Institut für Keramische Werkstoffe und Bauteile der Universität Bremen und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM). "Mit Hilfe des Spritzgussverfahrens unter besonderen Temperatur- und Druckbedingungen ist uns die Herstellung von biomechanisch belastbaren Formkörpern aus Calciumphosphat, in diesem Fall Hydroxylapatit, gelungen. Diese Formkörper konnten als Schrauben in experimentellen Ansätzen im Knochen implantiert werden", berichtete beim 7. COMPAMED Frühjahrsforum Prof. Ulrich Wagner, Orthopäde und Unfallchirurg an der DRK Seepark Klinik Debstedt. Die Belastbarkeit entspricht etwa 130 Newton pro Quadratmillimeter. Erste Zellkulturuntersuchungen mit humanen Osteoblasten (Zellen, die für die Knochenbildung verantwortlich sind) gehen von einer hohen Biokompatibilität in Knochenzellkulturen aus. Weitere Untersuchungen sollen mit Ausrissversuchen an Knie- und Schultergelenken von Menschen und Rindern die biomechanischen Eigenschaften klären.
Flexible Dünnfilmschaltungen für medizinische Anwendungen bietet die Reinhardt Microtech GmbH in Ulm an, die zur Schweizer Cicor Gruppe gehört. Die Unit in Ulm ist Hersteller von anspruchsvoller Mikroelektronik im Bereich der Schaltungsträger und hier speziell im Bereich der Dünnschichttechnologie, die dank der hohen Flexibilität und Langzeitstabilität große Vorteile aufweist. Als Material für die flexiblen Schaltungen werden verschiedene Kunststoffe wie Polyimide, aromatische Polyester, Polytetrafluorethylen und Polydimethylsiloxane verwendet, die dann mit verschiedenen Metallen wie Gold und Kupfer zum Aufbau der Schaltungen beschichtet werden. Die Anwendungsmöglichkeiten für derartige Implantate reichen von "intelligenten Kontaktlinsen", die frühzeitig Glaukome (Grüner Star) detektieren und behandeln oder den Augendruck messen können, über Apnoe-Implantate bis hin zu Blutzuckersensoren und optischen Herzkathetern. "Wir bieten die Infrastruktur, um kundenspezifische Produktlösungen auf höchstem Niveau zu realisieren", konstatierte beim COMPAMED Frühjahrsforum Dr. Alexander Kaiser von Reinhardt Microtech.
Neuroprothetisches Schnittstellensystem zwischen Gehirn und Rückenmark
Um Mikrosystemtechnik höchster Qualität geht es auch beim europäischen Projekt "NEUWalk", das vom Institut für Mikrotechnik Mainz koordiniert wird. Ein Konsortium von führenden europäischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen bündelt Expertise zur Realisierung einer neuen 
Generation neuroprothetischer Systeme. Mit deren Hilfe soll es zukünftig möglich werden, Bewegungsfunktionen nach schweren Rückenmarksverletzungen wieder herzustellen und die Symptome der Parkinsonerkrankung wirkungsvoll zu lindern. Das Projekt ist im Juni 2010 gestartet und wird mit fast neun Millionen Euro durch das 7. Rahmenprogramm für Forschung und Technologische Entwicklung der EU finanziert. "NEUWalk" wird dabei hochentwickelte Dekodierungsalgorithmen zur Anwendung bringen, um aus der Aufzeichnung von Hirnsignalen in Echtzeit Informationen über die Fortbewegungsabsicht zu extrahieren und in geeignete Protokolle zur Rückenmarksstimulation zu übersetzen, die die Bewegungsfunktionen auslösen. Die Realisierung dieser Neuroprothesen erfordert das Beschreiten neuer Lösungswege, die auf mikrotechnologischen und mikroelektronischen Spitzenverfahren beruhen. Hierzu gehören insbesondere flexible, implantierbare Multielektroden und mikroprozessorgesteuerte Neuroprothesen, die sowohl kabellose Energie- und Signalübertragung als auch hochentwickelte Möglichkeiten der Neurostimulation sowie neuronaler Aufzeichnung und Auswertung in sich vereinen. "Die potenzielle Bedeutung der in NEUWalk entwickelten Lösungen als auch der neurochirurgischen Behandlungsstrategien ist enorm", bekräftigt Dr. Peter Detemple, Leiter der Abteilung Mikrostrukturierung und Sensorik am IMM und Koordinator von NEUWalk.
Entwicklungen auf dem Gebiet der künstlichen Gewebe
Die Herstellung künstlichen Gewebes für Implantate steht seit langem im Mittelpunkt der medizinischen Forschung und ist deshalb auch immer wieder Thema bei der COMPAMED. Eine große Herausforderung ist dabei die Bereitstellung mehrlagiger Zellschichten, die über ein Versorgungssystem mit Nährstoffen versorgt werden können. Dieser Aufgabe widmet sich ein Konsortium von 16 europäischen Partnern aus Industrie und Forschung unter der Federführung des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Gefördert wird dieses Projekt mit der Bezeichnung "ArtiVasc 3D" von der EU mit 7,8 Millionen Euro ebenfalls im 7. Rahmenprogramm. Ein Team aus Ingenieuren, Naturwissenschaftlern und Medizinern hat es sich zum Ziel gesetzt, ein neues Verfahren zur Züchtung von künstlichem Ersatzgewebe zu entwickeln. Das Gewebe soll vaskularisiert sein, also ausgestattet mit einem Versorgungssystem ähnlich dem natürlichen Adernnetz. In den kommenden vier Jahren soll durch die Kombination verschiedener Technologien aus dem Bereich des Rapid Prototyping und der Biofunktionalisierung ein Prozess entwickelt werden, der den Aufbau vaskulärer Gefäße in Kombination mit einem Trägersystem ermöglicht. Diese Gefäße und das Trägersystem sollen mit körpereigenen Zellen besiedelt werden und so den Aufbau von Fettgewebe und schließlich künstlicher Haut ermöglichen. Zum einen soll diese künstliche Haut als In-Vitro-Testsystem dienen, um beispielsweise Tierversuche zu reduzieren, zum anderen soll sie direkt als Hautimplantat eingesetzt werden können.
Wie große Wirkstoffmoleküle in den Körper gelangen
Große Wirkstoffmoleküle wie Proteine, Hormone oder Antikörper sind nur schwer zu verabreichen, weil sie bei oraler Verabreichung vom Magen-Darm-System oder von der Leber abgebaut werden, bei der transdermalen Aufnahme aber zumeist die oberste Hautschicht nicht durchdringen. Das Schweizer Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) hat zusammen mit der Pantec Biosolutions AG (Liechtenstein) unter der Bezeichnung P.L.E.A.S.E (Painless Laser Epidermal System) eine neue Lösung für dieses Problem entwickelt, die unter anderem die In-Vitro-Fertilisation deutlich vereinfachen dürfte. Mit dem kompakten Gerät, das einen diodengepumpten Er:YAG-Laser enthält, ist erstmals eine schmerzfreie, äußerst präzise, intraepidermale Mikroporation der Haut möglich. Die anschließende Medikamentenabgabe durch die perforierte Haut erfolgt mit entsprechenden Pflastern. "Die Laserimpulse dauern nur 100 Mikrosekunden, unser Gerät wird in Zukunft viele Spritzen ersetzen können", prophezeit Dirk Fengels, der am CSEM die Gruppe Sensors & Systems leitet.
Die vorgenannten, beim 7. COMPAMED Frühjahrsforum behandelten Themen, vermitteln einen Eindruck von der Leistungsfähigkeit der Zulieferer der Medizintechnik-Industrie, die selbst in Bezug auf sehr komplexe Fragestellungen an passenden Lösungen arbeiten. Entsprechend breitgefächert wird sich auch das Angebot der fast 700 Aussteller bei der COMPAMED 2013 Mitte November in Düsseldorf präsentieren. Es reicht von neuen Materialien und Vorprodukten über Verpackungen und Dienstleistungen bis hin zur komplexen Auftragsfertigung sowie Mikrosystem- und Nanotechnologie. Dieser interessante Mix lockt bereits in den Vorjahren sukzessive mehr Besucher an. Von den insgesamt 130.600 Fachbesuchern der COMPAMED 2012 und der parallel durchgeführten, mit mehr als 4.500 Ausstellern weltgrößten Medizinmesse MEDICA 2012 interessierten sich gut 16.000 speziell für die Themen der COMPAMED.
COMPAMED 2013
20.11. bis 22.11.2013, Messegelände Düsseldorf
Halle 8a und 8b
Bilder: R. Eberhard, messekompakt.de, EBERHARD print & medien agentur
Quelle: Messe Düsseldorf
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