Fertigungstechnologien für die Medizintechnik

Für die Entwicklung neuer Produkte kommen in der Medizintechnik-Branche neben den klassischen Fertigungsverfahren immer wieder neue Technologien zum Einsatz. Das Fraunhofer IPT entwickelt dafür Fertigungstechnologien und Prozessketten wie beispielsweise die Herstellung chirurgischer Instrumente und Implantate.

Individuelle Implantatfertigung durch zerspanende Verfahren

Jeder Mensch ist individuell - dies trifft nicht nur auf den Charakter einer jeden Person zu, sondern auch auf die einzelnen Körperteile und Knochen. Um eine patientenindividuelle angepasste Behandlung bedarf es einer flexiblen und leistungsfähigen Technologie zur Herstellung individueller Implantate. Das Fraunhofer IPT unterstützt bei der Auslegung und Realisierung flexibler und leistungsfähiger Zerspanungsprozesse. So entwickeln wir gemeinsam mit unseren Kunden flexible Prozesstechnologieplattformen, mit denen individuelle Implantate wie Zahnaufbauten, Knochenplatten sowie Hüft- und Knieimplantate reproduzierbar und innerhalb kürzester Zeit gefertigt werden können. Die Anpassung der Prozesstechnologie an neue Werkstoffe wie Titanbasislegierungen oder Kobaltchrom-Stähle ist dabei ein wesentlicher Bestandteil.

3D-Scaffolds aus dem Bioprinter zur Unterstützung der Osseointegration von Implantaten

© Fraunhofer CMI

Neben mechanischen Signalen, welche durch technische Oberflächen vermittelt werden können, benötigt der Körper auch biologische Reize, die Regeneration und neues Zellwachstum in geeigneter Weise auslösen. Während die meisten Gewebearten im menschlichen Körper bei kleineren Wunden die Fähigkeit zur Selbstheilung besitzen, besteht ein dringender Bedarf nach neuen Materialien, welche größere Defekte beseitigen und sich als Implantate nahtlos in das bestehende Gewebe integrieren lassen. Unsere Partner am Fraunhofer CMI in Boston, USA, haben einen Bioprinter entwickelt, der biomimetische Hydrogele präzise in 3D-Architekturen abbilden kann, welche diese Anforderungen erfüllen. Der Bioprinter erlaubt es dem Anwender simultan mit bis zu fünf verschiedenen Materialien gleichzeitig zu drucken. Die Druckkanäle sowie deren Umgebung sind temperiert, was das Bioprinting von lebensfähigen Zellen innerhalb des hergestellten Trägermaterials ermöglicht. Dadurch ist ein genaues Drucken solcher Gewebe als Blutgefäßmodelle möglich, in denen menschliche Endothelzellen entlang der inneren Schicht eines mesenchymalen Zellzylinders aufgetragen werden. Als weitere Anwendung können spezielle Beschichtungen für Titanimplantate erzeugt werden, bei denen das vom Bioprinter gedruckte Gerüst knochenbildende Zellen (Osteoblasten) im Körper dazu stimuliert, Mineral abzuscheiden und dadurch potenziell neues Knochenwachstum zu fördern. Diese osseoinduktiven Gerüste können gedruckt und direkt auf die am Fraunhofer IPT hergestellten Titanarchitekturen übertragen werden. Zusammen bieten diese Technologien die Möglichkeit, den Zellen die molekularen und mechanischen Reize zu geben, die erforderlich sind, um eine enge adhäsive Verbindung zwischen Knochen und Implantat auszubilden.

Biokompatible Implantate und Prothesen

Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen finden wegen ihrer Artefaktfreiheit im MRT, Röntgentransparenz, Autoklavierbarkeit, Biokompatibilität und exzellenter mechanischer Eigenschaften Anwendung in verschiedensten Bereichen der Medizintechnik. Anwendungsbeispiele sind etwa Implantate, Operationsinstrumente oder Federelemente für Prothesen. Für den Einsatz in Medizinprodukten entwickeln wir sowohl faserverstärkte Verbundbauteile als auch Komponenten aus hybriden Materialverbünden. Unsere jahrelange Erfahrung in der Anwendung von Faserverbundbauteilen für die Medizintechnik versetzt uns in die Lage, Machbarkeitsuntersuchungen für neue Anwendungen durchzuführen und spezialisierten Anforderungen an innovative Medizinprodukte erfolgreich zu begegnen. Zu diesem Zweck entwickeln wir innovative Fertigungsprozesse zur Verarbeitung aller gängigen Faser- und Matrixmaterialien, unter anderem auch für Hochleistungspolymere wie PA und PEEK. Zu unseren Dienstleistungen zählt neben der Bauteilauslegung und -fertigung auch die Qualifizierung von Bauteilqualitäten durch verschiedenste Prüfverfahren.

Minimalinvasive MR-kompatible und individualisierte Instrumente

Die enormen Fortschritte bei bildgebenden Verfahren haben dazu beigetragen, dass die Anzahl minimalinvasiver medizinischer Eingriffe in den vergangenen Jahren stark angestiegen ist.  Die fortlaufende Miniaturisierung sowie Integration und Zusammenführung von Zusatzfunktionen in spezialisierten Instrumenten sind wichtige Entwicklungsfelder. Dennoch ist heute oft nur ein eng begrenztes Spektrum an Standard-Operationswerkzeugen verfügbar. Um den Erfolg von Operationen positiv zu beeinflussen, bietet es sich an, die Werkzeuge so weit wie möglich an die speziellen Anforderungen des Operateurs anzupassen. Mit neuen Fertigungsprozessketten trägt das Fraunhofer IPT dazu bei, die Lücke zwischen der effizienten Herstellung vollständig standardisierter und individuell hergestellter Medizinprodukte zu schließen. Dabei unterstützen wir bei der Konzeption, Auslegung, Fertigung, Prüfung und Zulassung neuer minimal-invasiver Medizinprodukte. Unsere Stärken liegen in der Miniaturisierung von Komponenten, vor allem aus Faserverbundkunststoffen, sowie in der Integration optischer Komponenten wie Sensortechnik und Laser-Systemen.

Oberflächenstrukturierung und -funktionalisierung

Oberflächeneigenschaften spielen in der Medizintechnik für eine Vielzahl von Anwendungen eine bedeutende Rolle: Durch gezielte Funktionalisierung kann beispielsweise das Wachstum von Keimen verhindert, das Einwachsen von Implantaten verbessert oder die Benetzbarkeit der Oberflächen verändert werden. Am Fraunhofer IPT besitzen wir eine tiefgehende Expertise in verschiedensten Oberflächenstrukturierungs- und Fertigungsverfahren für 2D- und 3D-Strukturen im Mikro- und Nanomterbereich:

Diamantzerspanung

Mikro- und Nanotopografie einer Oberfläche beeinflussen eine Vielzahl ihrer Eigenschaften, beispielsweise Rheologie (Fließverhalten), Tribologie (Reibung) oder Adhäsion (Haftung). Indem wir die Oberflächen mit Diamantwerkzeugen mit genau definierten Strukturen versehen, modifizieren wir beispielsweise das Fließverhalten eines mikrofluidischen Systems oder steigern die Effizienz bei der Zellkultivierung. Ebenso können zu Analysezwecken die optischen Eigenschaften eines Materials verändert werden, etwa mittels Lichtlenkung durch Mikroprismen. Werden Bauteile oder Formeinsätze mit diskreten Oberflächenstrukturen versehen, kann die Oberflächenrauheit (Ra), je nach Fertigungsverfahren, im niedrigen einstelligen Nanometerbereich liegen. Mit den Verfahren der Diamantzerspanung lassen sich beliebige Oberflächengeometrien, von planen Flächen bis zu stark gekrümmten, dreidimensionalen Oberflächen fertigen.

Laserstrahlstrukturieren

Am Fraunhofer IPT setzen wir auch das Laserstrahlstrukturieren als ein flexibles Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung ein: Mikro- und Nanostrukturen können gezielt in die Oberfläche eines nahezu unbegrenzten Werkstoffspektrums eingebracht werden und dabei beispielsweise Benetzungseigenschaften optimieren. Laterale Strukturgrößen ab 10 µm sind durch die direkte Laserstrukturierung zu erreichen. Durch selbstorganisierte Strukturierung sind selbst kleinere, periodische Strukturen bis zu 100 nm realisierbar. Mit einer vollständigen digitalen Prozesskette zum Laserstrukturieren und einer 5+4-achsigen Maschinenlösung können automatisiert komplex geformte Bauteile bearbeitet werden.

Zwei-Photonen-Polymerisation

Die Zwei-Photonen-Polymerisation ist ein generatives Verfahren, für die Herstellung dreidimensionaler Strukturen in Kunststoff mit einer Auflösung im Submikrometerbereich. Durch den hohen Freiheitsgrad sind dem Strukturdesign keine Grenzen gesetzt, so dass hochkomplexe, individuelle Geometrien geschaffen werden können, die mit spanenden und herkömmlichen lithographischen Verfahren undenkbar wären. Die Auflösung des Verfahrens liegt lateral bei 150 nm und axial bei 400 nm. Mit einer galvoscannerbasierten Technik können dabei Geschwindigkeiten von 10.000 µm/s und mehr erreicht werden.