Bio-Medizintechnik

Lebensqualität für den Menschen

Die Life Sciences stehen im Dienste der menschlichen Gesundheit und Umwelt. Die Fraunhofer-Institute erforschen und entwickeln Medikamente und Therapien, Lebensmittel und biotechnische Substanzen sowie nachhaltige Wasserinfrastruktursysteme und -technologien.

Die Partner in der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung entwickeln neue Technologien und Anwendungen auf Basis der generativen Verfahren gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten aus dem Bereich der Life Sciences. Die Aktivitäten umfassen nicht nur die direkten Anwendungen der generativen Technologien, sondern auch Materialentwicklung, medizinische Zertifizierung als Lösungen für die Biotechnologie.

Dentaltechnik

Die Herstellung von Zahnersatz ist geprägt durch eine lange handwerkliche Tradition, die nach wie vor aus einer Vielzahl an zeit- und kostenintensiven Herstellungsprozessen besteht. Aus diesem Grund befindet sich der Markt der Dentalprothetik in Europa und besonders in Deutschland in einem starken Wandel. Die generativen Technologien bieten einen Ansatzpunkt zu einer vollständig digitalen Prozesskette für die dentalen Anwendungen.
 

Gerüste (SLM)

Nicht nur der »Druck«, sondern auch die generativen Prozesse in der Fertigung erfordern die Integration vor- und nachgelagerter Schritte: Automatisiertes Handling der Materialien und Bauteile, Reinigung sowie Qualitätskontrolle, beispielsweise durch Bildverarbeitungssysteme. Die Prozesssicherheit und -reproduzierbarkeit sind wichtige Kriterien bei der Entwicklung neuer Anwendungen.

Implantate

Beschichtung und aktive Werkstoffe

Die Institute der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung erforschen die Verbindung generativ gefertigter Implantate mit speziellen Beschichtungen für eine bessere Biokompatibilität. Verschiedene Schichtsysteme werden auf laserstrahlgeschmolzene Titanimplantate aufgebracht und in vitro hinsichtlich des Zellwachstums getestet. So lassen sich besonders geeignete Beschichtungssysteme für die laserstrahlgeschmolzenen Titanimplantate entwickeln.

Auch die Integration aktiver Werkstoffe wie Formgedächtnislegierungen in laserstrahlgeschmolzene Implantate ist ein Forschungsthema der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung. Die aktive Implantatverstellung in einer Vielzahl kraftschlüssiger Druckzonen optimiert dabei die Andruckkraft an das knöcherne Umfeld und verteilt die Last dynamisch. Der aktive Werkstoffverbund wirkt der Lockerung des Implantats im Laufe der Zeit aktiv entgegen und vermeidet so erneute Operationen.
 

Strukturen

Das generative Fertigungsverfahren des Laserstrahlschmelzens bietet eine Vielzahl an Lösungen für die Biomedizintechnik: Generativ gefertigte Produkte müssen keine Rücksicht auf geometrische und fertigungstechnische Grenzen der heutigen Serienfertigung nehmen und lassen sich in Form und Struktur perfekt an die Bedürfnisse des Patienten anpassen. Nicht nur künstlichen Gelenke wie Hüfte, Knie, Schulter oder Wirbelsäule, sondern auch individuelle Schädel- und andere Knochenplatten oder Kieferimplantate können auf diese Weise hergestellt werden.

Durch Laserstrahlschmelzen lassen sich medizinische Implantate, Instrumente und Geräte aus biokompatiblen Materialien wie Titan, Kobalt-Chrom oder Edelstahl individuell anfertigen, die sich sonst nur sehr aufwändig oder gar nicht durch andere Verfahren herstellen lassen. Die geometrischen Freiheiten des Laserstrahlschmelzens erlauben es, Implantate und Prothesen mit komplexesten inneren und äußeren Strukturen nach Maß herzustellen. Als Ausgangsbasis können beispielsweise Computertomographie-Daten dienen.
 

Zuverlässigkeit von Implantaten

An biomedizinische Werkstoffe und Implantate werden höchste Ansprüche in punkto Zuverlässigkeit und Einsatzverhalten gestellt. Lasttragende Implantate müssen beispielsweise eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit aufweisen, um ein Versagen im Patienten auszuschließen. Dazu dienen in der Regel geeignete mechanische Wechsellasttests, die die physiologischen Belastungen nachstellen. Im Falle individueller Implantate, die nur in geringen Stückzahlen gefertigt werden, muss neben experimentellen Tests über weitere Ansätze zur Qualitätssicherung nachgedacht werden. Die Simulation des Bauteilverhaltens unter Berücksichtigung des Einflusses der Fertigungsverfahren kann einen Beitrag zur Zuverlässigkeitbewertung liefern.

Prothetik

Eine Amputation ist immer mit einem tragischen Schicksal verbunden. Schwere Unfälle und lebensbedrohliche Krankheiten gehen jeder Amputation voraus. Jede Amputation ist mit einer langen Rehabilitationsphase verbunden.

Um einen Amputierten bestmöglich zu versorgen, ist in jedem Fall eine individuelle Lösung angezeigt. Die Integration hochtechnischer Komponenten wie computerchip-gesteuerter Kniegelenke und myoelektronischer Steuerungen ist jedoch nur ein Faktor für eine erfolgreiche Patientenversorgung. Für die Zufriedenheit der Patienten sind zumeist andere Eigenschaften ausschlaggebend: Die Prothese muss exakt an den Körper passen. Sie soll sehr leicht sein und gut aussehen. Gerade in diesen Punkten kann die generative Fertigung deutliche Vorteile erbringen.
 

Beinprothesen

Bei der Prothesenfertigung müssen die Form des Stumpfes, Gewicht, Größe und Mobilität des Patienten sowie der individuelle Laufstil beachtet werden. Dabei spielen die verbleibende Muskulatur und die anatomischen Gegebenheiten im Stumpf eine Rolle. Diese individuelle Anpassung wird heute fast ausschließlich durch den Einsatz von Modularprothesen erreicht. Dabei liegt der Fokus auf der Funktion der Prothese. Ein weiterer wichtiger Punkt gerät dabei oft in Vergessenheit: Das Aussehen heutiger Modularprothesen ist einem Gegenstand, der tagtäglich getragen werden muss, nicht angemessen – so auch die Meinung der Betroffenen. Eine passende, gut funktionierende und ästhetisch angemessene Beinprothesen herzustellen, erfordert viel Handarbeit, anatomisches Wissen und handwerkliches Geschick aber auch das passende Herstellungsverfahren.
 

Handorthesen

Im Gegensatz zu Prothesen, die Gliedmaßen ersetzen, unterstützen Orthesen eingeschränkt funktionstüchtige Körperteile. Die Gründe dafür sind ebenso vielfältig wie die individuell eingesetzten Lösungen: Fixationen, Korrekturen von Fehlstellungen, Lähmungen oder Muskeldystrophie - um nur einige zu nennen. Dabei stehen Funktionserhaltung sowie Tragekomfort an vorderster Stelle. Die generative Fertigung bietet dabei Möglichkeiten, die mit bisherigen Herstellungsverfahren nicht umzusetzen sind: Wasserbeständige Gipse, die Integration von Leichtbaustrukturen oder Strukturen, die eine Perspiration zulassen, sind dabei nur einige der Möglichkeiten für die Orthesen der Zukunft.