3D-Druck auf dem Weg in die Medizin

Addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren gehö­ren seit eini­ger Zeit fest ins Reper­toire der indus­tri­el­len Fer­ti­gung. In den Berei­chen Pro­to­typ­ing, Her­stel­lung indi­vi­du­el­ler Tei­le und kom­ple­xer Geo­me­trien oder für die For­schung und Ent­wick­lung gibt es zahl­rei­che Ver­fah­ren wie 3D-Druck­tech­no­lo­gien die die­se Abtei­lun­gen bereichern.

Auf­grund der viel­fäl­ti­gen Ver­fah­ren eröff­net sich dem Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring nun auch der Weg in die Medi­zin. Denk­bar sind hier, neben spe­zi­ell ange­pass­ten medi­zi­ni­schen Werk­zeu­gen, vor allem Pro­the­sen und Implan­ta­te. Einen pro­mi­nen­ten Platz nimmt dabei die Mund‑, Kie­fer- und Gesichts­chir­ur­gie ein. In den genann­ten Berei­chen spie­len indi­vi­du­el­le Implan­ta­te eine beson­de­re Rol­le. Im Bereich der den­ta­len Medi­zin bspw. kann so Zahn­ersatz für die Pati­en­ten maß­ge­schnei­dert ange­bo­ten wer­den. Ent­schei­dend dabei ist jedoch die Wahl des Mate­ri­als aus wel­chem die Implan­ta­te bestehen sol­len und damit auch das Ver­fah­ren zur Ver­ar­bei­tung dieses.

Eines der Mate­ria­li­en, wel­ches seit län­ge­rem für Implan­ta­te und im Bereich der Den­tal­tech­nik ver­wen­det wird, ist das Hoch­leis­tungs­po­ly­mer Poly­e­ther­e­ther­ke­ton (PEEK). Ein Poly­mer, wel­ches sich auf­grund sei­ner che­mi­schen Sta­bi­li­tät, Bio­kom­pa­ti­bi­li­tät und Tole­ranz gegen­über Gam­ma­strah­lung sowie her­vor­ra­gen­der Ver­schleiß­be­stän­dig­keit auf­grund sei­ner mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten, PEEK besitzt eine Reiß­fes­tig­keit von 98 MPa, als medi­zi­nisch ein­setz­ba­res Mate­ri­al qua­li­fi­ziert. Hin­zu kommt ein sehr nied­ri­ges spe­zi­fi­sches Gewicht von 1,30 g/cm³. Im zahn­me­di­zi­ni­schen Kon­text zeich­net sich das Mate­ri­al auch durch eine gerin­ge Plaque­an­la­ge­rung aus, eine wün­schens­wer­te Eigen­schaft bei Zahnersatz.

Ein 3D-Druck­ver­fah­ren, das den Anfor­de­run­gen bezüg­lich indi­vi­du­el­ler Tei­le ent­spricht, dabei äußerst mate­ri­al­spa­rend arbei­tet und das Hoch­leis­tungs­po­ly­mer PEEK ver­ar­bei­ten kann, wird durch das Fused Fila­ment Fab­ri­ca­ti­on (FFF) Ver­fah­ren rea­li­siert. Hier­bei wird das Mate­ri­al in Fila­ment­form, einer Art Kunst­stoff­strang, durch den Druck­kopf unter Ein­satz hoher Tem­pe­ra­tu­ren von bis zu 500 °C geschmol­zen und in ver­schie­de­nen Schich­ten zum gewünsch­ten Bau­teil auf­ge­tra­gen. Ent­schei­dend für die Bau­teil­qua­li­tät ist der kon­trol­lier­te Erstar­rungs­vor­gang des teil­kris­tal­li­nen Kunst­stof­fes. Ein Dru­cker, der die Vor­aus­set­zun­gen erfüllt, ist der Api­um P155 der Api­um Addi­ti­ve Tech­no­lo­gies GmbH. Bis­lang ist die­ser Dru­cker aus­schließ­lich für indus­tri­el­le Anwen­dun­gen konzipiert.

Koope­ra­tio­nen mit der Cha­ri­té Ber­lin und Evo­nik sol­len Medi­zin­ein­satz ermöglichen

Unter Lei­tung von Prof. (UH) Dr. W.-D. Mül­ler strebt die Api­um Addi­ti­ve Tech­no­lo­gies GmbH eine Koope­ra­ti­on mit dem Cen­ter for Den­tal and Cra­nio­facial Sci­en­ces der Cha­ri­té Ber­lin an. Ziel die­ser Koope­ra­ti­on ist es, eine Stu­die zur Ermitt­lung der Druck­leis­tung im Den­tal­be­reich von zuge­las­se­nen PEEK Com­pounds durch­zu­füh­ren. Im Mit­tel­punkt der Stu­die steht ein Api­um P155 3D-Dru­cker, basie­rend auf der FFF 3D-Druck­tech­no­lo­gie. Er dient der Her­stel­lung ver­schie­de­ner Struk­tu­ren, dabei ist die Zug­fes­tig­keit der Druck­pro­ben ein ent­schei­den­des Kri­te­ri­um, wel­che extru­dier­ten Pro­ben gegen­über­ge­stellt wer­den. Bei zufrie­den­stel­len­den Ergeb­nis­sen wer­den im nächs­ten Schritt Ein­zel­kro­nen­ge­rüs­te her­ge­stellt und einem Qua­li­täts­ver­gleich unter­zo­gen. Hier wird beson­ders auf die Dimen­si­ons­ge­nau­ig­keit und Pass­fä­hig­keit wert gelegt. Den Maß­stab set­zen CAD CAM gefräs­te Strukturen.

Das Cen­ter for Den­tal and Cra­nio­facial Sci­en­ces wird zu Beginn von den 3D-Druck Inge­nieu­ren der Api­um Addi­ti­ve Tech­no­lo­gies GmbH in die 3D-Druck­tech­no­lo­gie ein­ge­wie­sen und erhält Unter­stüt­zung bei den ers­ten Test­dru­cken. Durch die­se Stu­die soll der ers­te Schritt gemacht wer­den, einen 3D-Dru­cker für den medi­zi­ni­schen Ein­satz in der Den­tal­tech­nik zu ent­wi­ckeln. Ein Aus­tausch des Know-Hows bei­der Sei­ten sowie der abschlie­ßen­den Daten der Stu­die ist dabei ein essen­zi­el­ler Faktor.

Neben einer Koope­ra­ti­on zur Erfor­schung der Mög­lich­kei­ten, die ein auf der FFF-Tech­no­lo­gie basie­ren­der 3D-Dru­cker für medi­zi­ni­sche Zwe­cke bie­tet, steht für die Api­um Addi­ti­ve Tech­no­lo­gies GmbH auch die Ent­wick­lung neu­er Fila­men­te für den Ein­satz in der Medi­zin im Vor­der­grund. Hier­für plant Api­um eine Zusam­men­ar­beit mit der Evo­nik Indus­tries AG. Auf Grund­la­ge des von Evo­nik her­ge­stell­ten Hoch­leis­tungs­kunst­stoff VESTAKEEP PEEK — eines Bio­ma­te­ri­als für medi­zi­ni­sche Anwen­dun­gen — soll durch Tests her­aus­ge­fun­den wer­den, wie die­ses Mate­ri­al als Fila­ment in opti­ma­ler Wei­se mit der FFF-Tech­no­lo­gie ver­ar­bei­tet wer­den kann, um das End­pro­dukt, ein in der 3D-Druck-Tech­no­lo­gie her­ge­stell­tes Implan­tat, ein­zu­set­zen. Dabei wer­den die ver­schie­de­nen VESTAKEEP Klas­sen unter­sucht und gege­be­nen­falls modi­fi­ziert, um das gewünsch­te Resul­tat zu erreichen.

Mit Hil­fe bei­der Koope­ra­tio­nen plant die Api­um Addi­ti­ve Tech­no­lo­gies GmbH der Vor­rei­ter für den Ein­stieg in den medi­zi­ni­schen 3D-Druck zu wer­den und das Ver­ständ­nis sowie die Her­an­ge­hens­wei­se an pass­ge­naue Implan­ta­te mit die­ser inno­va­ti­ven Lösung grund­le­gend zu revolutionieren.