Projektbeispiele aus dem Bereich Medizintechnik

Im Rahmen des Fraunhofer-Forschungsclusters »Programmierbare Materialien« wurde für die Soft-Robotik eine Strukturkomponente mit adaptiver Steifigkeit entwickelt. Neben einer großen Steifigkeitsveränderung zeichnet sich der Ansatz durch eine hohe Dynamik mit Schaltzeiten unter 0,2 Sekunden und ein gutes Skalierungspotential aus. Der Aufbau der Strukturkomponente ermöglicht die Entwicklung völlig neuer Bewegungskonzepte für die Robotik.

Es wurde der Prototyp eines 3D-gedruckten Notfall-Beatmungssystems auf Basis eines biokompatiblen und dampfsterilisierbaren Kunststoffs realisiert. Elektronik und Sensorik wurden integriert, damit die wichtigsten Parameter der maschinellen Beatmung eingestellt und überwacht werden können. Das System alarmiert die klinischen Anwender im Falle einer Unterbrechung. Mit einem Lungenphantom wurde das System unter realistischen Bedingungen erfolgreich mit Medizinern getestet.

Die moderne Implantologie stellt höchste Ansprüche an die Produktionstechnik. Prothesen weisen vielfach eine komplexe Geometrie auf, die in hoher Präzision und Oberflächenqualität in schwer zu bearbeitende Werkstoffe wie z. B. Titan prozesssicher und kostengünstig herzustellen ist. Am Fraunhofer IWU wurde im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundprojekts in Zusammenarbeit mit der TU Dresden und der NRU Präzisionstechnologie GmbH in Neukirchen ein neuartiges Prothesenkonzept für die Mittelohrchirurgie entwickelt.

Im Projekt wurde eine Biopsievorrichtung entwickelt, die individuell an den jeweiligen Patienten angepasst und durch 3D-Druck aus Kunststoff gefertigt werden kann. Der Zielpunkt für die Gewebeentnahme wird vor der Operation im MRT-Scan festgelegt. Auf dieser Grundlage wird anschließend die Vorrichtung konstruiert und aufgebaut. Das Einweginstrument ist im Vergleich zu herkömmlichen Systemen deutlich preiswerter, leichter und arbeitet wesentlich genauer.

Als Stereotaxie bezeichnet man ein neurochirurgisches Verfahren, bei dem ein vor der Operation geplanter Zielpunkt während der eigentlichen Operation mit einem chirurgischen Instrument oder Elektroden erreicht werden soll. Konventionelle stereotaktische Rahmen, die als Zielvorrichtung dienen, haben auf Grund ihres hohen Gewichtes von bis zu 2.000 g und einer Vielzahl einzelner Justierungsschritte erhebliche Nachteile im Komfort für Patienten und Chirurgen. Der stereotaktische Rahmen soll als patientenspezifische Halterung im 3D-Druck-Verfahren hergestellt werden. Dabei kommen leichte und hochbelastbare Kunststoffe mit medizinischer Eignung (Biokompatibilität) zum Einsatz.

Im Projekt »Kinetek-Implantate« haben unsere Wissenschaftler ein intraoperatives Herstellungsverfahren für einen defektspezifischen Gelenkoberflächenersatz untersucht. Damit soll die individuelle Anpassung der Implantate an die lokale Gelenkoberfläche verbessert werden. Durch die schnelle und kostengünstige intraoperative Implantatherstellung kann eine Zweit-OP vermieden werden. Die Herstellung der Implantate wird durch einen klinischen Partner evaluiert.

Im Projekt EFORMIN entwickeln die Wissenschaftler des Fraunhofer IWU ein funktionserweitertes Instrument für die minimalinvasive Chirurgie. Die Einsatzbereiche und die Bewegungsfreiheitsgrade des Arbeitsgerätes sollen erhöht und eine Kraftrückmeldung an den Chirurgen realisiert werden. Dazu wird ein innovatives Aktorkonzept umgesetzt, das direkt in den Instrumentenkopf integriert wird. Dies erlaubt einen modularen Ansatz, wodurch außerdem Kosten reduziert werden.

Ziel der Fraunhofer-Institute IWU und IPMS sowie der Universitätsklinik Rostock war die Entwicklung eines adaptiven Hüftschafts. Dieser soll ein frühzeitiges Feststellen des Lockerungszustandes ermöglichen und in der Lage sein, sich auch mehrere Jahre nach der OP erneut zu fixieren – ohne operativen Eingriff. Ergebnis der Forschungsarbeiten ist eine Komponente, bestehend aus einem FGL-Blech, das den Kontakt zum Knochen herstellt, und einer aktorischen FGL-Klammer, die das Blech vorspannt.

Damit in der Becken- und Wirbelsäulenchirurgie Kochenschrauben fest sitzen, werden sie häufig mit Zement umspritzt. Allerdings verändert das die Biomechanik und erhöht bei Osteoporose das Risiko für weiteren Knochenbruch. In einem Projekt wurden Konzepte entwickelt, mit denen Knochenschrauben mithilfe aktiver Elemente aus Formgedächtnismaterial zementfrei stabilisiert werden können. Schädigungsarme Implantatwechsel sind damit möglich.

Um das theranostische Hüftimplantat technisch zu realisieren, konzentriert sich das Fraunhofer IWU auf die Entwicklung neuer Fertigungsprozesse bzw. auf die Entwicklung hybrider Fertigungstechnologien. Das Ziel der Wissenschaftler ist es, Sensoren und Aktoren zu integrieren, ohne dabei die Komponenten zu beschädigen oder die mechanischen Eigenschaften der Implantate im Vergleich zu kommerziellen Systemen negativ zu beeinflussen.