Projektbeispiele aus dem Bereich Medizintechnik

Die Vielfalt der verfügbaren FGL-Halbzeuge erlaubt die Integration der aktiven und biokompatiblen Materialien in vorhandene Systemkomponenten wie Pedikelschrauben und Hüftendoprothesen, aber auch den Aufbau völlig neuartiger adaptiver Komponenten und Materialverbunde wie z. B. FGL-Textil-Strukturen. Mit der Integration der FGL-Drahtmaterialien in textile Basisstrukturen konnten gemeinsam mit dem Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e. V. adaptive FGL-Textil-Strukturen realisiert werden, die eine definierte Änderung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens bei Aktivierung ermöglichen. Ziel ist die situative Anpassung der Kompressionseigenschaften von medizinischen Bandagen- und Orthesensystemen.

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.

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Simulation von Objekteigenschaften und Prozessen hat sich auch für den Einsatz bei medizinischen Fragestellungen bewährt. Bisher bekannte Berechnungsmodelle stützen sich auf empirische Ansätze zur Berücksichtigung der Steifigkeitsverteilung im Knochen. Methoden zur Zuordnung der aus Computertomographie-Daten berechneten Materialparameter für die FEM-Modellierung werden gegenwärtig an der Universität Leipzig entwickelt. Für eine erste Verifizierung der abgeleiteten Parameter wurden im Messlabor des Fraunhofer IWU Untersuchungen am menschlichen Beckenknochen durchgeführt und dessen dynamische Eigenschaften mithilfe der experimentellen Modalanalyse ermittelt.

Der chirurgische Sauger auf FGL-Basis wurde zur Entfernung von Hirntumoren durch die Nase entwickelt. Der Sauger kann während der OP durch den Chirurgen individuell an die Patientenanatomie angepasst werden. Damit wird ermöglicht, den kurvenreichen Zugang durch die Nase bis zum Tumor ohne Verletzung von Nerven oder Blutgefäßen sicher zu passieren.

Nach dem Einsatz eines neuen Hüftgelenks kann es passieren, dass das Bein nicht mehr die ursprüngliche Länge hat. Mögliche Folge sind Probleme mit der Wirbelsäule. Mit einem neuen Verfahren lässt sich die Beinlänge künftig während der Operation genau justieren.

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.

Die Anpassung von Implantaten an patientenindividuelle Geometrien kann bspw. durch die manuelle Bearbeitung von Standardsystemen vor oder während der OP erfolgen. Dies ist ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Patientenspezifische Titanimplantate werden für die Behandlung von Knochenfrakturen verwendet, so z. B. in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie.

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.