Menschliche Ersatzteile aus dem Drucker

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Implantate, Prothesen und medizinische Werkzeuge brauchen Maschinen, auf denen sie hergestellt werden. Der Bedarf steigt und so versuchen immer mehr Maschinenbauer im Wachstumsbereich Medizintechnik Fuß zu fassen.

Ersatzzähne, die genau so aussehen wie das Original. Knochenschrauben, die gebrochene Knochen stabilisieren, aber nicht mehr herausoperiert werden müssen, weil sie sich im selben Tempo biologisch abbauen wie der Kochen heilt. Was den Menschen Erleichterung bringt, ist für Unternehmen ein Riesengeschäft. In der Gesundheitsbranche wurden im vergangenen Jahr fast 370 Milliarden Euro umgesetzt, das entspricht zwölf Prozent der deutschen Bruttowertschöpfung. Und die Branche ist in den letzten zehn Jahren mit über vier Prozent pro Jahr stärker gewachsen als die gesamte deutsche Volkswirtschaft, so der Bundesverband Medizintechnologie (BVMed).

Ein Teil der Gesundheitsbranche ist die Medizintechnik. Sie ist relativ unabhängig von der Konjunktur, weil es immer kaputte Gelenke, Hüften und Zähne geben wird. Außerdem wird der demografische Wandel für weitere Umsätze sorgen. Wir werden immer mehr Menschen auf der Welt, was auch immer mehr potentielle Patienten bedeutet. Mehr Patienten bringt auch die demografische Entwicklung in Deutschland. Auch wenn es zynisch klingen mag: Ältere Menschen brauchen eher Ersatzteile als junge. Allein 2016 wurden auf dem Implantatemarkt weltweit über 40 Milliarden US-Dollar umgesetzt.

Ein vergrößertes Modell zeigt, wie Schrauben (in der Mitte) besser gefräst werden können

Mehr und ältere Menschen sorgen für stetes Wachstum

Auf dieses Wachstum setzen inzwischen immer mehr Maschinenbauer. Bislang haben die deutschen Maschinenbauer gut von ihrem Hauptauftraggeber, der Autoindustrie, gelebt. Die steht nun aber vor gewaltigen Umbrüchen, da sich zum Schutz des Klimas die Mobilität verändern muss und bei Elektrofahrzeugen viele Komponenten wie etwa Getriebe wegfallen. Das trifft auch die Zulieferer, sprich die Maschinen- und Werkzeugmaschinenbauer. Und niemand kann so wirklich sagen, wohin die Reise geht und welche Maschinen in Zukunft gebraucht werden. Zudem leidet der Maschinenbau, als klassische Exportbranche, unter der stotternden Weltwirtschaft, die durch Brexit und Handelsstreit aus dem Tritt gekommen ist.

Ganz einfach lässt sich die Sahne in der Medizintechnik aber nicht abschöpfen. Dadurch, dass immer mehr Marktteilnehmer in den Markt drängen würden, steige der Kostendruck und der Bedarf nach effizienteren Verfahren und Maschinen, sagt Marc André Dittrich vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Universität Hannover.

Auch das liefert der Maschinenbau: Maschinen werden so zusammengestellt und programmiert, dass sie medizinische Teile rund um die Uhr produzieren können – ohne von Menschen ununterbrochen beaufsichtigt zu werden

Auch die Dokumentations-und Berichtspflichten, die Hersteller von medizinischen Geräten und Implantaten erfüllen müssen, werden immer umfangreicher. Und mit ihnen die Anforderungen an die Maschinen, die solche Daten liefern müssen. Zudem machen neue Werkstoffe das Entwickeln von neuen Werkzeugmaschinen und Verfahren nötig.

Drucken von menschlichen Ersatzteilen

Zu solchen neuen Verfahren gehört der 3D-Druck. Besser, schneller und billiger kann dadurch beispielsweise die Behandlung von Patienten mit Knochenkrebs im Gesicht werden, heißt es vom Maschinenbauer Trumpf. Bei diesem Krebs müssen unter Umständen Teile der Knochen aus dem Gesicht entfernt werden. Wird dann das fehlende Gewebe nicht ersetzt, haben die Betroffenen ein Leben mit einem fürchterlich entstellten Gesicht vor sich.

Daher versuchen Chirurgen die fehlende Knochenmasse so zu ersetzen, dass das Gesicht wieder ungefähr so aussieht wie vorher. Dafür musste der Arzt bisher während der Operation das Implantat aus einer Titanlochplatte zurechtschneiden.

Alles aus dem 3D-Drucker: vorne ein Hüftimplantat, dahinter ein Gesichtsimplantat und dahinter gedruckte Zähne. Die müssen noch von der runden Trägerplatte abgeschnitten werden und mit Keramik überzogen werden

Vor der Operation werden die Daten zur Gesichtsform des Patienten ermittelt. Daraus wird digital ein Implantat erstellt und gedruckt. Bei der Operation liegt das Implantat dann in der richtigen Form und gereinigt für den Arzt parat. Dadurch werden auch die Dauer und die Kosten der Operation reduziert.

Diese Methode nutzt der russische Medizintechnik-Hersteller CONMET seit Anfang 2018, um auf 3D Druckern von Trumpf individuell angefertigte Gesichts- und Kieferimplantate herzustellen. Gedruckt wird dabei Metall. In einer Maschine wird per Laser metallisches Pulver zu einer Materialschicht geschmolzen. Dann wird eine neue Pulverschicht darüber gebracht, die wiederum geschmolzen wird und so weiter. Mit dieser Methode können geometrisch komplexe Formen mit Hohlräumen und innenliegenden Gitterstrukturen entstehen, die man mit konventionellen Methoden wie Fräsen gar nicht herstellen könnte.

3D Druck: Metallpulver wird per Laser geschmolzen, um Implantate zu drucken

Zahnersatz aus dem Drucker

Die 3D-Druck-Technik hilft aber auch vielen Menschen, die nicht an Krebs erkranken, sondern einfach nur einen Zahn verloren haben. Bislang wurden Zähne gefräst, das heißt aus einem Block wurde solange etwas abgeschnitten, bis der Zahn herausgeformt worden war. Zähne aus dem 3D-Drucker, sehen nicht nur aus wie der Originalzahn, sie seien auch günstiger und schneller herzustellen, sagt Neumann. “In manchen Märkten sind inzwischen 80 Prozent der Kronen 3D-gedruckt, beispielsweise in Spanien. In Deutschland sind es um die 20 Prozent, aber das wird Stück für Stück mehr”, glaubt Neumann.

Gedruckte Sägen, die kühlen

Der Maschinenbau kümmert sich aber nicht nur um die Perfektionierung menschlicher Ersatzteile, auch die bei der Operation eingesetzten Instrumente werden immer besser. 2016 wurden in Deutschland 230.000 Kniegelenke und 165.000 Hüftgelenke implantiert. Um solche Implantate einzusetzen, muss ein Stück des gesunden Knochens abgesägt werden.

“Die Schwierigkeit ist, dass wie bei jedem mechanischen Trennprozess Reibung entsteht, die wiederum Wärme erzeugt”, erklärt Marc André Dittrich vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Universität Hannover. Wird die Wärme zu groß, sterben Zellen im vorhandenen Knochen ab, wodurch das Implantat nicht richtig haftet. Wenn dann ein zweites Mal operiert werden muss, leidet der Patient und es entstehen wieder zusätzliche Kosten. “Aus diesem Grund haben wir gemeinsam mit zwei Unternehmen neue Sägeblätter entwickelt, die über eine Innenkühlung verfügen”, so Dittrich. Und auch diese Sägeblätter werden gedruckt.

Schluss mit dem Versuchskanninchen Mensch

Wenn ein Pilot sein Handwerk lernt, dann wird er in einen Flugsimulator gesetzt. Auch Ärzte können seit 25 Jahren in Simulatoren Operationen digital üben. Allerdings nur für minimalinvasive Eingriffe. Wer aber lernen möchte, wie man ein Hüftimplantat einsetzt, der übt zuerst am Schwein, dann an Leichen und schließlich am echten Patienten, natürlich unter Anleitung eines erfahrenen Arztes. Trotzdem möchte wohl kaum jemand derjenige sein, bei dem ein Arzt die Hüftoperation zum ersten Mal am lebenden Menschen macht.

“Es gibt keine digitalen Übungen, weil man große Kräfte simulieren muss. Wenn die Ärzte den Hüftknochen ausfräsen, lehnen sie sich richtig mit ihrem Körpergewicht rein”, erklärt Mario Lorenz, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Technischen Universität Chemnitz. “Deswegen haben wir vor drei Jahren angefangen, uns damit zu beschäftigen und haben diesen Kuka-Roboter dafür verwendet – etwas zweckentfemdet – um den Chirurgen die Kraft spüren zu lassen”.

An solchen Simulatoren für Hüftoperationen können eines Tages Ärzte ihr Handwerk üben

Der angehende Arzt sieht durch eine 3D Brille einen Hüftoperations-Patienten in einem Operationsraum vor sich. In der Hand hält er eine echte Fräse, die mit dem Roboterarm verbunden ist. Durch den vom Roboter generierten Widerstand bekommt der Arzt ein Gefühl dafür, wie sich die Operation anfühlt, wie viel Druck er beispielsweise beim Ausfräsen des Hüftknochens aufbringen muss.

Noch bleibt es allerdings beim Üben am lebenden Menschen, denn es gibt solche Hüftoperations-Simulatoren noch nicht an den Universitäten. Lorenz hofft allerdings, dass sich das in den nächsten zwei Jahren ändern wird.