Thermoplastisches Kollagen für 3D-Druck von Modellorganen

Ausgangssituation

In Deutschland werden jähr­lich über 50.000 Tiere für Aus- und Fortbildungs­zwecke von Ärzten und Tier­ärzten einge­setzt, um Opera­tionen an Mensch und Tier zu erlernen und zu trainieren. Aufgrund anato­mischer Unter­schiede zwischen den Spezies bein­halten viele an Tieren erlernte Operations­techniken das Risiko, sich diese falsch einzu­prägen. Für viele operative Grund­techniken ist das „Modell Tier“ deshalb unge­eignet. Realis­tische und vor allem funktio­nelle Modelle sind daher dringend notwendig. Diese fokussieren sich auf ausge­wählte Prozeduren und anato­mische Struk­turen und sind für die Grund­aus­bildung von Chirurgen sowie für die patienten­individuelle Operations­planung hervor­ragend geeignet. Um Organ­modelle schnell und nach indi­vidu­ellen Vorgaben fertigen zu können, bietet sich die additive Fertigung an. Die Vorteile der additiven Fertigung liegen vor allem bei der Abbildung indivi­dueller Patholo­gien und eröffnen neue Möglich­keiten in der OP-Auf­klärung für den Patienten und die „greif­bare“ OP-Vorbe­reitung für den Chirurgen. Deut­liche Grenzen sind jedoch durch die zurzeit verwen­deten Materi­alien gesetzt. Druck­bare Kunst­stoffe und Sili­kone bilden zwar Form und Farbe sehr präzise ab, sind jedoch in der Funktio­nalität begrenzt und durch chirur­gische Werk­zeuge nur sehr einge­schränkt bearbeit­bar. Weder sind Nähen oder Schneiden an Kunst­stoff-Modellen möglich, noch kann daran mit dem elektro­chirur­gischen Equipment geschnitten oder koaguliert werden.

Projektziel

Es sollten kollagen­basierte Rezep­turen für die additive Fertigung von Organmodellen entwickelt werden. Das Material sollte im FDM-Verfahren zur Herstellung funktio­neller und individuali­sierbarer Organ­modelle verwendet werden können. Die Modelle sollten mit dem Equipment eines OP-Saales elektrochirurgisch bearbeitbar und in der Bildgebung (CT, US) darstellbar sein.

Lösungsweg

Aus bovinen Häuten wurde Kollagen-Pulver hergestellt. Durch die Abmischung mit Wasser, Salzen, Farb­stoffen und Weich­machern wurden Rezep­turen erar­beitet, welche mit dem Kartuschen­system des BioScaffolders 3.0 der GeSiM mbH Radeberg bei erhöhter Temperatur und Druck über eine Düse mit 250 µm Düsen­durch­messer zu Strängen extru­diert und abge­legt werden konnten. Die Rezep­turen wurden rheolo­gisch charakteri­siert. Mittels FDM-Verfahrens aus den Rezep­turen herge­stellte defi­nierte Form­körper wurden mechanisch hin­sicht­lich Zug- und Druck­festig­keit unter­sucht. Es erfolgte eine umfassende Material­qualifi­zierung hin­sicht­lich der tech­nischen Rand­parameter Druck, Temperatur und Verfahr­geschwindig­keiten für das verwendete Drucker­system.

Ergebnisse | Nutzen

Aus thermoplastisch verarbeitbarem Kollagen­pulver (TC) und Additiven können Materialien herge­stellt ("gedruckt") werden, um (kleine) funktio­nelle Modelle und vor allem Befunde für die Implemen­tierung in größeren Modellen für das chirur­gische Training anzu­fertigen. Die Modelle sind elektro­chirurgisch bearbeit­bar und können in der medizi­nischen Bild­gebung darge­stellt werden. Anwender der Organ­modelle sind Instrumenten­hersteller, Assistenz­ärzte und Studierende in Ausbildung sowie Ärzte im OP-Dienst zur OP-Planung und Patienten­aufklärung. Die Modelle sollen für plan­bare Ausbildungs­veran­staltungen und vor allem für die laufende chirur­gische OP-Planung, also inner­halb weniger Tage, zum Einsatz kommen.

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Dank

Das Forschungsvorhaben „Thermo­plastisches Kollagen für 3D-Druck von Modell­organen“, Reg.-Nr.: 49MF200006 wurde anteilig vom Bundes­ministerium für Wirt­schaft und Klima­schutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages innerhalb des Förder­programms „FuE-Förderung gemein­nütziger externer Industrie­forschungs­einrichtungen – Innovations­kompetenz (INNO-KOM) – Modul Markt­orientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ über den Projekt­träger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.