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3D-Druck Individualisierte, 3D-gedruckte Implantate bringen Beweglichkeit zurück

Quelle: Pressemitteilung Fraunhofer

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Der Markt für die Remobilisierung von Fingergelenken ist noch deutlich unterentwickelt. Soll ein Implantat gesetzt werden, gibt es auf dem Markt derzeit zwei Optionen. Das Projekt Fingerkit, für das sich fünf Fraunhofer-Institute zusammengeschlossen haben, hat mit KI-erstellten, individualisierten Gelenksimplantaten aus dem 3D-Drucker eine weitere Option entwickelt.

Die Fingerkit-Implantate werden in speziellen 3D-Druck-Verfahren gefertigt, welche hohe Detailgenauigkeit und unterschiedliche Oberflächenqualitäten ermöglichen.
Die Fingerkit-Implantate werden in speziellen 3D-Druck-Verfahren gefertigt, welche hohe Detailgenauigkeit und unterschiedliche Oberflächenqualitäten ermöglichen.
(Bild: Fraunhofer IAPT)

Ob durch einen Unfall beim Sport oder die Volkskrankheit rheumatoide Arthritis: Wenn Fingergelenke unbeweglich werden, ist das eine gravierende Einschränkung und physische und psychische Belastung. In Zukunft könnte eine Entwicklung der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT, des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS, des Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM, des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medizin MEVIS dazu beitragen, dass Finger mit zerstörten oder geschädigten Gelenken ihre Beweglichkeit zurückerlangen.

Im Projekt „FingerKIt“ haben die fünf Fraunhofer-Institute ein Konzept entwickelt, mit dem passgenaue Fingergelenksimplantate erstellt werden können: In einer automatisierten Prozesskette sollen individualisierte Implantate aus metallischen oder keramischen Werkstoffen schnell, sicher und zertifiziert hergestellt werden. Dafür entwickelten die Wissenschaftler am Fraunhofer MEVIS zunächst eine KI-gestützte Software, die in der Lage ist, aus zweidimensionalen Röntgenaufnahmen dreidimensionale Modelle der Fingerknochen zu errechnen und eine potenzielle Fehlstellung der Finger zu korrigieren. Anschließend leiten Forscher des Fraunhofer IAPT das individuelle Implantatdesign anhand einer KI aus dem Fingermodell ab und setzen es im 3D-Druck um. Nachdem es gilt, sehr feine und filigrane Strukturen abzubilden, arbeiten die Wissenschaftler bei der Fertigung mit Metall-Binder-Jetting, also dem schichtweisen Aufbau der Teile, die in einem nachfolgenden Schritt gesintert – d. h. verdichtet und gefestigt – werden.

Am Fraunhofer IKTS erfolgt die Fertigung der Implantate im Near-Net-Shape-Manufacturing – ebenfalls ein Fertigungsverfahren, mit dem Produkte möglichst nahe der gewünschten Endkontur entstehen, sodass nur wenige Nachbesserungen erforderlich sind. Auch keramische Materialien kommen dank der Expertise des Fraunhofer IKTS zum Einsatz. Diese werden im Schlickerguss – einem speziellen Gipsform-Gussverfahren – verarbeitet. Um die Fragestellungen zur biologischen Verträglichkeit und Zertifizierung der Implantate kümmert sich das Fraunhofer ITEM, um die Simulation der mechanischen Belastungen das Fraunhofer IWM.

Projektarbeit bring Neuerungen hervor

Während der Arbeit im Projekt haben die Forscher mehrere Innovationen entwickelt: „Die KI-basierte Berechnung eines dreidimensionalen Implantatdesigns aus 2D-Vorlagen wie Röntgenbildern ist völlig neuartig und inzwischen zum Patent angemeldet“, verrät Dr. Arthur Seibel aus dem Bereich Bauteil-Design am Fraunhofer IAPT. Sein Kollege Dr. Philipp Imgrund, Abteilungsleiter Prozessqualifizierung am Fraunhofer IAPT, ergänzt: „Auch die Prozesstechnik ist etwas Besonderes: Weil die Struktur des Implantat-Schafts sehr filigran ist, haben wir als 3D-Druck-Verfahren das Metall-Binder-Jetting für Titan eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht die sehr präzise Fertigung der kleinen, komplexen Implantate und erlaubt es gleichzeitig, die Oberfläche des Schafts so zu strukturieren, dass dieser besser in den Knochen einwächst. Weiterhin können wir so die Nachbearbeitung der Gelenkflächen minimieren, die möglichst glatt und reibungsarm sein müssen.“

3D-gedruckte Implantate bieten Zeitersparnis und mehr Beweglichkeit

Durch die Fraunhofer-Entwicklung könnten in Zukunft auch komplizierte Fälle wie stark gekrümmte Finger, fehlende Knochenteile oder sehr kleine Gelenke gut behandelt werden. Die Individualanfertigung erweist sich dank automatisierter Modellerstellung und 3D-Druck zeitsparend: Ersten Berechnungen der Forscher zufolge wäre es möglich, bis zu 60 Prozent der üblicherweise benötigten Zeit von der Feststellung des Bedarfs bis zum Einsetzen eines Implantats einzusparen. Eine Versorgung ist so innerhalb von wenigen Tagen vorstellbar, was durch kürzere Liegezeiten auch geringere Kosten in Krankenhäusern verursacht.

Ein weiterer Vorteil: Aufgrund der dem Original-Gelenk nachempfundenen Konstruktion wird eine im Vergleich zu bisherigen Lösungen verbesserte Beweglichkeit erreicht. Imgrund fasst zusammen: „Mit Fingerkit könnte sich die Behandlung etwa der rheumatoiden Arthritis völlig verändern. Die Versorgung mit einem individualisierten Implantat könnte zum Goldstandard werden.“

Großes Potenzial für das marktreife Produkt verfügbar

Laut Deutscher Gesellschaft für Rheumatologie leiden rund zwei Prozent der erwachsenen Bevölkerung in Deutschland an entzündlich-rheumatischen Erkrankungen. Interessant ist die Neuentwicklung auch für Patienten, die durch Verletzungen beeinträchtigt sind. Im Vergleich etwa zu Fuß- oder Sprunggelenksimplantaten ist der Markt für die Remobilisierung von Fingergelenken noch deutlich unterentwickelt. Die Experten schätzen, dass das Gesamtpotenzial im Jahr 2026 bei 5,8 Millionen Euro liegt.

Technologisch ist die Entwicklung innerhalb von Fingerkit inzwischen so weit fortgeschritten, dass das Produkt gemeinsam mit einem Partner aus der Medizintechnik zur Marktreife gebracht werden könnte: Die KI-basierte Design-Erstellung und die Fertigung funktionieren; es existieren bereits ausstellungsreife Implantate. Im nächsten Schritt soll der Weg zur Zulassung beschritten werden. „Derzeit sind wir auf der Suche nach Unternehmenspartnern, die uns mit ihrem Know-how helfen können, unsere KI-erstellten Medizinprodukte auf den Markt zu bringen“, sagt Imgrund.

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