Implantate und chirurgische Instrumente

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Sowohl Tiere als auch der Mensch selbst dienen der Gruppe »Medizinische Bionik« als Modell zur Entwicklung von Körper-Ersatzteilen. Prothesen der unteren Extremität sollen dem Amputierten ein möglichst natürliches Gehen und Laufen ermöglichen. Dabei spielt die Energierückgabe und Biomechanik eine entscheidende Rolle. Modelle von Tieren wie beispielsweise dem Strauß wurden genau betrachtet und dessen effiziente Prinzipien in neuartige Prothesenkonzepte überführt und getestet.

Die Produktionstechnik zur Herstellung biomechanisch naturnaher Polymerimplantate ist ein Schwerpunkt unserer Arbeit. Unter anderem haben wir ein Reinraummodul für eine Reinraumfertigung unter wasserfreier N2-Atmosphäre entwickelt. Die 5-Achs-Tröpfchendosiertechnologie kann Polymertröpfchen mit einer Größe von exakt 25µm erzeugen, die dann dünne Layer auf einer Werkzeugform ausbilden. So können Gradienten durch eine Schichtabfolge verschiedener Polymerhärten aufgebaut werden. Für eine neue Therapie der chronisch venösen Insuffizienz wurde eine Technologie entwickelt, um Venenklappen der Beinvene strömungsoptimiert und ohne Neigung zur Thrombosebildung aus einem Polymer nachzubilden. Als Vorbild für die Form dienten hierbei die dreisegelige Herzklappe und Oberflächenstruktur der Gefäßwände sowie die Gradientenmaterialausbildung – ein universelles Prinzip der Natur zur Reduzierung von Scherstress.

Auch in der Entwicklung und Herstellung von chirurgischen Instrumenten nutzt die Gruppe »Bionische Medizintechnik« konsequent die Prinzipien aus der erprobten Natur für Innovationen in der Medizin. Derzeit sind geschätzte 1,25 Millionen lebende und 130.000 ausgestorbene Tierarten bekannt. Hände, Füße und Mundwerkzeuge sind Effektoren, mit denen sie schneiden, stechen, saugen oder greifen können. Diese Funktionen müssen auch chirurgische Instrumente erfüllen. Ein Beispiel eines solchen chirurgischen Instrumentes ist eine Knochenstanze, die von uns nach Vorbild des Schluckmechanismus einer Schlange entwickelt wurde. Ausgestattet mit Zähnen und einem Reservoir kann die Knochenstanze Gewebeteile abschneiden, transportieren und aufbewahren. Der Schneidemechanismus gleicht dem des Reißzahns von Fleischfressern. Das brachte einen um bis zu 50 % reduzierten Kraftaufwand beim Schneiden.

Des Weiteren ist die Anwendung bionischer Eigenschaften bei unserer Bohrraspel zu erkennen, die dem Pendelhubbohrmechanismus des Eilegebohrers von Hautflüglern folgt. Mit Hilfe der Bohrraspel kann ein Oberschenkelknochen exakt ausgehöhlt werden, sodass der Schaft eines künstlichen Hüftgelenks passgenau implantiert werden kann.