Ziel der Entwicklung
Kollagenbasierte Druckermaterialien sind bislang kommerziell nicht verfügbar. Im Moment beschränkt sich das Spektrum nutzbarer Systeme auf Kartuschensysteme, welche beheizbar sein müssen. Nutzer sollen vor allem Anbieter von adhoc-Modellen sein, um über Nacht Modelle für die OP-Planung zu fertigen. Um die Vorteile der additiven Fertigung durch einen 3D-Drucker und eines elektrochirurgisch bearbeitbaren Materials zu vereinen, sollte ein thermoplastisch verarbeitbares Kollagenpulver verwendet werden, um daraus kleinere Modelle und Befunde für das chirurgische Operationstraining herstellen zu können. Verwendet wurde thermoplastisches Kollagen (TC), ein teildenaturiertes Kollagenpulver, welches zu Strängen, Folien oder Formteilen verarbeitet werden kann. Aus TC konnte mit verschiedenen Additiven, wie z. B. Wasser, Feuchthaltemitteln, Salzen und Farbstoffen, ein Granulat hergestellt werden, um es auf einem 3D-Drucker zu verarbeiten.
Vorteile und Lösungen
Für die Herstellung einer geeigneten Rezeptur aus thermoplastischem Kollagen für die additive Fertigung wurden zu Vergleichszwecken zwei unterschiedliche Chargen TC hergestellt. Aus den Ergebnissen ließ sich eine bestmögliche Rezeptur aus TC, Wasser, Glycerin, Salz und Farbstoffen ableiten. Ausgehend von der Verarbeitung von TC auf Extrudern in Form einer hochviskosen Schmelze wurde das Material mit einer entsprechenden Druckvorschrift auf dem Kartuschendrucksystem verarbeitet. Es konnten einzelne kleine Modelle gedruckt werden. Die Dimensionen der Modelle waren aufgrund des geringen Volumens der Kartusche (10 ml) stark eingeschränkt. Es konnte gezeigt werden, dass mit der erarbeiteten Rezeptur (Anhang) und den entsprechenden Druckparametern (Anhang) ein Verfahren zur additiven Fertigung von kleinen Modellen, im Ergebnis des Projektes Befunde und kleine Pathologien, für das medizinische Training vorliegt. Die Modelle/Probekörper konnten in eine geeignete Matrix eingebettet und im Ultraschall abgebildet werden. Die Verarbeitung mit einem kommerziellen Stützmaterial als Support ist möglich, ist jedoch wegen der bedenklichen Lösemittel zu überdenken. Wünschenswert sind hier Materialien mit deutlich niedrigeren Schmelztemperaturen, die mit unbedenklichen Lösemitteln, wie zum Beispiel Ethanol, entfernt werden können. Im Ergebnis des Projektes stehen sowohl Kollagenmaterial, eine definierte Rezeptur sowie die Vorgaben zur Verarbeitung auf dem BioScaffolder von GeSiM zur Verfügung.
Zielgruppe und Zielmarkt
Hersteller und Anwender der individualisierbaren Organmodelle aus thermoplastischem Kollagen umfassen nicht nur angehende Fachleute (Assistenzärzte und Studierende) im Rahmen der beruflichen Aus- und Weiterbildung, sondern vor allem auch Ärzte im OP-Dienst. Die Organe sollen nicht nur für planbare Ausbildungsveranstaltungen (diverse Anbieter aller großen Hersteller wie Ethicon, Heraeus, MediGlobe), sondern vor allem für die laufende chirurgische OP-Planung, also innerhalb weniger Tage, zum Einsatz kommen. Anbieter solcher adhoc-Modelle sind neben Global Playern wie Materialise und Stratasys auch kleinere KMU. Der Fokus liegt für kleinere Modelle aus Kollagen darauf, Eingriffe hinsichtlich der Schnittführung und Schnittlänge zu optimieren. Besonders interessant sind hier vorbereitende Untersuchungen durch Bildgebungssysteme und Modelle (Ultraschall). Außerdem können die funktionellen Modelle auch in der Instrumentenentwicklung (ERBE, Karl Storz, Medicon uva.) und Qualitätssicherung (Freigabe von OP-Instrumentarium) verwendet werden. Die Modelle stehen im Wettbewerb zu virtuellen Modellen, d. h. der Abbildung des Patientenorgans über CT- und MRT-Bilder. Hier können zwar jegliche Ansichten am Bildschirm generiert werden, es ist jedoch bekannt, dass ein geformtes Modell, welches tatsächlich in die Hand genommen werden kann, unübertroffen ist, die Lagebeziehungen und die Befunde darzustellen. Bislang stehen nur kunststoff- oder harzbasierte 3D-Modelle am Markt zur Verfügung. Daran kann der Chirurg lediglich schauen, aber nicht schneiden. Mit dem entwickelten Kollagenmaterial zur additiven Fertigung kann nun eine Brücke geschlagen werden, gezielt Befunde zu platzieren und deren operative Entfernung elektrochirurgisch zu trainieren.
