Die Herstellung von künstlichen Herzklappen hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht und eine Vielzahl von Verfahren und Materialien sind für ihre Herstellung verfügbar. Fergal Coulter hat in einem Forschungsprojekt eine bioinspirierte künstliche Herzklappe im 3D Druck Verfahren hergestellt. Dieser Artikel beschreibt, wie bei einer Computertomografie Vermessung in der additiven Fertigung ein Dispenser der Reihe Eco-PEN von der Viscotec Tochter Preeflow zum Einsatz kommt.

Viscotec Herzklappen

 

Inhalt

Aktueller Stand und Trends der künstlichen Herzklappe

Die am häufigsten verwendeten Verfahren zur Herstellung von künstlichen Herzklappen sind das mechanische Design und das biologische Design. Bei mechanischen Herzklappen handelt es sich um Klappen, die aus haltbaren Materialien wie Metalllegierungen (z. B. Titan) oder Polymeren (z. B. Kohlefaser) hergestellt sind. Diese Klappen bieten eine ausgezeichnete Haltbarkeit und haben eine lange Lebensdauer. Sie sind jedoch weniger flexibel als biologische Klappen und erfordern die lebenslange Einnahme von Blutverdünnern, um das Risiko von Blutgerinnseln zu verringern.


Formlabs 3D Druckmaterial3D Drucker Material | von Kunststoff bis Metall


Biologische Herzklappen werden aus tierischem Gewebe hergestellt, das in der Regel von Schweinen oder Rindern stammt. Diese Klappen bieten eine natürlichere Funktionalität und erfordern keine lebenslange Einnahme von Blutverdünnern. Sie haben jedoch eine begrenzte Haltbarkeit und müssen möglicherweise im Laufe der Zeit ersetzt werden.

In den letzten Jahren haben neue Verfahren und Materialien aufgetaucht, die z. B. die alte Smeloff-Cutter-Herzklappe ersetzen und die Vorteile von mechanischen und biologischen Herzklappen kombinieren. Ein Beispiel dafür sind die sogenannten biologisch-mechanischen Klappen, die aus einer Kombination von tierischem Gewebe und haltbaren Materialien hergestellt sind. Diese Klappen bieten eine verbesserte Haltbarkeit und Funktionalität im Vergleich zu rein biologischen Klappen.

Darüber hinaus werden auch neue Materialien wie biokompatible Polymere und Gewebeengineering-Techniken erforscht, um die Entwicklung von künstlichen Herzklappen für die Herzchirurgie weiter voranzutreiben. Diese Materialien haben das Potenzial, die Haltbarkeit und Leistung von künstlichen Klappen zu verbessern.

Ein weiterer Trend bei der Herstellung von künstlichen Herzklappen ist die Entwicklung von personalisierten Klappen. Mit fortschrittlichen Bildgebungstechniken und 3D-Druckverfahren können Herzklappen maßgeschneidert und an die spezifischen Bedürfnisse des Patienten angepasst werden. Dies ermöglicht eine bessere Passform und Funktionalität der Klappen.

Insgesamt befindet sich die Herstellung von künstlichen Herzklappen in einem stetigen Entwicklungsprozess. Die aktuellen Trends konzentrieren sich auf die Verbesserung der Haltbarkeit, Funktionalität und Individualisierung der Klappen, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern und die Notwendigkeit von wiederholten Eingriffen zu reduzieren.

Fergal Coulter setzt auf kundenspezifische Polysiloxane

Fergal Coulter von der Complex Materials Group der ETH Zürich verwendete für die Herstellung der künstlichen Herzklappen kundenspezifische Polysiloxane in medizinischer Qualität mit Chemikalien. Diese werden nach UV getriggerter Polymerisation zu steifen, mittleren oder weichen Silikonen. Die Materialien entsprechen den Biokompatibilitätsnormen für Zytotoxizität, Irritation und Hautsensibilisierung.1 

Künstliche Herzklappen Schicht für Schicht aufgebaut

Anhand der Ergebnisse aus der Computertomographie eines Patienten wird ein personalisierter, 3D gedruckter Dorn angefertigt. Mit dem Preeflow Eco-PEN300 1K Dispenser wird in einem ersten Fertigungsschritt auf den Dorn ein Teil der künstlichen Herzklappe aufgetragen. Zudem trägt der Dispenser Verstärkungsfasern aus Silikon auf die Faltblätter auf und verstärkt anschließend die Kanten.

Die einzelnen Bereiche der Herzklappen, auch intraaortale Dreiecke, werden entsprechend dem Scan der Aorta Wurzel des Patienten aufgebaut. Anschließend wird das Silikon mit UV-Licht vernetzt. Im zweiten Schritt der additiven Fertigung vom Aortenklappenersatz erfolgt die Erstellung der Aorten Wurzel als Silikonform.

Zum vorübergehenden Einkapseln des Ventils kommt ein Alginat zum Einsatz. Diese Kappe schützt das Ventil der Aortenklappe. Zudem ermöglicht sie das Auftragen eines überhängenden künstlichen Gefäßsystems und integrierten Stents.


Dispenser für anaerobe Klebstoffe im Langzeittest geprüft


Die Baugruppe wird hierfür mit einem 1-dimensionalen Laser gescannt. Im Computer werden die Oberfläche virtuell nachgebaut. Die Werkzeugwege für eine auxetische Geometrie des Stents wird berechnet. Anschließend wird wieder mit dem Dispenser gedruckt.

Die gedruckten Streben haben eine Dicke von ca. 0,3 mm. Der Ventildorn kann entfernt werden. Das Entfernen der Alginat Kappe erfolgt durch Dehydrierung im Ofen. Abhängig davon, ob als Zwischenschritt eine Beschichtung aufgesprüht wurde oder nicht, erhält man eine patientenspezifische künstliche Herzklappe mit abgedeckten oder gefensterten Aorten Stent.

Von der Biologie des Menschen inspiriert

Die künstliche Herzklappe basiert auf der Biologie des Menschen in Form einer 3-segeligen Herzklappe. Die Geometrie ist individuell und mündet in einem maßgeschneiderten, synthetischen Produkt.

Die digitale Herstellung ermöglicht Herzklappen Prothesen als funktionales Implantat. Das 3D Druck Verfahren wird im Vergleich zu bestehenden mechanischen Herzklappen und Klappen aus Gewebe als vielversprechend für die Zukunft eingeschätzt.

Fünf Gründe für die additive Fertigung künstlicher Herzklappen

  • Auf Basis der CT Aufnahme der Herzklappe vom Patienten lassen sich absolut individuelle Herzklappen herstellen.
  • 3D gedruckte künstliche Herzklappen sind günstig in der Herstellung.
  • Mit den eingesetzten Materialien kann gegebenenfalls künftig auf Immunsuppressoren oder Blutverdünner verzichtet werden.
  • Bauart und Geometrie der gedruckten Herzklappen ähneln dem biologischen Vorbild so wie die Funktionalität. Das wurde in Versuchen Coulters ausführlich am physiologischen Blutdruck geprüft.
  • Die gedruckten faserverstärkten Herz Klappen sind nur wenig mechanisch beansprucht und besitzen eine herausragende Hämodynamik. (= Lehre von der Blut Bewegung im Gefäßsystem).

Dispenser druckt künstliche Herzklappen und Stent

Aufgabe des Eco-PEN Dispensers ist es, die Stabilität der Herzklappe und der Segelklappen sicherzustellen. Damit das System bei der Verwendung unter physiologischen Bedingungen nicht kollabiert. Wie oben beschrieben, druckt der Eco-PEN300 einen Teil der Herzklappe und einen Stent (= medizinisches Implantat zum Offenhalten von Gefäßen oder Hohlorganen) bzw. eine Stent ähnliche Struktur zur Stabilität. Der Eco-PEN errichtet also auch das Gerüst für die Herzklappen.

Wichtig für die Umsetzung in diesem sensiblen Bereich ist eine absolut gleichbleibende Präzision im Bereich der Mikrodosierung: Die Wiederholgenauigkeit bei so geringen zu dosierenden Mengen muss garantiert sein. Hier haben die leichten Preeflow Dispenser von Viscotec überzeugt. Ergänzt wird die Preeflow Dosiertechnik durch ein wendiges Robotersystem. Denn die Nadel muss immer lotrecht auf den exakt gefertigten Dorn zeigen.


3D Drucker | Additive Fertigung von Kunststoffteilen


Fergal Coulter über die Arbeit mit dem Preeflow Dispenser: „Der Eco-PEN ist ein ausgezeichneter Extruder zum Drucken von mehreren verschiedenen Materialien, die unterschiedliche Viskositäten und rheologische Eigenschaften haben. Die präzise volumetrische Dosierung des Dispensers beseitigt Schwankungen im Fluss des Materials während langwieriger Drucke. Zudem reduziert das den Zeitaufwand für die Anpassung von Druckprofilen, um einen konstanten Materialfluss zu erreichen.

Vorteile der hochpräzisen Dispenser

Die Preeflow Dispenser lassen sich einfach und flexibel an individuelle Geometrien anpassen. Zur einfachen Integration wird der Eco-PEN300 mit einem Abstand von 300 µm und lotrecht zur Krümmung der aufzutragenden Oberfläche verwendet. Kleinste Dosiermengen mit einer  absoluten Wiederholgenauigkeit von > 99 % können realisiert werden.

Darstellung des 3D-Druck Prozesses

 


Um den Anforderungen des 3D Druck Marktes gerecht zu werden, hat Viscotec im Jahr 2016 ein eigenes Business Development Additive Manufacturing ins Leben gerufen. In diesem Rahmen wurde auch das Portfolio erweitert. Denn mittlerweile entstanden daraus verschiedene 3D Druckköpfe, die einkomponentige und zweikomponentige Fluide und Pasten drucken können und sich noch besser für die Additive Fertigung eignen.  

Für die Herzklappen OP der Zukunft

Eine Vision von Fergal Coulter für zukünftige Forschungen soll es ermöglichen, Stammzellen (incorporate stem cells) mit zu drucken und in die Klappe einzubauen. Damit entspräche man der persönlichen Morphologie.


3D Druck Service Igus3D Druck Service – online und schnell


Auch wenn das noch Zukunftsmusik ist, gibt es bereits erste Ideen, zellbeladene Hydrogele im 3D-Druck zu verwenden. Auch ein solches Projekt wurde mit einem Preeflow Eco-PEN umgesetzt: Es wurden lebende Zellen dosiert, ohne Sie zu beschädigen. Die Anwendung waren „lebendige“ Belüftungsschlitze in Sportkleidung.

Technisches Allgemeinwissen

Was ist eine künstliche Herzklappe?

Eine künstliche Herzklappe ist ein medizinisches Implantat, welches den natürlichen Blutfluss in Patienten mit defekten oder erkrankten Herzklappen wiederherstellt. Es gibt zwei Hauptarten von künstlichen Herzklappen: mechanische und biologische. Bei der Implantation einer künstlichen Klappe muss der Patient an eine Herz-Lungen-Maschine angeschlossen werden, die während der Operation die Funktion von Herz und Lungen übernimmt. Künstliche Herzklappen können auch zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen eingesetzt werden, indem sie eine normale Herzfunktion und einen gleichmäßigen Blutfluss ermöglichen.

Wie lange kann man mit einer neuen Herzklappe leben?

Die Lebensdauer nach dem Einsetzen einer neuen Herzklappe kann erheblich variieren, abhängig von verschiedenen Faktoren wie dem Alter und dem allgemeinen Gesundheitszustand des Patienten, der Art der verwendeten Klappe (mechanisch oder biologisch) und anderen Begleiterkrankungen.

Laut einer Studie aus dem Ärzteblatt beträgt die 10-Jahres-Überlebensrate für Patienten mit künstlichen Herzklappen mittlerweile 50 bis 60 %, unabhängig davon, ob eine mechanische oder biologische Klappe verwendet wird.

Für ältere Patienten über 80 Jahre oder jüngere Patienten mit einer Lebenserwartung von weniger als 10 Jahren wird oft eine Transkatheter-Aortenklappen-Implantation durchgeführt.

Der Vorteil von mechanischen Herzklappen besteht darin, dass sie eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer haben, obwohl sie eine lebenslange gerinnungshemmende Behandlung erfordern. Fast alle Patienten können mit einer Herzklappenprothese ein normales Leben ohne Einschränkungen führen. Die Lebenserwartung ist damit heutzutage nicht mehr wesentlich eingeschränkt.

Was für künstliche Herzklappen gibt es?

Es gibt verschiedene Arten, die in der modernen Medizin verwendet werden, um defekte oder kranke natürliche Herzklappen zu ersetzen. Zu den am häufigsten verwendeten gehören mechanische Herzklappen und biologische Herzklappen.

  • Mechanische Herzklappen sind aus langlebigen Materialien wie Metall und speziellen Kunststoffen hergestellt. Sie sind sehr widerstandsfähig und halten ein Leben lang, erfordern jedoch eine lebenslange Antikoagulationstherapie, um das Risiko von Blutgerinnseln zu minimieren.
  • Biologische Herzklappen stammen entweder von menschlichen Spendern (Homograft) oder von Tieren (meist Schweine oder Rinder - Xenograft). Sie sind biokompatibel und erfordern in der Regel keine Antikoagulationstherapie, haben aber eine begrenzte Lebensdauer und müssen möglicherweise nach 10 bis 20 Jahren ersetzt werden.
  • Gewebe-engineering Herzklappen ist eine neuere Generation von künstlichen Herzklappen, die aus dem Patienten eigenen Zellen hergestellt werden, um das Risiko von Abstoßungsreaktionen zu minimieren und eine langlebige Lösung zu bieten.

 

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Autorenangabe
Angela Struck

Angela Struck ist Chefredakteurin des developmentscouts und freie Journalistin sowie Geschäftsführerin der Presse Service Büro GbR in Ried.