Silicone Additive Manufacturing bioinspirierter Herzklappen
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Fergal Coulter hat in einem Forschungsprojekt bioinspirierte künstliche Herzklappen im 3D Druck Verfahren hergestellt. Anhand einer Computertomografie Vermessung kommt in der additiven Fertigung ein Dispenser der Reihe Eco-PEN von der Viscotec Tochter Preeflow zum Einsatz.
Inhalt des Anwenderberichts:
- Künstliche Herzklappen Schicht für Schicht aufgebaut
- Dispenser druckt künstliche Herzklappen und Stent
- Vision für die Zukunft
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 Herz Klappe 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 erfolgt die Erstellung der Aorten Wurzel als Silikonform.
Zum vorübergehenden Einkapseln des Ventils kommt ein Alginat zum Einsatz. Diese Kappe schützt das Ventil. 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
Die künstliche Herz Klappe basiert auf der Biologie des Menschen in Form einer 3-segeligen Herzklappe. Die Geometrie ist individuell und mündet in einem maßgeschneiderten, synthetischen Produkt.
3D Drucker für die additive Fertigung von Kunststoffteilen
Die digitale Herstellung ermöglicht eine Herzklappen Prothese 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.
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.
Vision für die 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.
Kugeldrehverbindung & Co für die Protonentherapie gegen Krebs
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.
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