Medizin

Additive Fertigung im Medizinbereich

Von der Konzeptphase bis hin zu Bauteilen und Geräten mit kurzzeitigem Patientenkontakt ermöglicht der 3D-Druck schnellere Innovationen, intelligentere Konstruktionen und bessere Lösungen für Patienten.

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Herausforderungen

Was fordert die Medizinbranche – und was ist unsere Lösung

Biokompatibilität

3D-gedruckte Komponenten bieten erhebliche Vorteile für die Medizintechnik, vor allem weil sie aus Materialien hergestellt werden können, die für Biokompatibilität zertifiziert sind. Dies gewährleistet, dass sie für den Kontakt mit dem menschlichen Körper sicher sind – Kunststoffteile eignen sich für den Kontakt mit Schleimhäuten, Knochen oder Haut für bis zu 24 Stunden sowie mit intakter Haut für mehr als 30 Tage. Biokompatible Materialien werden sorgfältig geprüft, um in Übereinstimmung mit internationalen Standards sicherzustellen, dass sie keine schädlichen Reaktionen wie Zytotoxizität, Irritationen oder allergische Reaktionen hervorrufen. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem 3D-Druck, ein breites Spektrum medizinischer Anwendungen zu unterstützen, darunter chirurgische Schablonen, Prothesen, Implantate und anatomische Modelle.

Thermomechanische Beständigkeit

Additiv gefertigte medizinische Komponenten weisen eine thermomechanische Beständigkeit auf, die sicherstellt, dass sie ihre strukturelle Integrität, chemische Stabilität und funktionale Leistungsfähigkeit unter mechanischen Belastungen und erhöhten Temperaturen beibehalten. Diese Eigenschaft hängt von der Materialwahl, dem Fertigungsprozess und den Nachbearbeitungsverfahren ab, die zusammen die Festigkeit, die Schichthaftung sowie die Beständigkeit gegen Verformung, Verschleiß und thermische Belastung verbessern. Komponenten mit hoher thermomechanischer Beständigkeit behalten ihre Form, Festigkeit und Funktionalität selbst in anspruchsvollen klinischen Umgebungen bei, was sie sowohl für Endprodukte als auch für Rapid-Prototyping-Anwendungen ideal macht.

Individualisierung / Personalisierung

Der 3D-Druck spielt eine wichtige Rolle in der Medizintechnik, da er ein hohes Maß an Individualisierung für Komponenten, Werkzeuge und unterstützende Bauteile ermöglicht. Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren, die häufig auf standardisierten Konstruktionen und Massenproduktion beruhen, erlaubt der 3D-Druck die Herstellung jedes Bauteils auf Basis spezifischer Bedürfnisse, Abmessungen oder funktionaler Vorgaben. Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, Komponenten an einzelne Anwender oder spezifische medizinische Anwendungen anzupassen. Dies umfasst maßgeschneiderte Gehäuse für medizinische Geräte, patientenspezifische anatomische Modelle für das Training oder die Operationsplanung, spezialisierte chirurgische Schablonen und ergonomische Werkzeuge für das medizinische Personal. Diese individualisierten Komponenten können in digitaler Konstruktionssoftware einfach angepasst und ohne den Bedarf an neuen Formen oder Werkzeugen gefertigt werden. Zudem unterstützt der 3D-Druck das Rapid Prototyping und die iterative Optimierung. Medizinische Hersteller und Entwickler können Konstruktionen schnell testen und optimieren, was die Verbesserung von Funktionalität, Komfort oder Benutzerfreundlichkeit erleichtert. Kleinere Designänderungen lassen sich somit effizient umsetzen, was besonders bei der Fertigung von Komponenten in geringen Stückzahlen oder für hochspezialisierte Anwendungen von großem Wert ist.

Anatomische Modelle

Die Materialien des Stratasys Digital Anatomy Printers (DAP) wurden speziell dafür entwickelt, das Aussehen, die Haptik und das mechanische Verhalten von echtem menschlichem Gewebe und Knochen originalgetreu nachzubilden. Dies macht sie ideal für detailgetreue anatomische Modelle im medizinischen Bereich. Mit spezialisierten Materialien wie BoneMatrix, TissueMatrix, GelMatrix und RadioMatrix können Kliniker Modelle schneiden, bohren, nähen und Medizinprodukte darin platzieren, die sich ähnlich wie die natürliche Anatomie verhalten. Dies verbessert den Realismus der Operationsplanung und des Trainings erheblich.

Der Multimaterial-PolyJet-Prozess ermöglicht es, patientenspezifische Modelle direkt aus CT- oder MRT-Daten zu erstellen. Dabei werden verschiedene Gewebearten, Farben und Transparenzen in einem einzigen Druck kombiniert, um Pathologien, kritische Strukturen und medizinische Geräte klar zu visualisieren. Dies erlaubt die reproduzierbare und bedarfsgerechte Herstellung anatomischer Modelle, wodurch die Abhängigkeit von Humanpräparaten und Tierlaboren verringert, die Vorbereitungszeit verkürzt sowie konsistentere und skalierbarere Lösungen für das Training und die präoperative Planung in Krankenhäusern und Medizintechnikunternehmen bereitgestellt werden können.

Eigenschaften

TissueMatrix: Zugfestigkeit ca. 0,7–0,9 MPa
BoneMatrix: Zugfestigkeit ca. 29–30 MPa
RadioMatrix: Biegefestigkeit 75–110 MPa
GelMatrix: Maximale Menge: 2 kg (Überlauf des Bades vermeiden)

Anwendungsfälle

Gefäßsysteme: Arterien, Venen und komplexe Verzweigungsstrukturen mit variabler Wandstärke und Dehnbarkeit zur Nachbildung gesunder versus erkrankter Gefäße
Herz: Detaillierte Herzen einschließlich Myokardschichten, Herzklappensegeln etc.
Parenchymatische Organe: Leber, Niere, Lunge und andere Weichgewebeorgane mit einstellbarer Weichheit

Chirurgische Schablonen und Endbauteile mit Biokompatibilität

Stratasys® Somos® BioClear™ ist ein hochleistungsfähiges, transparentes Kunstresin für den medizinischen 3D-Druck, bei dem es besonders auf Sicherheit, Zuverlässigkeit und eine klare Sicht ankommt. Es eignet sich ideal für chirurgische Schablonen und Endbauteile, die für einen begrenzten Zeitraum mit dem Körper in Kontakt kommen, wie beispielsweise Dental-Bohrschablonen, Schneidelehren und Positionierungswerkzeuge. Patienten und Kliniker profitieren von der glasähnlichen Transparenz des Materials, die es Chirurgen erleichtert, die darunterliegende Anatomie, Bohrkanäle und Schraubenwege während des Eingriffs zu sehen.

Bauteile, die mit Somos® BioClear™ gedruckt werden, sind fest, zäh und maßhaltig, sodass sie dem Bohren, Verschrauben und der Handhabung im Operationssaal oder in der klinischen Umgebung ohne Sprödbruch standhalten. Das Material liefert die Präzision, die für patientenspezifische Instrumente erforderlich ist.

Für sicherheitskritische medizinische Anwendungen ist die Biokompatibilität unerlässlich. Somos® BioClear™ wird bei einer Verarbeitung nach den validierten Richtlinien gemäß den relevanten Normen der ISO 10993 (einschließlich Zytotoxizität, Irritation und Sensibilisierung) sowie nach USP Class VI geprüft. Dadurch eignet es sich für den zeitlich begrenzten Kontakt mit Haut und Schleimhautgewebe.

Eigenschaften

Zugfestigkeit bei Bruch: ca. 50 MPa
Bruchdehnung: ca. 15 %
Biegefestigkeit: ca. 69 MPa
Biegemodul: ca. 2.200 MPa

Anwendungsfälle

Schablonen für Weichgewebe-Eingriffe
Orthopädische und traumatologische Schablonen
Neurochirurgische Schablonen

Große Endbauteile mit Biokompatibilität

ULTEM™ 1010 ist ein hochleistungsfähiger Polyetherimid (PEI)-Thermoplast und ein robuster Werkstoff für den 3D-Druck. Er bietet eine außergewöhnliche Hitzebeständigkeit und den niedrigsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter den FDM-Materialien, was eine hervorragende Maßhaltigkeit selbst unter extremen thermischen Bedingungen gewährleistet. In Kombination mit seiner herausragenden mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit ist ULTEM™ 1010 das festeste verfügbare FDM-Material, wodurch es sich ideal für den medizinischen Sektor eignet.

Für Anwendungen, die eine strikte Einhaltung regulatorischer Vorschriften erfordern, bietet ULTEM™ 1010 CG (Certified Grade) zusätzliche Dokumentationen zur Erfüllung von Industriestandards, einschließlich der Biokompatibilität nach ISO 10993 und USP Class VI sowie der NSF 51-Zertifizierung für Lebensmittelsicherheit. Dies macht den Werkstoff besonders geeignet für die Herstellung großer Endbauteile in der Medizintechnik, wie beispielsweise maßgeschneiderte chirurgische Instrumente, Gehäuse für medizinische Geräte, Komponenten für Diagnosegeräte und andere kritische Bauteile im Gesundheitswesen. Die Kombination aus hoher Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, chemischer Stabilität und zertifizierter Biokompatibilität ermöglicht es Herstellern, robuste, leistungsstarke Komponenten zu fertigen, die wiederholten Sterilisationsprozessen und anspruchsvollen Einsatzbedingungen standhalten und gleichzeitig strenge regulatorische Auflagen erfüllen.

Eigenschaften

Tensile strength at break: 79.2 MPa in XZ orientation, 28.2 MPa in ZX orientation.
Elongation at break: 4.0% in XZ orientation, 1.1% in ZX orientation.
Elastic modulus: 3.04 GPa in XZ orientation, 3.00 GPa in ZX orientation.
Flexural strength at break: no break in XZ orientation, 81.6 MPa in ZX orientation.

Anwendungsfälle

Maßgeschneiderte chirurgische Instrumente
Komponenten für Diagnosegeräte
Gehäuse für Beatmungs- und Ventilationssysteme: Kanäle, Verteiler und Maskenkomponenten, die unter Ausnutzung der Biokompatibilität des Materials wiederholt mit Schleimhäuten oder der Haut in Kontakt kommen

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