Körperverträgliche Materialien für Rapid Prototyping in der Medizintechnik

Zahnverblendungen, die direkt aus den Computerdaten des Patienten nach Maß gefertigt werden? Implantierbare Hörgeräte für das Innenohr per Mausklick? Für Rapid Prototyping (RP) eigentlich kein Problem. Das Verfahren kommt aus dem Maschinenbau und wird angewendet, um schnell und kostengünstig Prototypen aus dreidimensionalen Datensätzen herzustellen. Für medizinische Produkte fehlen aber bisher körperverträgliche Materialien – diese zu entwickeln, ist ein Ziel der Arbeitsgruppe „Rapid Prototyping“ des Bonner Forschungszentrums caesar. An der Fachhochschule (FH) Bonn-Rhein-Sieg arbeitete die Forschungsgruppe „Cellular Engineering“ um Professor Dr. Edda Tobiasch im Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften bereits an einem ähnlichen Problem, so dass sich eine Kooperation zwischen Ingenieuren und Biologen anbot. An der FH wird die Biokompatibilität der neuen Materialien, die bei caesar entwickelt werden, bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium überprüft. Auf der internationalen Fachmesse für Biotechnologie „BioTechnica“ in Hannover präsentieren caesar und die FH Bonn-Rhein-Sieg ihr Gemeinschafts­projekt vom 07.10. – 09.10.2003 (Halle 2, Stand D 30: Wissenschaftsregion Bonn).

Um ein RP-Modell zu erstellen, müssen zweidimensionale Daten wie Computer­tomografie- oder Kernspinaufnahmen in ein dreidimensionales Computermodell umgewandelt werden. Daraus wird im sogenannten Stereolithografieverfahren per Laser Schicht für Schicht aus flüssigen Kunststoffen das Objekt aufgebaut. Auch feine Strukturen werden so sehr genau dargestellt. Durch Folgeprozesse können weitere Materialien einbezogen werden.

Für die Fertigung medizinischer Produkte ist der Einsatz von biokompatiblen Materialien bei den RP-Prozessen von entscheidender Bedeutung. Die caesar-Wissenschaftler konzentrieren sich vor allem auf die Entwicklung nicht toxischer Photopolymere für die Stereolithografie, die je nach späterem Verwendungs­zweck den medizinischen Ansprüchen genügen müssen. Anwendungen für diese neuartigen Materialien sind beispielsweise medizinische Hilfsmittel, die in Kontakt mit Haut oder Körperflüssigkeiten treten.

An der FH Bonn-Rhein-Sieg werden die Materialien mit Hilfe verschiedener Metho­den, die „weit über die Standard-Prüfnormen hinausgehen“, so Professorin Tobiasch, auf ihre Verträglichkeit geprüft. Entscheidend ist nicht nur die Frage nach der kurzfristigen toxischen Wirkung. Schwieriger festzustellen – und für man­che dieser Materialien fast noch wichtiger, weil sie unter Umständen lange im Kör­per der Patienten verbleiben – ist die Langzeitwirkung, das heißt, ob die Materia­lien nach einer gewissen Anzahl von Jahren Krankheiten fördern oder auslösen.

Zunächst wird in Zellkulturen die Toxizität der Materialien überprüft. Nur Stoffe, die diese Hürde genommen haben, werden weiterführenden Experimenten unterzogen. Die FH-Wissenschaftler konzentrieren sich dann vor allem auf neue molekular- und zellbiologische Methoden um festzustellen, ob die getesteten Polymere genetische Programme verändern, die den Zelltod (Apoptose) beeinflussen, oder ob die Erb­substanz selbst geschädigt wird.

Vor allem den Mechanismen, die die Apoptose beeinflussen, kommt eine Schlüs­selrolle zu. So führt zum Beispiel die pathologische Verminderung der Apoptose zu Krebserkrankungen, während die Hochregulierung dieses Programms zum unge­wollten Tod von Zellen führt und somit bei Erkrankungen wie Alzheimer, jugendlicher Diabetes oder manchen Autoimmunerkrankungen von Bedeutung ist.

Das internationale Forschungszentrum caesar (center of advanced european studies and research) aus Bonn hat 1999 die Arbeit auf­genommen. Mit inzwi­schen 180 Mitarbeitern forschen interdisziplinäre Teams in den Bereichen Biotechnolo­gie, Medizintechnik und Material­wissenschaften/Nanotechnologie. Forschung und industrielle Anwendung gehen Hand in Hand: caesar entwickelt innovative Produkte und Verfahren und unterstützt die Wissenschaftler bei Firmenaus­grün­dungen.

Die Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg wurde bereits 1995 gegründet. Rund 3.500 Studierende sind derzeit in 16 Studiengängen eingeschrieben. Unter anderem prä­gen zahlreiche Industriekooperationen das Profil der jungen Hochschule.

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