Prothetik Digital gemessen, biobasiert gedruckt

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Das Forschungsprojekt NaRo-3D zeigt, wie sich Prothesenschäfte klimafreundlicher und effizienter fertigen lassen. Biobasierte, 3D-druckfähige Werkstoffe und ein durchgängig digitaler Herstellungsprozess entkoppeln das Maßnehmen am Patienten von der Fertigung und können somit nicht nur dort Vorteile bieten, wo qualifiziertes Personal fehlt.

Rund 65 Millionen Menschen leben laut Angaben der WHO-nahen Organisation ATscale weltweit mit einer Gliedmaßenamputation. Jährlich kämen schätzungsweise etwa 1,5 Millionen teils mehrfach Amputatierte hinzu. Lediglich ein Bruchteil der Betroffenen sei versorgt. In Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen hätten nach WHO-Angaben nur fünf bis 15 Prozent der Bedürftigen Zugang zu einer adäquaten und passgenauen Prothese. Ein zentraler Engpass sei dabei der Mangel an ausgebildeten Fachkräften, die oft vielfach nur in Großstädten verfügbar wären.

An ebendieser Stelle setzt das Projekt NaRo-3D an, an dem das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), der Biowerkstoffhersteller Tecnaro und das Orthopädie-Unternehmen DOI ortho-innovativ beteiligt waren. Gefördert wurde das Vorhaben vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat (BMLEH) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR).

Hightech-Biowerkstoffe aus dem Drucker

Tecnaro verarbeitete Bio-Polyolefine, Bio-Polyester, Bio-Polyamide, Bio-TPU und Cellulosederivate mit verschiedenen Füllstoffen und Additiven zu 3D-druckfähigen Verbundwerkstoffen. Diese überzeugten gemäß Herstellerangaben mit guter Schmelze-Fließfähigkeit – wichtig für die Herstellung des fadenförmigen Monofils – sowie mit mechanischen Kennwerten, die teils über denen erdölbasierter Vergleichsprodukte lagen. Zwei Varianten erreichten laut Projekt gar den Charakter von Hochleistungswerkstoffen wie Titan oder Kohlefaser.

In den Druckversuchen von DOI erwiesen sich zwei Werkstoffe als besonders geeignet; ein Biopolyester mit 78 Prozent biobasiertem Kohlenstoffanteil sowie ein zu 100 Prozent biobasiertes Biopolyamid. Ein transparentes Filament aus Cellulosederivaten und Biopolyester, welches über einen biobasierten Kohlenstoffanteil von 46 Prozent verfügt, eignete sich zudem gut für die Herstellung von Testschäften, so der Hersteller.

Von der Bildgebung bis zum Druck

Das Fraunhofer IPA entwickelte eine virtuelle Schaftplanungsplattform für eine medienbruchfreie, digitale Planung und Fertigung. Diese nutzt die Bildgebungsverfahren MRT, Laserscanner und Ultraschall, aus deren Daten CAD- und Finite-Elemente-Modelle von Stumpf und Schaft entstehen. Per Finite-Elemente-Methode lassen sich Tragfähigkeit und Komfortverhalten in Wechselwirkung mit dem Stumpf bestimmen sowie Geometrie und Wandstärke der Prothese optimieren. Dass dabei neben den volumetrischen Spannungen auch die Schubspannungen des Stumpfs einfließen, bezeichnet das Projekt als Novum im Prothesenbau. Auch das Feedback langjähriger Prothesenträger hinsichtlich Prothesen aus Bio-Verbundstoffen hätte sich als positiv erwiesen.

Digitale Fertigung bleibt vorerst Nische

Statt der Anfertigung eines Gipsabdrucks, dem anschließenden Ausgießen mit Gießharzen und stundenlanger Handarbeit würden sich Messdaten theoretisch weltweit weiterverarbeiten lassen und wären dabei unabhängig von der Expertise vor Ort. Das sei besonders in Regionen mit Fachkräftemangel relevant.

Doch die Technik genieße derzeit noch wenig Verbreitung. Branchenschätzungen zufolge arbeiteten im DACH-Raum erst rund zehn bis 20 Prozent der orthopädietechnischen Betriebe zumindest teilweise digital; weniger als fünf Prozent der Prothesen würden tatsächlich 3D-gedruckt. Belastbare Versorgungsstatistiken würden der Bundesregierung nach eigenen Angaben nicht vorliegen. Als Bremsfaktoren gelten neben regulatorischen Anforderungen des Medizinprodukterechts sowie erhöhten Investitionsbedarfen für Scanner, Software und Drucker auch bislang ungeklärte Vergütungsstrukturen.

Relevanz für die Versorgung im globalen Süden

„Wir verbinden mit den Projektergebnissen nicht zuletzt die Hoffnung, über optimierte digitale Ansätze die orthopädische Betreuung in vielen Ländern zu verbessern“, sagt Karl-Heinz Trebbin, Orthopädietechnik-Meister und DOI-Geschäftsführer. Er selbst verfügt über langjährige Erfahrung in der Versorgung von amputierten Patienten in Südamerika, Afrika und Asien. Digitale Verfahren sollten orthopädisches Wissen aber „nicht ersetzen, sondern sinnvoll ergänzen“. Im Idealfall bleibe mehr Zeit für die individuelle Patientenbetreuung.

Das Fraunhofer IPA will seine virtuelle Messplattform Anwendern wie Sanitätshäusern und orthopädietechnischen Betrieben zugänglich machen. „Da für die Nutzung derzeit noch spezielle Programmkenntnisse notwendig sind, unterstützen wir Sanitätshäuser mit gezielten Pilotprojekten, die innovativen, digitalen Verfahren erfolgreich in ihre internen Prozesse zu integrieren“, betont Projektleiter Dr.-Ing. Okan Avci vom Fraunhofer IPA.

Tecnaro wiederum will die Markteinführung der neuen Verbundstoffe zügig vorantreiben und hat dabei nicht nur orthetische und prothetische Anwendungen im 3D-Druck im Blick. Die Firma plant darüber hinaus, spritzgegossene Endprodukte mit hoher Wärmeformbeständigkeit und Schlagzähigkeit für andere Fachbereiche anzubieten. Die Monofilamente sollen in Kürze über den Vertriebspartner Albis Distribution erhältlich sein. Der Abschlussbericht des Projekts kann auf der Webseite der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) eingesehen werden.

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