Medizinroboter aus dem Drucker

Für die Tumorther­a­pie der Zukun­ft entwick­eln fünf inter­na­tionale Forscherteams einen Robot­er. Obwohl dieser aus Dutzen­den von Kom­po­nen­ten, Gelenken und Aktoren mit unter­schiedlichen Mate­ri­aleigen­schaften beste­ht, lässt er sich mit einem 3D-Druck­er in einem einzi­gen Prozesss­chritt herstellen.

Knopf­druck genügt, den Rest erledigt der 3D-Druck­er selb­st­tätig. Ähn­lich wie bei einem Tin­ten­strahldruck­er wird Flüs­sigkeit auf eine Ober­fläche gesprüht. Statt unter­schiedlich­er Far­ben ver­wen­det der Poly­Jet-Druck­er jedoch Kun­st­stoff: Die Düsen kön­nen zwei unter­schiedliche Poly­mer-Lösun­gen einzeln oder gemis­cht punk­t­ge­nau auf­tra­gen. UV-Licht härtet die Kun­st­stoffe aus, bevor die näch­ste Lage aufge­tra­gen wird. So entste­ht Schicht für Schicht ein Medi­z­in­ro­bot­er. Wenn die Entwick­lung abgeschlossen ist, soll der Robot­er Ärzte bei der Ent­nahme von Gewe­beproben und bei der Ther­mis­chen Tumor­be­hand­lung unterstützen.

“Die Posi­tion­ierung ein­er Nadel oder Sonde bei einem solchen min­i­ma­l­in­va­siv­en Ein­griff ist eine beson­ders schwierige Auf­gabe, denn der Medi­zin­er kann sich am besten mit Hil­fe von Com­put­er­to­mo­gra­phie- oder MRT-Bildern ori­en­tieren – und das heißt, dass er arbeit­en muss, während der Patient in ein­er engen Röhre liegt. Da bleibt kaum Beweg-ungsfreiheit.”

Mar­ius Sieg­far­th von der Pro­jek­t­gruppe für Automa­tisierung in der Medi­zin und Biotech­nolo­gie (PAMB) des Fraun­hofer IPA an der Medi­zinis­chen Fakultät Mannheim der Uni­ver­sität Heidelberg

Der Robot­er, den sein Team zusam­men mit vier weit­eren Forscher­grup­pen aus Deutsch­land, Frankre­ich und der Schweiz im Pro­jekt Spir­its entwick­elt, ist so klein und leicht, dass er zusam­men mit dem Patien­ten in die Röhre geschoben wer­den kann. Steuern lässt er sich über eine Hydraulik von außen – der Arzt kann also ein paar Meter ent­fer­nt und sog­ar in einem anderen Raum sitzen, wo er im Falle ein­er CT-Auf­nahme vor Strahlung geschützt ist. Die Abkürzung Spir­its ste­ht dabei für Smart Print­ed Inter­ac­tive Robots for Inter­ven­tion­al Ther­a­py and Surgery.

“Die Her­aus­forderung des Pro­jek­ts lag darin, ein Design zu entwick­eln, das sich mit einem Poly­Jet-Druck­er in einem einzi­gen Schritt fer­ti­gen lässt, gle­ichzeit­ig aber aus voll funk­tions­fähi­gen Kom­po­nen­ten beste­ht – beispiel­sweise Drehge­lenken mit Hydrau-likak­tu­a­toren und einem Antrieb für den Nadelvorschub. All diese Kom­po­nen­ten haben unter­schiedliche Mate­ri­aleigen­schaften”, erläutert Siegfarth.

Am Insti­tut nation­al des sci­ences appliquées de Stras­bourg, INSA, wo das Spir­its-Pro­jekt koor­diniert wird, druckt der Poly­Jet bere­its die ersten Pro­to­typen. Diese ver­fü­gen über Hebe­larme, die über Gelenke ver­bun­den sind. Mit ihnen lässt sich eine Nadel um den Ein­stich­punkt in alle Raum­rich­tun­gen rotieren. Für den Antrieb sorgt ein hydraulis­ches Sys­tem, eine Entwick­lung der PAMB-Forsch­er: Winzige Rohre mit Durchmessern von ger­ade mal 4 Mil­lime­tern, Dich­tun­gen und Kol­ben. Das Beson­dere daran: Die Kol­ben kon­nten durch die 3D-Fer­ti­gung­stech­nik so gestal­tet wer­den, dass der Hydraulik­druck auf die Dich­tung wirkt und deren Wirkung verstärkt.

Erste Tests zeigen, dass der Hydraulik-Antrieb aus dem 3D-Druck­er funk­tion­iert. In den näch­sten Monat­en wer­den weit­ere Kom­po­nen­ten in den Pro­to­typ inte­gri­ert: die intel­li­gente Nadel mit Kraft­sen­sor beispiel­sweise, eine Entwick­lung der École poly­tech­nique fédérale de Lau­sanne, EPFL. Den Vorschub­mech­a­nis­mus für die Nadel haben INSA-Forsch­er erar­beit­et. Dazu kommt die “hap­tis­che Rück­kop­pelung”. Sie ver­wan­delt die Messergeb­nisse des Kraft­sen­sors in Wider­stände, die der Arzt spürt, wenn er die Nadel durch weicheres oder härteres Gewebe führt. Erar­beit­et wurde diese Rück­kop­pelung von Forsch­ern der Hochschule Furt­wan­gen. Und an der Fach­hochschule Nord­westschweiz FHNW entste­hen derzeit druck­bare, nicht­mag­netisier­bare Met­al­lkom­po­nen­ten für die näch­ste Gen­er­a­tion von Pro­to­typen. Der erste voll­ständig gedruck­te Medi­z­in­ro­bot­er soll noch 2019 an Dum­mys getestet werden.

Mit einem Gesamt­bud­get von 1,67 Mio € wird Spir­its vom Pro­gramm Inter­reg V Ober­rhein mit 436 201 € des EFRE (Europäis­ch­er Fonds für regionale Entwick­lung) kofi­nanziert. Im Rah­men der Ini­tia­tive “Offen­sive Sci­ences”, welche gren­züber­schre­i­t­ende Spitzen­forschung­spro­jek­te finanziert, wird das Pro­jekt zusät­zlich von regionalen und kan­tonalen Part­nern unter­stützt. So wird das Pro­jekt von der Großre­gion Ost, dem Land Baden-Würt­tem­berg, dem Land Rhein­land-Pfalz, der Schweiz­erische Eidgenossen­schaft, dem Kan­ton Aar­gau, dem Kan­ton Basel-Stadt und dem Kan­ton Basel-Land­schaft mitfinanziert.