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.