Drei Prototypen der Atemwegsstents mit unterschiedlichen Designs
Drei Prototypen der Atemwegsstents mit unterschiedlichen Designs

Bild: aus Paunovic N, et al. ScieAdv, 2020

Digital Light Processing

Forscher drucken bioresorbierbare Atemwegsstents in 3D

Ein ​Forschungsteam der ETH Zürich stellt mittels einem 3D-​Druckverfahren einen neuartigen bioresorbierbaren Atemwegsstent her. Das könnte künftig die Behandlung von Verengungen der oberen Atemwege massiv vereinfachen.

Eine krankhafte oder verletzungsbedingte Verengung der Luftröhre oder der Hauptbronchien kann böse enden. Patienten bekommen zu wenig Luft, sie drohen zu ersticken und brauchen oft schnellstens medizinische Hilfe. Um solche Verengungen zu beheben, setzen Chirurgen den Betroffenen röhrenförmige Implantate (Stents) aus medizinisch verwendbarem Silikon oder Metall ein. Diese verschaffen den Patienten zwar rasch Besserung, doch die Implantate haben Nachteile: Metallstents müssen mit einigem Aufwand operativ entfernt werden, was Patienten erneut belastet. Silikon-Stents wiederum wandern weg von der Stelle des Einsetzens. Der Grund dafür ist, dass die Implantate nicht an die Anatomie eines Patienten angepasst sind.

Ein ETH-Forschungsteam, zusammengesetzt aus Mitgliedern der Gruppen Komplexe Materialien und Drug Formulation & Delivery, hat nun gemeinsam mit Forschenden des Universitätsspitals und der Universität Zürich einen Atemwegsstent entwickelt; dieser ist auf einen Patienten zugeschnitten und bioresorbierbar, baut sich also nach dem Einpflanzen nach und nach ab. Hergestellt werden diese Stents mit einem 3D-Druckverfahren ('Digital Light Processing', DLP) und eigens zu diesem Zweck angepassten, lichtempfindlichen Harzen.

Dieser Artikel könnte Sie auch interessieren

Photo

Stentgrafts aus der 3D-Webmaschine

Forscher weben maßgeschneiderte Herz-Implantate

Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind nach wie vor die häufigste Todesursache in Deutschland. So können beispielsweise Aneurysmen, also ballonartige Aussackungen von Blutgefäßen, reißen und Schlaganfälle verursachen. Man behandelt Aneurysmen mit künstlichen Blutgefäßen aus Kunststoff in Assoziation mit stabilisierenden Drahtringen. Diese so genannten Stentgrafts werden fast…

Zuerst erstellen die Forschenden eine Computertomografie eines spezifischen Abschnitts der Atemwege. Darauf basierend entwickeln sie ein digitales 3D-Modell des Stents. Die Daten werden an den DLP-Drucker weitergegeben, der den massgeschneiderten Stent Schicht für Schicht herstellt. Beim DLP-Verfahren wird eine Bauplattform in eine Wanne voller Harz getaucht. Die Plattform wird dann gemäss dem digitalen Modell an den gewollten Stellen mit UV-Licht belichtet. Dort, wo Licht aufs Harz auftrifft, wird es hart. Die Plattform wird ein wenig gesenkt und die nächste Schicht belichtet. So entsteht das gewünschte Objekt Schicht für Schicht.

Bislang konnten mit der DLP-Technik und bioabbaubaren Materialien nur steife und spröde Objekte hergestellt werden. Die ETH-Forschenden entwickelten deshalb ein spezielles Harz, welches nach der Belichtung elastisch wird. Dieses Harz basiert auf zwei verschiedenen Makro-Monomeren. Die Materialeigenschaften des damit erzeugten Objekts lassen sich über die Länge (Molekulargewicht) der eingesetzten Monomere sowie über deren Mischverhältnis steuern, wie die Forscher in ihrer jüngsten Studie in Science Advances aufzeigen. Sobald UV-Licht auf das Harz trifft, verknüpfen sich die Monomere untereinander und bilden ein Polymer-Netzwerk. Da das neu entwickelte Harz bei Raumtemperatur zu zähflüssig ist, mussten die Forschenden es bei Temperaturen von 70 bis 90 Grad verarbeiten.

Diese vielversprechende Entwicklung eröffnet Aussichten für die rasche Herstellung von maßgeschneiderten medizinischen Implantaten und Hilfsmitteln, die sehr genau, elastisch und im Körper abbaubar sein müssen

Jean-Christophe Leroux

Die Forschenden stellten mehrere Harze mit unterschiedlichen Monomeren her und testeten daraus gefertigte Prototypen, ob das Material zellverträglich und biologisch abbaubar ist. Auch prüften sie die Prototypen auf ihre Elastizität und auf mechanische Belastung wie Druck und Zug. Das Material mit den gewünschten Eigenschaften verwendeten die Wissenschaftler schliesslich für die Herstellung von Stents, welche an Kaninchen getestet wurden. Das Einsetzen der Stents erforderte zudem ein spezielles Instrument, da die 3D-gedruckten Objekte gefaltet eingebracht werden müssen. Dies setzt voraus, dass sich die Implantate weder knicken noch quetschen lassen und dass sie sich an ihrem Einsatzort perfekt entfalten.

Um mithilfe medizinischer Bildgebung nachverfolgen zu können, wo sich der Stent beim Einsetzen befindet, bauten die Forschenden Gold in dessen Struktur ein. Das macht die Stents stabil, ändert aber nichts an deren Biokompatibilität.

Die Tests an den Kaninchen, welche die Forschungsgruppe von Daniel Franzen, Leitender Arzt an der Klinik für Pneumologie am Universitätsspital Zürich, zusammen mit Veterinärmedizinern durchführte, verliefen erfolgreich. Die Forschenden konnten zeigen, dass die Implantate biokompatibel sind und dass sie nach sechs bis sieben Wochen vom Körper resorbiert werden. Zehn Wochen nach der Implantierung war der Stent auf Röntgenaufnahmen nicht mehr sichtbar. Zudem bewegten sich die eingesetzten Stents in der Regel nicht von der Stelle, an der sie eingepflanzt wurden. "Diese vielversprechende Entwicklung eröffnet Aussichten für die rasche Herstellung von maßgeschneiderten medizinischen Implantaten und Hilfsmitteln, die sehr genau, elastisch und im Körper abbaubar sein müssen", sagt Jean-Christophe Leroux. Weitere Forschung werde darauf konzentriert, das Einsetzen der Stents so schonend wie möglich zu gestalten.

Weiter sollen die Prozesse so gestaltet werden, dass die Herstellung am Ort der Verwendung möglich wird, oder zumindest kurze Lieferketten umfasst. Noch steckt das Verfahren im Labormaßstab. "Solche Stents in grossem Maßstab herzustellen, ist allerdings ein komplexes Unterfangen, das wir noch besser untersuchen müssen", sagt André Studart. Die Technik lasse sich jedoch relativ leicht auf ähnliche medizinische Anwendungen übertragen. "Es ist daher hoffentlich nur eine Frage der Zeit, bis unsere Lösung ihren Weg in die Klinik findet", so der ETH-Professor.


Quelle: ETH Zürich

05.02.2021

Mehr aktuelle Beiträge lesen

Verwandte Artikel

Photo

Höhere Auflösung, schnellere Produktion

Knorpel-Knochenersatz aus dem 3D-Drucker

Mit Hilfe der 3D-Lithografie via Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) von bioabbaubaren Copolymeren wurden erstmalig 3D-Scaffolds von einem Kubikzentimeter mit Substrukturen im Mikrometermaßstab in…

Photo

3D-gedruckte Mikrogerüste

Stresstest: Zellen auf der "Streckbank"

Das Verhalten von Zellen wird durch ihre Umgebung gesteuert. Neben biologischen Faktoren und chemischen Substanzen geraten auch physikalische Kräfte wie Druck oder Zug in den Fokus. Eine Methode,…

Photo

Winziger 3D-Druck

Forscher entwickeln Nadelspitzen-großes Miniaturlabor

Während in der Elektrotechnik die Miniaturisierung schon weit vorangeschritten ist, füllt die Analyse- und Prozesstechnik in Medizin und Biochemie heute noch ganze Labore. Forschende der…

Verwandte Produkte

Newsletter abonnieren