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Hauchdünne Knochensäge bekommt im 3D-Druck Kühlkanäle

3D-Druck
Medizinprodukt im 3D-Druck: Knochensäge mit integrierter Kühlung

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Forscher der Leibniz-Universität in Hannover arbeiten an einem Medizinprodukt, das Gewebeschädigungen und Infektionen bei Implantat-Operationen verhindern soll: eine Säge mit integrierten Kühlkanälen. Der 3D-Druck macht’s möglich.

Zahlreiche chirurgische Eingriffe, etwa die Implantation von Knie- und Hüftgelenken, erfordern den Einsatz oszillierender Knochensägen. Allein in Deutschland werden jährlich weit mehr als 400.000 Hüft- und Knieendoprothesen implantiert – Tendenz steigend. Wie jede Operation birgt aber auch die Implantation einer Endoprothese Risiken. Neben Blutungen und Thrombosen kann es zu einer postoperativen Lockerung des Implantats kommen, beispielsweise durch Infektionen oder so genannte Osteonekrosen, also das Absterben von Knochenabschnitten. Diese Komplikationen können durch den spanenden Sägeprozess entstehen, der notwendig ist, um erkranktes oder störendes Knochenmaterial zu entfernen.

Die Ursache solcher Probleme können Gewebeschädigungen sein, die durch die Wärmeentwicklung beim Sägen während der Operation ausgelöst werden. Derzeit soll das durch sequenzielles Arbeiten sowie eine von außen zugeführte Kühlung mit Kochsalzlösung verhindert werden. Dabei steigt jedoch das Risiko einer Infektion.

Hitze beim Sägen am Knochen – inklusive Rauch und Dampf

„Bei einer Knie-OP kann es schon mal etwas rauchen und dampfen, die Temperaturen sind ziemlich hoch“, sagt Sarah Busemann, die als Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover arbeitet. Biomedizinforschung und -technik sind Forschungsschwerpunkte der Universität. Im Projekt „Sägen ohne Schäden“, das die Forscherin seit Anfang 2019 bearbeitet, sollen nun Risiken der Gewebeschädigung sowie der Infektion gesenkt werden. „Wir entwickeln mit Hilfe der additiven Fertigung ein Werkzeug mit innenliegenden geschlossenen Kühlkanälen“, sagt sie.

Handgeführte, oszillierende Knochensägen verursachen Reibung zwischen Knochen und Sägeblatt. Versuche an Kunstknochen mit konventionellen Sägeblättern zeigen, dass es partiell zu Temperaturen von über 100 °C kommen kann. Die dabei entstehende Wärme überschreitet den physiologisch unkritischen Bereich und führt bereits bei über 42 °C zu Schäden im Gewebe. Bisher genutzte Methoden reichen nicht aus, um die Gefahr einer thermisch ausgelösten Osteonekrose auszuschließen.

3D-Druck schafft die Möglichkeit, das Medizinprodukt zu verbessern

Bislang gab es aus technischer Sicht keine Möglichkeit, die nur 0,9 bis 1,5 Millimeter dicken, konventionell verwendeten Sägeblätter mit einem innenliegenden Kühlkanalsystem auszustatten. Inzwischen bietet das Metall-Laserschmelzen hierfür neue Chancen, und da setzt das Projekt „Sägen ohne Schäden“ an. Gemeinsam mit den Industriepartnern Bionic Production GmbH aus Lüneburg und der Lemgoer Gebr. Brasseler GmbH wird die additive Fertigungstechnologie eingesetzt, um Sägeblätter mit innenliegenden geschlossenen Kühlkanälen zu entwickeln und zu realisieren.

Die Ursprungsidee, chirurgische Werkzeuge mit Kühlkanälen auszustatten, entstand im Institut und wurde zunächst an Bohrwerkzeugen erprobt. Am Markt erhältliche gekühlte Bohrer lieferten Inspirationen – allerdings mit dem Unterschied, dass die Kühlkanäle bei den neuen Bohrern geschlossen waren und so keine Kühlflüssigkeit austreten konnte. Die additive Fertigung machte solche Lösungen möglich. Der Gedanke, den Ansatz auf Sägeblätter zu übertragen, entstand im persönlichen Kontakt mit einem Medizinproduktehersteller.

Mit 130 ml Wasser pro Minute wird das Sägeblatt nicht heiß

Zum Kühlen der Sägen haben die Projektpartner Wasser mit Temperaturen zwischen 0 °C und 20 °C getestet, wobei verschiedene Volumenströme simuliert wurden. Bei einem Volumenstrom von 130 ml pro min und einer Kühlmitteltemperatur von 15 °C ließ sich die Temperatur des Sägeblattes im Einsatz in einen Bereich von 17 bis 38 °C halten. Simuliert wurde mit einem Wärmestrom, der bei ungekühltem Sägeblatt eine Temperatur von 200 °C erzeugt. Wärmestrom und Kühlung liefen dabei parallel.

„Die Ergebnisse unserer Fluidsimulationen und Analogieversuche an ersten gedruckten, mit Kühlkanälen versehenen Sägeblättern sind vielversprechend. Wir konnten die Temperaturen in einen physiologisch verträglichen Bereich senken“, fasst Sarah Busemann zusammen. In weiteren Simulationen und Einsatzversuchen der Sägeblätter wird nun in Zusammenarbeit mit den Partnern das „optimale“ Sägeblatt entwickelt, das sowohl die erforderliche mechanische Stabilität aufweist als auch die notwendige Kühlleistung erreicht. (op)


Kontakt zu den Forschern

ifw
Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen
PZH / Leibniz Universität Hannover
An der Universität 2
30823 Garbsen
Website: www.ifw.de


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