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Implantat ersetzt defekte Venenklappe
Stuttgart (1. März 2012) – Schließen Herzklappen nicht richtig, werden sie ersetzt. Versagen hingegen Venenklappen, behandeln Ärzte dies bislang ausschließlich medikamentös. Künftig soll ein Implantat die Funktion des beschädigten Ventils übernehmen. Mit einem neuartigen Dosierwerkzeug lassen sich die Prothesen automatisiert fertigen.
Sie ist eines der häufigsten Krankheitsbilder – die chronisch venöse Insuffizienz (CVI).Fast zehn Millionen Bundesbürger leiden an einer behandlungsbedürftigen Venenschwäche, Frauen sind doppelt so oft betroffen wie Männer. Ursächlich für die Volkskrankheit ist eine eingeschränkte Funktionsfähigkeit der Beinvenenklappen. Schließt das Venenventil nicht mehr richtig, folgt das Blut der Schwerkraft und fließt – wenn das Herz nicht gerade pumpt – in die Beine, wo es sich staut. In der Folge kommt es zu Ödemen, bei besonderen Schweregraden treten offene Geschwüre auf.
Meist wird die CVI mit Entzündungshemmern und Wassertabletten behandelt. Ein Venenklappenimplantat zur Therapie der Erkrankung gibt es weltweit bislang noch nicht. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart wollen diese Lücke schließen. In enger Zusammenarbeit mit vier Industriepartnern und dem Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik RWTH Aachen entwickelten sie in eine Produktionsanlage, mit der sich Venenklappenprothesen aus dem Kunststoff Polycarbonaturethan (PCU) automatisiert herstellen lassen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi förderte das Projekt.
Herzstück der Anlage ist ein 3D-Tröpfchendosierwerkzeug, mit dem die Forscher verschiedene Härtegrade eines Polymers, Shore-Härten, präzise auf Freiformflächen aufbringen und kombinieren können. »Die 3D-Tröpfchendosiertechnik ist ein schichtweise arbeitendes, generatives Verfahren, mit dem sich dreidimensionale Geometrien aus einem Polymer herstellen lassen«, erläutert Dr. Oliver Schwarz, Gruppenleiter am IPA. Die Wissenschaftler verwenden PCU, da es sich durch eine hohe Belastbarkeit und Flexibilität auszeichnet. Zudem kann es gut mit umgebendem Gewebe vernäht werden. PCU-Gebilde sind in sehr dünnen Schichtdicken herstellbar – ideale Voraussetzung für die hauchzarten Venensegelklappen. »Mit PCU in Kombination mit unserer 3D-Tröpfchen-Dosierkinematik können wir fließende Materialübergänge aus sechs verschiedenen Elastizitäts- und Härtegraden erzielen – ganz ohne Sollbruchstellen, genauso wie es in der Natur bei hochbelasteten Strukturen angewandt wird. Per Spritzguss ist das nicht machbar«, sagt Schwarz.
Doch wie entsteht aus dem PCU die Venenklappenprothese? Zunächst werden die Polymere in einem Lösungsmittel aufgelöst und mithilfe des Dosierwerkzeugs tröpfchenweise bis auf 25 Mikrometer genau auf eine Venenklappenprothesenform abgesetzt. Pro Sekunde kann das System bis zu 100 Tröpfchen mit einem Volumen von 2 bis 60 Nanoliter abgeben. Eine 6-Achs-Kinematik positioniert den Piezodosierer präzise über der Form. Ist diese vollständig betropft, wird sie mit einem warmen Stickstoffvolumenstrom überströmt. Infolgedessen verdunstet das Lösungsmittel – zurück bleibt das Polymer. In einem erneuten Dosiervorgang wird eine weitere Schicht aufgetragen. Abschließend lässt sich die Polymerprothese von der Form abziehen. Den so gefertigten Klappenersatz können Ärzte per Katheter durch die Haut in die Beinvene implantieren.
Neben dem Dosierer besteht die Produktionsanlage aus zahlreichen Komponenten. Die Experten vom IPA zeichnen unter anderem für das Befüllungs- und Überwachungssystem, die Trocknungsanlage, die gesamte Reinraumbox und die Steuerung der 6-Achs-Kinematik verantwortlich. »Es ist uns gelungen, die bisher für Fräsmaschinen genutzte Beckhoff-Steuerung so umzuprogrammieren, dass wir damit generative Prozesse regeln können«, freut sich Schwarz. Mit ihrer Lösung sind der Forscher und sein Team künftig in der Lage, dünnwandige hochbelastete Implantate zu fertigen, also etwa auch Herzklappen oder Bandscheiben. Einen Prototyp des 3D-Tröpfchendosierers präsentieren die Wissenschaftler vom IPA auf der Messe Medtec Europe 2012 vom 13. bis 15. März in Stuttgart (Halle 6, Stand 6211).
Abb.: Die fertig produzierte Venenklappe ist hochbelastbar. © Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen
Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 01.03.2012 (tB).