Fraunhofer: Medizinroboter aus dem Drucker soll Patienten und Ärzten helfen

3D-Drucker revolutionieren die Medizin

In absehbarer Zukunft werden Ärzte weltweit auf Roboter zurückgreifen können, die mithilfe von 3D-Druckern gefertigt werden. Sie sollen dabei helfen, die medizinische Behandlung sowohl für Patienten als auch für die behandelnden Ärzte deutlich zu vereinfachen. Primär geht es darum, die Entnahme von Gewebeproben bei Krebspatienten sowie die thermische Tumorbehandlung zu unterstützen.

Der Entwicklungsprozess des Roboters mag auf den ersten Blick sehr komplex erscheinen. Dennoch lässt sich der Medizinroboter in einem einzigen Prozess herstellen, obwohl die verschiedenen Komponenten aus unterschiedlichsten Materialien bestehen. Die Düsen des Druckers sind in der Lage, zwei unterschiedliche Polymerlösungen zu nutzen. Dabei können sie sowohl eine einzelne, aber auch eine gemischte Lösung verwenden und diese äußerst präzise auftragen. Mithilfe von UV-Licht werden die aufgetragenen Lösungen anschließend ausgehärtet. Nach und nach entsteht auf diese Weise ein vollständiger Medizinroboter.

Wer steckt hinter dem Projekt?

Der neuartige Roboter ist das Ergebnis einer Kooperation von 5 Forschergruppen. Die führende Leitung hat dabei die Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie des Fraunhofer IPA der Universität Heidelberg. Gemeinsam mit 4 weiteren Forschergruppen aus der Schweiz, Frankreich sowie Deutschland entstand das Projekt namens „SPIRITS“. Die wohlklingende Abkürzung steht für Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery.

Die gemeinsame Zielsetzung bestand darin, einen Medizinroboter zu entwickeln, der in puncto Größe und Gewicht so klein und gering ist, dass er gemeinsam mit dem Patienten in medizinischen Vorrichtungen wie Computertomographen geschoben werden kann. Mithilfe der hydraulischen Funktionen soll es dem Arzt dadurch möglich sein, den Patienten von zu behandeln, ohne sich selbst im Raum befinden zu müssen und sich somit vor Strahlung zu schützen.

3D-Druck als Lösung und Herausforderung

Die größte Herausforderung für die Forschergruppen war die Effektivität im Herstellungsprozess. Von Anfang an sollte der Medizinroboter so konzipiert werden, dass er in nur einem Schritt per 3D-Drucker gefertigt werden kann. Dies gestaltete sich allerdings als sehr schwierig, da die unterschiedlichen Komponenten aus diversen Materialien bestehen und dennoch voll funktionsfähig sein müssen. Die Lösung brachte letztlich ein Polyjet-Drucker, welcher die Materialien anhand spezieller Mischverfahren selbst herstellen kann.

Am Institut national des sciences appliquées de Strasbourg, kurz INSA genannt, werden derzeit die ersten Prototypen des Roboters gedruckt. Hebelarme inklusive der Gelenke wurden bereits erfolgreich getestet. Für den Antrieb ist ein hydraulisches System zuständig, welches am Fraunhofer-Institut in Heidelberg entwickelt wurde. Es nutzt lediglich 4 Millimeter dicke Rohre sowie Dichtungen und Kolben. Mithilfe des 3D-Drucks war es möglich, die Kolben so herzustellen, dass der erzeugte hydraulische Druck die Wirkung der Dichtungen zusätzlich verstärkt.

Da die Hydraulik bereits funktioniert, sollen dem Medizinroboter zeitnah weitere Komponenten hinzugefügt werden. Dazu gehört unter anderem eine intelligente Nadel, die über einen Kraftsensor verfügt, der wiederum eine haptische Rückkopplung besitzt. Auf diese Weise können Messergebnisse seitens des Kraftsensors in Widerstände umgewandelt werden. Somit kann der behandelnde Arzt genau spüren, ob er die Nadel bei der Behandlung durch weiches oder härteres Gewebe führt.

Erster Praxistest 2019

Wie der 3D-Druck beweist, ist es schon jetzt möglich, kleinste Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen zu verbinden. Insbesondere bei hochkomplexen Eingriffen und Untersuchungen wird sich dieser Fortschritt bemerkbar machen. Als einer der ersten Medizinroboter auf diesem Gebiet wird der Roboter des Projekts wohl noch Ende dieses Jahres erstmals an Dummys getestet werden. Die Ergebnisse dieser Tests werden sehnlichst erwartet, da sich anschließend zeigen wird, inwieweit eine Nachbearbeitung nötig ist und wann der Roboter erstmals in der Praxis angewandt werden kann.

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