Medizinroboter aus dem Drucker

Mannheim/Heidelberg. Für die Tumortherapie der Zukunft entwickeln fünf internationale Forscherteams, darunter das Fraunhofer IPA, 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.

Ein Knopfdruck genügt, den Rest erledigt der 3D-Drucker: Ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker wird Flüssigkeit auf eine Oberfläche gesprüht. Statt unterschiedlicher Farben verwendet der PolyJet-Drucker allerdings 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, teilt das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Mannheim mit.

Künftig 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 Bewegungsfreiheit”, erklärt Marius Siegfarth von der Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie (PAMB) des Fraunhofer IPA an der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg.

Roboter kann gemeinsam mit dem Patienten in die Röhre geschoben werden

Der Roboter, den ein Team zusammen mit Forschern aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz im Projekt „Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery" (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. 

Am "Institut national des sciences appliquées de Strasbourg", das das Spirit-Projekt koordiniert, druckt der PolyJet laut Fraunhofer IPA bereits erste Prototypen. Diese haben 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 vier Millimetern, Dichtungen und Kolben.

Der erste gedruckte Medizinroboter soll noch 2019 an Dummys getestet werden

Das Besondere daran: Die Kolbenkonnten durch die 3D-Fertigungstechnik so gestaltet werden, dass der Hydraulikdruck auf die Dichtung wirkt und deren Wirkung verstärkt, heißt es in der Mitteilung weiter. 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".

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 von Forschern der Hochschule Furtwangen. Und an der Fachhochschule Nordwestschweiz entstehen derzeit druckbare, nichtmagnetisierbare Metallkomponenten für die nächste Generation von Prototypen. Der erste gedruckte Medizinroboter soll noch 2019 an Dummys getestet werden.

Das Programm "INTERREG V Oberrhein"
Mit einem Gesamtbudget von 1,67 Millionen Euro wird das Forschungs-Projekt Spirits vom Programm "INTERREG V Oberrhein" mit 436 201 Euro aus dem Europäischen 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.