Deutscher Forscher der Universität Freiburg und der Universität Stuttgart haben eine Methode entwickelt, wie sie mit 4D-gedruckten Orthesen die Behandlung von Patienten verbessern können. Die entstandene Orthese orientiert sich an der „Luftkartoffel“, einer Pflanze aus der Natur. Sie sorgt an den richtigen Stellen für den nötigen Druck und ist selbstjustierend.

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Ein Team von Forschern der Universität Stuttgart und der Universität Freiburg hat eine Methode für den 4D-Druck einer Orthese entwickelt, die sich genau an die Anatomie des Patienten anpasst. Sie verändert die Form oder das Verhalten im Laufe der Zeit und entstand inspiriert von der „Luftkartoffel“ (Dioscorea bulbifera). Dabei handelt es sich um eine invasive Rebe, die sich leicht um den Stamm ihrer Wirtspflanze wickelt und „Stipulen“ an der Oberfläche freisetzt. Die Bewegung ist strukturell vorgegeben und benötigt kaum innere Stoffwechselenergie der Pflanze. Die Forscher können diese Bewegungen mit funktionalen additiv gefertigten Doppelschichten nachbilden.

Details zur 4D-gedruckten Orthese

Die Wissenschaftler waren in der Lage, die mechanischen Bewegungen der D. Bulbifera in ein computergestütztes Design für eine gängige orthetische Unterarm-Handgelenk-Schiene zu übertragen. Ihre Arbeit haben sie in einem Artikel mit dem Titel „Bio-Inspired Motion Mechanisms: Computational Design and Material Programming of Self-Adjusting 4D-Printed Wearable Systems“ in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlicht.

Detailbilder zur 4D-Druck-Schiene
Die 4D-gedruckte Schiene (im Bild im Detail) soll die Behandlung und Lebensqualität des Patienten verbessern (Bild © Advance Science).

Die Orthese passt sich exakt an den Arm des Patienten an, formt und strafft sich. Sie wird mit einem stimuli-reaktiven Betätigungsmaterial in Kombination mit einem Holzfilament gedruckt. Komplexe Strukturen von Taschenmechanismen üben Druck aus und ziehen gewünschte Bereiche fest. Für die selbstjustierende Schiene wird zunächst der Arm des Patienten mit einem 3D-Scanner erfasst und digital konstruiert. Anschließend entwirft ein Mediziner die Schiene für den Patienten. Das Schienendesign wird nun zu einer bearbeitbaren Oberfläche. Jeder Bewegungsmechanismus der abgerollten Schiene ist mit den Zielkrümmungsinformationen, Biegerichtungen, Orientierungen und Größen programmiert. Schließlich werden die Werkzeugwege generiert und das Teil hergestellt.

Bessere Unterstützung für den Patienten

Die feuchtigkeitsstimulierten adaptiven Spannorthesen und -Prothesen können den Forschern zufolge die Heilung verbessern. Die Schiene könnte so gestaltet werden, dass sie bei Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit Druck ablässt und eine Belüftung ermöglicht. Länger eingesetzte Schienen könnten so programmiert werden, dass sie sich im Laufe der Zeit straffen und Muskelschwund kompensieren.

Herkömmliche Prothesen und Orthesen werden in Massenfertigung oder mit Gipsabgüssen und Formteilen hergestellt. Sie müssen im Laufe der Zeit überarbeitet und angeglichen werden. Mit der additiven Fertigung könnte ein Produkt entstehen, das vollständig an die einzigartige Anatomie des Patienten angepasst wird. Die niederländische Feldhockey-Nationalspielerin Eva de Goede profitierte ebenfalls von einer additiv gefertigten Orthese, die sie nach einem Unfall wieder einsatzfähig für die Feldhockey-EM 2021 machte.

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