Medizintechnik

Medizintechnik
3D Lasertechnik hilft beim Aufbau von neuem Gewebe
Der Eifelturm ist vermutlich das häufigste Modell für 3D-Drucker. Ähnlich strukturiert, nur viel kleiner
sind so genannte Scaffolds: das sind Implantate, auf deren netzartiger Struktur neues Gewebe wachsen
soll. Solche Implantate werden seit einigen Jahren mit 3D-Laserdruckern hergestellt und zeigen was
diese Technik wirklich leisten kann: Individuelle Formen schnell und präzise herstellen. Egal ob es sich
um Zahnersatz, künstliche Gelenke oder eben Scaffolds handelt, jedes Teil ist anders und die Herstellung
mit klassischen Technologien eher schwierig. Mit dem Laser können Implantate auch mit komplexen,
zellularen Strukturen versehen werden, die das Einwachsen von neuem Knochen und Gewebe in das
gesamte Implantat begünstigen. Heute werden Scaffolds aus einer resorbierbaren Magnesiumlegierung
hergestellt und anschließend sogar mit dem Laser poliert.
Motorteile, Elemente von Flugzeugturbinen und medizinische Implantate – sie alle haben komplexe Geometrien
und oft auch besondere Materialien gemeinsam. Mit speziellen 3D-Laserdruckern werden solche komplizierten
oder besonders filigranen Komponenten hergestellt. Der Vorgang ist eigentlich ganz einfach: Ein feiner
Laserstrahl wird auf eine Schicht Materialpulver gerichtet und schmilzt es entlang einer bestimmten Kontur. Das
wird Schicht für Schicht wiederholt bis aus den Linien ganze dreidimensionale Gebilde entstehen – in beliebigen
Formen. Wenn nötig werden Stützstege mit aufgebaut, aber grundsätzlich sind fast alle Geometrien machbar.
Eines der ersten praktischen Beispiele ist Zahnersatz, der inzwischen serienmäßig mit dem Laser hergestellt
wird. Für andere Implantate wird nicht nur Biokompatibilität gefordert. Vielmehr müssen die Oberflächen das
Anwachsen von menschlichem Gewebe ermöglichen. Mit dem passenden Laserverfahren lassen sich inzwischen
wahlweise glatte oder raue Oberflächen erzeugen.
Spannend wird das Ganze, wenn als Material natürliche oder künstliche Polymere benutzt werden. Damit lassen
sich nicht nur Strukturen wie Scaffolds aufbauen. Auch vorhandene Polymerstrukturen können perforiert oder
lokal verschweißt werden. Ziel ist dann die Zellbesiedlung dieser Strukturen für den nachfolgenden Aufbau von
biologischem Gewebe (Tissue Engineering). So entstehen auf der laserbearbeiteten Struktur komplette neue
Gewebeabschnitte.
Neben den eher kleinen Strukturen für die Medizin gibt es inzwischen aber auch ganz andere Ideen: Im EUgeförderten AMAZE Projekt werden Strukturgrößen bis 2 Meter anvisiert. Der entsprechende 3D-Laserdrucker
soll zum Beispiel auf einer Raumstation Ersatzteile produzieren – bis hin zu kompletten Satelliten.
Hintergrundinformationen:
Thema: Herstellung maßgeschneiderter Implantate mittels Selective Laser Melting, lasergestützter Transport von
biologischem Material (LIFT)
Video: http://youtu.be/omu-gMtLSj8
AMAZE-Projekt
Ansprechpartner: Axel Bauer, Fraunhofer ILT, [email protected]
OCT: Mit dem Laser ins Auge schauen
Die Augen sind unsere wichtigsten Organe um die Welt wahrzunehmen. Entsprechend groß ist die Angst
vor dem Verlust der Sehkraft. Augenärzte können dafür eine Technik nutzen, bei der der
Augenhintergrund mit dem Laser untersucht wird. Das Verfahren liefert hochaufgelöste 3D-Aufnahmen
von der Netzhaut und damit entscheidende Daten für die Vorsorge oder Behandlung verschiedener
Augenerkrankungen. Optische Kohärenztomographie (OCT) nennen die Fachleute diese Technik, die vor
30 Jahren am MIT entwickelt wurde. Heute ist OCT nicht mehr auf das Auge beschränkt. Sowohl in der
Herzchirurgie als auch in materialwissenschaftlichen Anwendungen bewährt sich das Verfahren.
Eine der weltweit häufigsten Ursachen für Blindheit ist das Glaukom. Darunter versteht man eine Reihe von
Erkrankungen, bei denen Nervenfasern im Auge angegriffen werden, was im Extremfall zur Erblindung führen
kann. Schätzungen zufolge sind in Deutschland etwa eine Million Menschen von einem Glaukom betroffen. Dank
der Früherkennung und besserer Behandlungsmethoden hat sich das Risiko der Erblindung zwischen den Jahren
1980 und 2000 halbiert.
Optische Kohärenztomographie ist ein Verfahren zur Früherkennung verschiedener Augenerkrankungen, bei
dem der Augenhintergrund mit schwachem Laserlicht abgetastet wird. Dank ausgefeilter Laser- und
Computertechnik liefert das Verfahren Schnittbilder wie man sie vom Ultraschall kennt, nur hier mit einer
Auflösung im Mikrometerbereich. Während klassische ophthalmologische Geräte wie zum Beispiel eine
Funduskamera nur „sehen“ oder fotografieren können, lassen sich mit OCT nicht-invasiv Volumendaten der
Netzhaut aufnehmen und virtuelle Schnittbilder erzeugen. Bei einem typischen OCT Gerät (zum Beispiel aus der
CIRRUS Familie von ZEISS) liegt die Auflösung bei axial 5 μm (im Gewebe), und transversal bei 15 μm (im
Gewebe). Die Geschwindigkeit hat sich im Vergleich zu früheren OCT-Geräten verhundertfacht. Das macht die
Untersuchung für den Patienten angenehmer.
Damit wird die Früherkennung und das Behandlungsmonitoring beim Glaukom auf eine völlig neue Ebene
gehoben. Aber auch andere medizinische Disziplinen profitieren von der neuen Technik: Bei Herz-KreislaufErkrankungen lassen sich mit dem Herzkatheder OCT-Sonden durch die gefährdeten Herzkranzgefäße fahren.
Eine OCT-Messung dauert nur wenige Sekunden und liefert auch ohne Kontrastmittel einen Blick ins Gewebe,
die sogenannte virtuelle Histologie. Interessant ist diese Methode auch bei der Untersuchung von
Spenderherzen, wo mit OCT Gefäße von innen auf Veränderungen der Gefäßwandstruktur und Verengungen
untersucht werden können.
In der Materialwissenschaft werden OCT-Systeme zur Untersuchung von oberflächennahen Strukturen
eingesetzt. Sie finden kleine Hohlräume, Risse oder Delaminierungen in bis zu 1 mm Tiefe.
Hintergrundinformationen:
Thema: von der Spaltlampe zu OCT - ophthalmologische Diagnostik im Wandel der Zeiten
Mediziner: Prof. Dr. Dr. Wolfgang Wiegand, Chefarzt Klinik für Augenheilkunde Asklepios Klinik Hamburg
http://tv.doccheck.com/de/movie/1804/augenheilkunde
Thema: Detektoren für OCT mit Potential zur funktionalen Bildgebung ermöglichen eine Qualität in der optischen
Biopsie, welche genutzt werden kann, um bspw. Gewebe- und Zellfunktionen sowie Morphologie zu begutachten.
Photon Counter. Häufigste Anwendungsfelder für Einzelphotonenzählwerke finden sich in der Biolumineszenz
und Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS), deren Grundlage meist ein konfokales Mikroskop bildet. Das
Anregungslicht wird mit Hilfe eines Objektivs in die Probe fokussiert. Diffundieren fluoreszierende Teilchen (z. B.
fluoreszenzmarkierte Proteine) in das Anregungsvolumen, so werden diese dort zur Fluoreszenz angeregt. Dabei
absorbieren diese Teilchen die Photonen des Anregungslichtes und emittieren ihrerseits Photonen größerer
Wellenlänge, also geringerer Energie. Die emittierten Photonen können dann mit einem Einzelphotonenzählwerk
detektiert werden.
Ansprechpartner: Stephanie Grabher, LASER COMPONENTS GmbH, [email protected]
„Lässt Du auch Deine Augen lasern?“
Was vor 10 Jahren noch nach einem großen Risiko klang, ist heute eine normale Prozedur, für die sich
schon viele Brillenträger entschieden haben. Am gewachsenen Vertrauen der Patienten hat die
zuverlässige Lasertechnologie großen Anteil. Mit der Einführung des Femtosekundenlasers für die
sogenannte Femto-LASIK wurden noch weitere Risiken eliminiert. Inzwischen erobert die
Lasertechnologie auch neue Domänen – so zum Beispiel die Kataraktchirurgie. Dabei geht es um die
Behandlung des grauen Stars, einen der weltweit häufigsten chirurgischen Eingriffe.
Was heißt das eigentlich „sich die Augen lasern lassen“? Dafür gibt es mehrere verschiedene Verfahren, zurzeit
ist dabei die Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK) populär. LASIK eine Methode der refraktiven Hornhautchirurgie
zur Korrektur von Fehlsichtiggkeiten bei der durch Gewebeabtrag in der Hornhaut eine Änderung der
Hornhautkrümmung erreicht wird. Dadurch werden die Bilder auf der Netzhaut wieder scharf abgebildet, so wie
das vorher mit Brille oder Kontaktlinsen erreicht wurde. Von der LASIK zu unterscheiden ist die
Kataraktoperation, die beim „grauen Star“, einer Trübung der Linse, angewandt wird. Dabei wird die Linse im
Auge zertrümmert, abgesaugt und durch eine Kunstlinse ersetzt.
In den vergangenen 40 Jahren wurden verschiedenste Laser für ihre Tauglichkeit für die refraktive Chirurgie
erprobt. Etabliert haben sich UV-Laser (meist Excimer) und neuerdings auch Femtosekundenlaser.
Der Excimerlaser dient bei der LASIK dazu, Gewebe in der Hornhaut abzutragen, bis die Gesamtbrechkraft des
Auges so verändert wurde, dass die Fehlsichtigkeit ausgeglichen wird. Dazu ist es notwendig, vorher eine dünne
Hornhautlamelle, den so genannten Flap, zu schneiden und zurückzuklappen. Dies geschieht bei der
konventionellen LASIK mit einem sehr feinen Messer, bei der so genannten Femto-Lasik mit einem
Femtosekundenlaser.
Bei den neuesten Verfahren zur der Laser-Fehlsichtigkeitskorrektur wird auf das Schneiden des Flaps ganz
verzichtet. Mit dem minimal-invasiven SMILE Verfahren wird die Hornhautoberfläche kaum beschädigt und bleibt
so stabiler als bei den anderen Eingriffen
Neu ist auch der Einsatz des Femtoskunden-Lasers für die Kataraktchirurgie, also die Behandlung des Grauen
Stars. Das Aufschneiden der Linsenkapsel für diese OP (einer der häufigsten chirurgischen Eingriffe überhaupt),
wird derzeit noch mit dem Messer gemacht. Der Femtosekundenlaser macht diesen Schnitt präziser. Er kann
auch die Linse zertrümmern, und deponiert dabei weniger Energie im Auge als die Ultraschallgeräte, die das
bislang erledigen. Die Behandlung dauert allerdings länger und die Lasersysteme erfordern derzeit noch deutlich
mehr Platz in der Praxis.
Hintergrundinformationen:
Thema: Optoelektronische Systeme für eine bessere und schnellere Point-of-Care-Diagnostik, Medizinlaser für
die Augenheilkunde, Dermatologie, Ästhetik
Ansprechpartner: Britta Maria Schell, JENOPTIK, [email protected]