Hochbelastbare Unterschenkel-Fuß-Orthese aus dem 3-D-Drucker

Masterstudent und Hochschullehrer der FH Münster erbringen den Machbarkeitsnachweis des Verfahrens.

Unterschenkel-Fuß-Orthesen für Lähmungspatient*innen werden in der Regel mit hohem Aufwand handwerklich hergestellt. Eine Möglichkeit, individuelle Orthesen mit geringem Zeit- und Kostenaufwand zu produzieren, bietet der 3-D-Druck. Allerdings reichen die mechanischen Eigenschaften der 3-D-gedruckten Bauteile oft nicht aus. Dass es dennoch funktioniert, hat Carsten Dilthey in seiner Masterarbeit im Studiengang Biomedizinische Technik an der FH Münster bewiesen: Er fertigte mit Unterstützung von Prof. David Hochmann eine hochbelastete Orthese im 3-D-Drucker an – ein Vergleich mit einer handwerklich hergestellten Orthese mittels 3-D-Ganganalyse war erfolgreich.

„Die Unterschenkel-Fuß-Orthese, um die es hier geht, ist eine dynamische Variante in sogenannter Prepreg-Technik nach Dr. Ulrich Hafkemeyer“, erklärt Dilthey. Dabei werden das Federelement und die Schalen in Form und Stärke individuell an die Bedürfnisse der Patient*innen angepasst. „Wir haben uns der Herausforderung gestellt, diese hochwertige Versorgung mit Hilfe unserer Prüftechnik zu analysieren und ausschließlich im 3-D-Druck herzustellen.“

Von der ersten Idee bis zum fertigen Ergebnis war es ein langer Weg: Dilthey untersuchte zunächst in einer Vorstudie verschiedene 3-D-gedruckte Materialien und führte eine umfangreiche Anforderungsanalyse durch. Anschließend wurde eine anforderungs- und fertigungsgerechte Orthese methodisch entwickelt, konstruiert und additiv gefertigt. Die Fertigung der tragenden Elemente gelang mit Unterstützung von Prof. Hilmar Apmann aus dem Fachbereich Maschinenbau. Danach wurde die Orthese umfangreichen Tests unterzogen. Dabei konnte Dilthey auf existierende komplexe Prüftechnik zurückgreifen, die von Maxim Kirillov im Rahmen seiner Promotion am Fachbereich Physikingenieurwesen entwickelt wurde.

„Durch die Testergebnisse waren wir relativ sicher, dass unsere Orthese im Patiententest gut abschneiden wird, die Restunsicherheit blieb dennoch“, sagt Dilthey. Der direkte Vergleich der handwerklich gefertigten und der 3-D-gedruckten Orthese fand dann bei einem unabhängigen klinischen Partner mithilfe der 3-D-Ganganalyse statt. Das Ergebnis: Beide Orthesen sind biomechanisch gleichwertig, die 3-D-gedruckte Orthese ist dabei fast 30 Prozent leichter und bietet eine Reihe weitere Vorteile wie zum Beispiel das bessere Mikroklima.

„Damit haben wir den Machbarkeitsnachweis erbracht“, sagt Hochmann. „Auf die hochkarätige Arbeit von Carsten sind wir sehr stolz.“ Möglich wurde diese auch mit Unterstützung von Kooperationspartnern aus dem Handwerk, nämlich dem Sanitätshaus Gäher, dem Kompetenzzentrum Kramer und dem Care Center Deutschland sowie dem sozialpädiatrischen Zentrum der Christopherus Kliniken in Coesfeld als klinischem Partner. Technisch unterstützt hat die Antonius Köster GmbH.

Besonders in den Sanitätshäusern sei das Interesse an der individuellen Lösung aus dem 3-D-Drucker groß. „Die Häuser leiden unter einem erheblichen Fachkräftemangel, unsere Absolventinnen und Absolventen im Studiengang Technische Orthopädie sind sehr gefragt und haben derzeit eine Jobgarantie. Wie durch technische Lösungen Kosten und Zeit gespart werden können, ist in den Sanitätshäusern ein wichtiges Thema – und genau hier bieten wir einen Lösungsansatz“, erklärt Hochmann. „Denn mithilfe der Prüftechnik können wir die neuartigen 3-D-gedruckten Orthesen mit den bisherigen handwerklichen Versorgungen genau vergleichen und deren Sicherheit und Funktion bestätigen“.

Dass das Verfahren grundsätzlich funktioniert, haben Dilthey und Hochmann bewiesen. Jetzt geht es weiter. „Unsere im 3-D-Drucker hergestellte Orthese hat ein elfjähriges Kind zweieinhalb Wochen lang getragen. Jetzt müssen wir schauen, wie das bei Erwachsenen klappt. Um mit unserem Modell ernsthaft in die Versorgung zu gehen, ist noch viel Arbeit nötig“, sagt Hochmann.

Die Unterschenkel-Fuß-Orthese aus dem 3-D-Drucker ist im Rahmen des Projekts SIGMA3D entstanden – das steht für „Simulationsgestützte Medizintechnikplattform zur individuellen 3-D-Hilfsmittelversorgung“. Seit 1. März 2020 läuft das Vorhaben, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird.