Winziger 3D-Drucker soll Gewebe bei Stimmband-OP rekonstruieren

Steife Stimmbänder als Folge einer Stimmband-OP? Ein 3D-Druck-Roboter soll künftig Hydrogele präzise applizieren, um während der OP entferntes Gewebe zu rekonstruieren. Erste Tests im Labor verliefen vielversprechend.

Zysten, Wucherungen oder Tumoren an den Stimmbändern werden in der Regel operativ entfernt. Allerdings entwickeln viele Patienten nach der OP eine Fibrose, die die Stimmbänder versteift und das Sprechen erschwert. Um einer Fibrose vorzubeugen, injizieren Chirurgen in der Regel Hydrogele in das Rachengewebe. Die präzise Applikation von Hydrogelen per Injektion ist jedoch schwierig. Der neu entwickelter 3D-Druck-Roboter soll das künftig einfacher machen.

3D-Druck-Roboter in Standardabläufe bei Stimmband-OP integrierbar

„Unser Gerät ist nicht nur auf Genauigkeit und Druckqualität, sondern auch auf Benutzerfreundlichkeit für Chirurgen ausgelegt“, sagt Biomedizintechniker Swen Groen von der McGill University in Montreal (Kanada) und Erstautor der Veröffentlichung im Fachjournal „Device“. Dort beschreiben er und seine Kollegen die Neuentwicklung. Allerdings ist der Mini-Drucker noch in der Erprobungsphase und wurde bislang nur im Labor getestet.

Um eine präzisere Hydrogel-Applikation zu ermöglichen, entwickelte das Team um Groen einen Miniatur-3D-Drucker, der in den chirurgischen Eingriff integriert werden kann. Ähnliche Bioprinting-Geräte wurden bereits für die Applikation von Hydrogelen in Dickdarm und Leber entwickelt, die für den Einsatz bei Stimmband-OPs aber zu groß sind.

Der 3D-Druck-Roboter ist nur 2,7 mm groß. „Sein kompaktes und flexibles Design lässt sich in Standard-OP-Abläufe integrieren und ermöglicht die manuelle Steuerung in Echtzeit, selbst auf engstem Raum“, beschreibt Groen die Vorteile des Roboters.

Design vom Elefantenrüssel inspiriert

Die Herausforderung war also, einen Druckkopf zu entwickeln, der genug ist, um während einer Stimmband-OP in den Rachen des Patienten eingeführt zu werden, ohne die Sicht des Chirurgen auf die Stimmbänder zu behindern: „Es schien eine schier unmögliche Herausforderung, einen flexiblen Roboter mit einer Größe von unter 3 mm zu entwickeln“, betonte Luc Mongeau, Biomedizintechniker an der McGill University und Hauptautor der Studie.

Für ihr Design des Geräts ließen sich die Entwickler von Elefantenrüsseln inspirieren: Der Druckkopf besteht aus einer Düse am Ende eines flexiblen „Rüssels“, der über sehnenartige Kabel mit einem Steuermodul verbunden ist. Dieses kann an ein Operationsmikroskop montiert werden. Das Gerät trägt ein Hydrogel auf Hyaluronsäurebasis in 1,2 mm dünnen Linien auf und lässt sich manuell in Echtzeit steuern. Die Forscher programmierten seine Bewegungen so, dass sie innerhalb eines Arbeitsbereichs von 20 mm präzise, genau und wiederholbar sind.

Um die Fähigkeit des Druckkopfs zur präzisen Applikation von Hydrogelen zu demonstrieren, zeichneten die Autoren damit manuell Formen wie 2D-Spiralen, Herzen und Buchstaben auf eine ebene Fläche. Anschließend nutzten sie das Gerät, um Hydrogele auf simulierte Stimmbänder aufzutragen, wie sie im chirurgischen Training verwendet werden.

Gerät überzeugt bei der Rekonstruktion simulierter Stimmbänder

Das Gerät konnte die Geometrie der Stimmlippen in diesen Modellen, die Gewebedefekte darstellten, präzise rekonstruieren. Dazu gehörten eine nach der Entfernung einer Läsion entstandene Kavität und eine Stimmlippe, die eine vollständige Rekonstruktion erforderte. Aktuell wird das Gerät manuell gesteuert, die Forscher arbeiten jedoch an einem System, das autonome und manuelle Steuerung kombiniert.

„Wir versuchen, dies in die klinische Anwendung zu übertragen“, berichtet Mongeau. „Der nächste Schritt ist die Erprobung der Hydrogele an Tieren. Wir hoffen, dass dies zu klinischen Studien am Menschen führt, um die Genauigkeit, die Anwendbarkeit und die klinischen Ergebnisse des Bioprinters und des Hydrogels zu testen.“ (ja/BIERMANN)