3D-gedruckte bioresorbierbare Atemwegsstents

Eine krankhafte oder verletzungsbedingte Verengung der Luftr?hre oder der Hauptbronchien kann b?se enden. Patienten bekommen zu wenig Luft, sie drohen zu ersticken und brauchen oft schnellstens medizinische Hilfe.

Um solche Verengungen zu beheben, setzen Chirurginnen und Chirurgen den Betroffenen r?hrenf?rmige Implantate, sogenannte Stents, aus medizinisch verwendbarem Silikon oder Metall ein. Diese verschaffen den Patienten zwar rasch Besserung, doch die Implantate haben Nachteile: Metallstents m¨¹ssen mit einigem Aufwand operativ entfernt werden, was Patienten erneut belastet. Silikon-Stents wiederum wandern weg von der Stelle des Einsetzens. Der Grund daf¨¹r ist, dass die Implantate nicht an die Anatomie eines Patienten angepasst sind.

Ein ETH-Forschungsteam, zusammengesetzt aus Mitgliedern der Gruppen Komplexe Materialien und Drug Formulation & Delivery, hat nun gemeinsam mit Forschenden des Universit?tsspitals und der Universit?t Z¨¹rich einen Atemwegsstent entwickelt; dieser ist auf einen Patienten zugeschnitten und bioresorbierbar, baut sich also nach dem Einpflanzen nach und nach ab. Hergestellt werden diese Stents mit einem 3D-Druckverfahren (?Digital Light Processing?, DLP) und eigens zu diesem Zweck angepassten, lichtempfindlichen Harzen.

Zuerst erstellen die Forschenden eine Computertomografie eines spezifischen Abschnitts der Atemwege. Darauf basierend entwickeln sie ein digitales 3D-Modell des Stents. Die Daten werden an den DLP-Drucker weitergegeben, der den massgeschneiderten Stent Schicht f¨¹r Schicht herstellt.

Beim DLP-Verfahren wird eine Bauplattform in eine Wanne voller Harz getaucht. Die Plattform wird dann gem?ss dem digitalen Modell an den gewollten Stellen mit UV-Licht belichtet. Dort, wo Licht aufs Harz auftrifft, wird es hart. Die Plattform wird ein wenig gesenkt und die n?chste Schicht belichtet. So entsteht das gew¨¹nschte Objekt Schicht f¨¹r Schicht.

Spezielles Harz entwickelt

Bislang konnten mit der DLP-Technik und bioabbaubaren Materialien nur steife und spr?de Objekte hergestellt werden. Die ETH-Forschenden entwickelten deshalb ein spezielles Harz, welches nach der Belichtung elastisch wird.

Dieses Harz basiert auf zwei verschiedenen Makro-Monomeren. Die Materialeigenschaften des damit erzeugten Objekts lassen sich ¨¹ber die L?nge (Molekulargewicht) der eingesetzten Monomere sowie ¨¹ber deren Mischverh?ltnis steuern, wie die Forscherinnen und Forscher in ihrer j¨¹ngsten Studie in ?externe Seite Science Advances? aufzeigen.

Sobald UV-Licht auf das Harz trifft, verkn¨¹pfen sich die Monomere untereinander und bilden ein Polymer-Netzwerk. Da das neu entwickelte Harz bei Raumtemperatur zu z?hfl¨¹ssig ist, mussten die Forschenden es bei Temperaturen von 70 bis 90 Grad verarbeiten.

Die Forschenden stellten mehrere Harze mit unterschiedlichen Monomeren her und testeten daraus gefertigte Prototypen, ob das Material zellvertr?glich und biologisch abbaubar ist. Auch pr¨¹ften sie die Prototypen auf ihre Elastizit?t und auf mechanische Belastung wie Druck und Zug.

Das Material mit den gew¨¹nschten Eigenschaften verwendeten die Wissenschaftler schliesslich f¨¹r die Herstellung von Stents, welche an Kaninchen getestet wurden.

Das Einsetzen der Stents erforderte zudem ein spezielles Instrument, da die 3D-gedruckten Objekte gefaltet eingebracht werden m¨¹ssen. Dies setzt voraus, dass sich die Implantate weder knicken noch quetschen lassen und dass sie sich an ihrem Einsatzort perfekt entfalten.

Um mithilfe medizinischer Bildgebung nachverfolgen zu k?nnen, wo sich der Stent beim Einsetzen befindet, bauten die Forschenden Gold in dessen Struktur ein. Das macht die Stents stabil, ?ndert aber nichts an deren Biokompatibilit?t.

Erfolgreiche Tests, gute Aussichten

Die Tests an den Kaninchen, welche die Forschungsgruppe von Daniel Franzen, Leitender Arzt an der Klinik f¨¹r Pneumologie am Universit?tsspital Z¨¹rich, zusammen mit Veterin?rmedizinern durchf¨¹hrte, verliefen erfolgreich. Die Forschenden konnten zeigen, dass die Implantate biokompatibel sind und dass sie nach sechs bis sieben Wochen vom K?rper resorbiert werden. Zehn Wochen nach der Implantierung war der Stent auf R?ntgenaufnahmen nicht mehr sichtbar. Zudem bewegten sich die eingesetzten Stents in der Regel nicht von der Stelle, an der sie eingepflanzt wurden.

?Diese vielversprechende Entwicklung er?ffnet Aussichten f¨¹r die rasche Herstellung von massgeschneiderten medizinischen Implantaten und Hilfsmitteln, die sehr genau, elastisch und im K?rper abbaubar sein m¨¹ssen?, sagt Jean-Christophe Leroux. Weitere Forschung werde darauf konzentriert, das Einsetzen der Stents so schonend wie m?glich zu gestalten.

Weiter sollen die Prozesse so gestaltet werden, dass die Herstellung am Ort der Verwendung m?glich wird, oder zumindest kurze Lieferketten umfasst. Noch steckt das Verfahren im Labormassstab. ?Solche Stents in grossem Massstab herzustellen, ist allerdings ein komplexes Unterfangen, das wir noch besser untersuchen m¨¹ssen?, sagt Andr¨¦ Studart. Die Technik lasse sich jedoch relativ leicht auf ?hnliche medizinische Anwendungen ¨¹bertragen. ?Es ist daher hoffentlich nur eine Frage der Zeit, bis unsere L?sung ihren Weg in die Klinik findet?, so der ETH-Professor.