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Vollautomatisch und winzig klein

Im Rahmen von CoHMed forscht Prof. Dr. Ulrich Mescheder an einem implantierbaren System zum Knochenaufbau

Jeder kennt das: eine zahnärztliche oder kieferchirurgische Behandlung soll bitte so schnell wie möglich überstanden sein und am besten kaum zu spüren – mit optimalem Ergebnis. Um genau das auch bei komplizierten und langwierigeren Eingriffen möglich zu machen, arbeiten Entwickler in der Medizintechnik an immer neuen Lösungen. Wie an der Hochschule Furtwangen, wo Prof. Dr. Ulrich Mescheder im Bereich der Mikrosystemtechnik forscht.

Im Rahmen der Innovationspartnerschaft CoHMed arbeitet Prof. Mescheder, Physiker, HFU-Prorektor für Forschung und Leiter des Instituts für Mikrosystemtechnik (iMST),  mit seinem Projektteam an einem implantierbaren „Distraktor“. Dieses Instrument wird in der Chirurgie zur „Verlängerung“ von Knochen eingesetzt, also zum Knochenaufbau ohne Einsatz von künstlichen Materialien. Ist beispielsweise der Kieferknochen eines Patienten zu eng, können Ärzte den Knochen durchtrennen und einen Distraktor einsetzen. Dieser spreizt die Knochenteile auseinander – in winzigsten Schritten, die derzeit jeden Tag manuell über eine Schraube eingestellt werden müssen. „Die entstehende Lücke füllt der Körper mit der so genannten Kallusflüssigkeit, die dann verhärtet und neues Knochenmaterial bildet“, erklärt Mescheder. Was an sich schon reichlig gruselig klingt, wird derzeit noch durch einen Umstand erschwert: die Gewindeschraube, mit der die Flächen des Distraktors über Wochen auseinander gedrückt werden,  muss für die Ärzte von außen zugänglich sein.

„Vor einigen Jahren wurde deshalb von Medizintechnik-Unternehmen die Frage an uns herangetragen: Kann man das automatisieren?“ berichtet Prof. Mescheder. Um das  Verfahren für Patienten angenehmer und vor allem sicherer zu machen, entwickelt er mit seinen Mitarbeitern nun ein implantierbares winzig kleines System, das den Spreizvorgang selbstständig regeln soll. Dabei gilt es nicht nur den mechanischen Vorgang, zwei Platten pro Tag einen Millimeter auseinander zu schieben, in kleinste Bauteile umzusetzen – die Komponenten wie zum Beispiel eine Batterie müssen auch so „eingepackt“ und mit Beschichtungen umhüllt werden, dass jeder schädliche Effekt auf den Körper ausgeschlossen werden kann. An dieser Aufgabe forscht im gleichen Projekt HFU-Professor Dr. Volker Bucher, ebenfalls Mitglied im iMST, mit seinem Team. „Ein implantierbarer Distraktor kann auch viel differenzierter beim individuellen Patienten wirken“, sagt Prof. Mescheder. „Derzeit spreizen die Ärzte den Knochen täglich, und nach ungefähr sechs Monaten kommt das Ding wieder raus“, beschreibt er anschaulich, „aber sie wissen nie so ganz genau, wie es innen aussieht“.  Die implantierbare Version soll dagegen über Sensoren verfügen, die „fühlen“, wie fest die neu entstandene Knochengewebe schon ist –  damit die Behandlung gegebenenfalls auch früher, eben zum optimalen Zeitpunkt, abgeschlossen werden kann. Daneben kann ein automatisierter implantierter Distraktor kleine Bewegungen ausführen, die als sogenannte Kallusmassage den Knochenaufbau unterstützen.

Winzigste Sensoren zu erschaffen, die das leisten können, ist Prof. Mescheders Welt. Die Bauteile, die in den HFU-Laboren entwickelt werden, sind so klein, dass man sie schon längst nicht mehr sehen geschweige denn anfassen kann. „Zum Vergleich kann man ein menschliches Haar nehmen“, sagt der Wissenschaftler. „Wir arbeiten mit Größen, die 50mal, manchmal sogar tausendmal kleiner sind.“ Sensoren, die auf Nadelspitzen passen. Oder Nanostrukturen, die winzigste und absichtlich ausgelöste „Explosionen“ auslösen, deren Energie wiederum winzigste Systeme antreiben. „Ich mache das schon 30 Jahre“, lacht Mescheder, „man gewöhnt sich daran, so klein zu denken.“ Immer fragiler und kleiner werden die Teile der Mikrosysteme, an denen er arbeitet: „Inzwischen liegen da gerade noch etwa zehn Atome nebeneinander“. Oft bekommt er Impulse für neue Forschungsideen aus der „Makro-Welt“ – beim Fahrradfahren kam ihm zum Beispiel die Idee, einen Klettverschluss in Nano-Größe zu bauen. Inzwischen hat sich auch daraus ein eigenes Forschungsprojekt entwickelt.

In „CoHMed“, der Innovations- und Transferpartnerschaft der HFU in der Medizintechnik, wird die Hochschule Furtwangen als eine von zehn Hochschulen bundesweit  im Rahmen des Programms „Starke Fachhochschulen - Impuls für die Region“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. CoHMed soll Unternehmen der Region bei ihren Entwicklungs-, Forschungs- und Innovationsanstrengungen für zukunftsfähige Produkte unterstützen. Forschungsprojekte im Bereich intelligente medizinische Instrumente, funktionelle Oberflächen und Biokompatibilität sowie neue Materialien und deren Bearbeitung sind bereits erfolgreich gestartet. Weitere Projekte im Bereich Digitalisierung von Operationen und in der Medizintechnikfertigung folgen.

Der implantierbare Distraktor hat wie alle Forschungsprojekte noch einen weiten Weg vor sich, bevor er für Ärzte und Patienten verfügbar sein wird. Jede Menge Studien und Zulassungsprozesse müssen noch bewältigt werden. Nicht nur an den Blick ins Kleine, auch an solch große Zeitfenster ist Prof. Mescheder jedoch gewöhnt: „Das ist immer ein langer Weg. Bei unserem Distraktor rechne ich noch mit einigen Jahren.“