Fünf Fraunhofer-Institutionen arbeiten an KI-gestützten und 3D-gedruckten Fingergelenken

Es kann viele Gründe geben, weshalb die eigene Mobilität der Fingergelenke eingeschränkt ist: ob durch den Sport, einen Unfall oder auch durch Krankheiten wie rheumatoide Arthritis. Diese enorme Einschränkung, die Menschen mit eingeschränkten Fingergelenken erfahren, hat nicht nur physische, sondern auch psychische Auswirkungen, da sowohl im Privat- wie auch im Berufsleben nahezu jeder Mensch darauf angewiesen ist. Das Fraunhofer Institut für Additive Produktionstechnologien (IAPT), Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM), Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM) und das Fraunhofer-Instituts für Digitale Medizin (MEVIS) haben sich dahergehend zusammengeschlossen, um zukünftig an einer additiven Lösung für solche Menschen zu forschen, die unter nicht funktionsfähigen Fingergelenken leiden.

Die fünf Fraunhofer-Institutionen haben die Wichtigkeit von funktionierenden Fingergelenken erkannt, zumal diese Remobilisierung auch als Zukunftsmarkt der optimalen Versorgung von Betroffenen zählt. Unter dem Konsortium „FingerKIt“, stellen die Fraunhofer-Institutionen Fingerteile her, die mittels KI erstellt und anschließend auf den Patienten zugeschnittene Gelenksimplantate aus dem 3D-Drucker her, welche bei Bedarf die eignen Fingerteile ersetzen können.

Diese Herstellungsweise bietet Detailgenauigkeit und unterschiedliche Oberflächenqualitäten (Bild: Fraunhofer-Gesellschaft)

Fingergelenke sollen aus Metall oder Keramik hergestellt werden

Für das Projekt FingerKIt sollen für die personalisierbaren Fingergelenksimplantate Metall oder Keramik als Material hinzugezogen werden, welches eine schnelle, sichere und zertifizierte Herstellung mit sich bringt. Um dies auch tatsächlich in die Tat umsetzen zu können, entwickelte das Fraunhofer MEVIS in erster Linie eine KI gestützte Software, die zur Errechnung der 3D-Modelle der Fingerknochen, ausgehen von 2D Röntgenaufnahmen, dient. Zusätzlich zeigt diese ebenfalls Fehlstellungen der Finger an und mögliche Korrekturvorschläge. Im nächsten Schritt geht es an den 3D-Druck durch das Fraunhofer IAPT, welche die individuellen Implantatdesigns drucken, wobei hier auf Metall-Binder-Jetting zurückgegriffen wird. Ist dieser wichtige Schritt durchgeführt, geht es bei den additiv hergestellten Fingergelenke noch um die gewünschte Endkontur, sodass das Fraunhofer IKTS die Implantate im Near-Net-Shape-Manufacturing behandelt. Teile, die mittels Keramik hergestellt worden sind, werden jedoch im Schlickerguss, einem bestimmten Verfahren mit Gipsform und Guss, verarbeitet. Wenn die additive Fertigung ihren Einsatz in der Medizin findet, dann ist es immer wichtig die Frage nach der biologischen Verträglichkeit und Zertifizierung zu klären. In diesem Fall stützt man sich hierbei auf das Fraunhofer ITEM, die die Fingergelenke auf diese Faktoren prüft, die mechanischen Eigenschaften und Belastungen werden am Fraunhofer IWM kontrolliert.

Die Möglichkeit, aus einem 2D Röntgenbild mittels KI und 3D-Druck tatsächlich funktionsfähige Fingergelenke herstellen zu können, ist auch für die Fraunhofer-Institutionen ein Durchbruch: „Die KI-basierte Berechnung eines dreidimensionalen Implantatdesigns aus 2D-Vorlagen wie Röntgenbildern ist völlig neuartig und inzwischen zum Patent angemeldet“, erklärt Dr. Arthur Seibel aus dem Bereich Bauteil-Design am Fraunhofer IAPT. Auch sein Kollege Dr. Philipp Imgrund, Abteilungsleiter Prozessqualifizierung am Fraunhofer IAPT, zeigt sich erfreut über das Projekte und seine Erfolge: „Auch die Prozesstechnik ist etwas Besonderes: Weil die Struktur des Implantat-Schafts sehr filigran ist, haben wir als 3D-Druck-Verfahren das Metall-Binder-Jetting für Titan eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht die sehr präzise Fertigung der kleinen, komplexen Implantate und erlaubt es gleichzeitig, die Oberfläche des Schafts so zu strukturieren, dass dieser besser in den Knochen einwächst. Weiterhin können wir so die Nachbearbeitung der Gelenkflächen minimieren, die möglichst glatt und reibungsarm sein müssen.“

Verliert ein Patient seine Mobilität der Fingergelenke, so ist es laut aktuellen Stand der Forschung und Medizin mit gerade einmal zwei Alternativen möglich, diese zu behandeln: zum einen können Silikonimplantate eingesetzt werden, welche allerdings den Nachteil bringen, dass sie sich oftmals schnell wieder lösen und durch einen weiteren Eingriff wieder korrekt eingesetzt werden müssen. Zum anderen können Standard-Implantate genutzt werden, welche allerdings nur in limitierten Größenstufen zur Verfügung stehen und daher nicht alle Bewegungen ermöglichen. Das zeigt, dass es bisher auf dem Markt der Medizin noch keine personalisierbare Lösung für Patienten mit eingeschränkter Mobilität ihrer Fingergelenke gibt, welche zusätzlich auch nicht verrutscht.

Daher trägt das Projekt FingerKIt einen Hoffnungsschimmer für betroffene Personen. Auch ob stark gekrümmte Finger, fehlende Teile des Knochens oder auch sehr kleine und feine Gelenke können mit der Lösungsalternative der fünf Fraunhofer-Institutionen behandelt werden. Außerdem ist diese Individualisierbarkeit der Fingergelenke nicht nur zeitsparend, da sie bis zu 60 % der sonst benötigten Zeit einsparen, sondern sie bringt auch geringere Kosten mit sich.

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*Titelbildnachweis: Fraunhofer-Gesellschaft