Ein funktionales Kniegelenk aus dem 3D-Drucker dank neuer Forschungserkenntnisse der UT Austin
Vor kurzer Zeit veröffentlichte die University of Texas in Austin eine spektakuläre Neuerung im Bereich des 3D‑Drucks, die das Potenzial besitzt, die nächste Generation von medizinischen Geräten und flexibler Elektronik zu revolutionieren. Forschende der Universität, mit Finanzierung durch das US Verteidigungsministerium, der National Science Foundation und der Robert A. Welch Foundation, entwickelten eine innovative Methode, die – angeregt von natürlicher Materialkombination wie Knochen und Knorpel – eine nahtlose Integration von harten und weichen Strukturen in einem einzigen Druckobjekt ermöglicht. Hierdurch entstand ein komplett funktionales Minimodell eines Kniegelenks aus dem 3D-Drucker.
Die neue 3D-Druck Methode erfolgt nicht mit herkömmlichem Filament, sondern mit einem speziellen Flüssigharz, welches auf zweifache Lichtimpulse reagiert. So erzeugt Ultraviolettes Licht harte, plastikähnliche Abschnitte im Härtungsprozess, während violettes Licht elastische, gummiartige Bereiche erzeugt. So lassen sich in einem Bauteil Übergänge von hart zu weich realisieren.
Das künstliche Kniegelenk war der erste Versuch der Forschenden, die Methode in der Praxis anzuwenden
Durch chemisch vernetzte Moleküle wird vermieden, dass die Kontaktpunkte brechen oder strukturell schwach werden. Wie Zak Page, Assistenzprofessor der UT Austin erklärt: “Wir haben ein Molekül mit beiden reaktiven Gruppen eingebaut, damit unsere beiden Erstarrungsreaktionen an der Grenzfläche ‚miteinander reden‘ können. Das gibt uns eine viel stärkere Verbindung zwischen den weichen und den harten Teilen, und es kann einen allmählichen Übergang geben, wenn wir wollen.”
Erste Anwendungen in der Praxis
In der Praxis wurde die Methode bereits an einem Kniegelenk getestet. Die künstlichen Knochen des Gelenks sollten stabil bleiben, währen die Bänder flexibel agieren mussten. Das Modell war komplett funktional und stellt somit ein vielversprechendes Modell für biomechanische Implantate dar. Zudem entwickelte das Team einen dehnbaren Elektronik Streifen, in welchem eine Goldleitung zuverlässig dehnbar sein sollte – trotz härterer Abschnitte des Bands – um die Leitung zu schützen.
Die neue Methode des Forschungsteams funktioniert laut den Autoren schneller und liefert bessere Ergebnisse als vorherige Verfahren. Zudem sind die Druckereinstellungen einfach zu replizieren und kostengünstig umzusetzen, was die Technik für Forschende, Krankenhäuser und Dozenten einfach zugänglich macht. “Dieser Ansatz könnte die additive Fertigung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie dem Spritzgießen für die Produktion höherer Stückzahlen wettbewerbsfähiger machen. Genauso wichtig ist, dass er neue Designmöglichkeiten eröffnet,” sagt Keldy Mason, ein PhD Student im Labor von Page.
Die bahnbrechende Fähigkeit, sowohl biologische Funktionalität als auch robuste mechanische Eigenschaften zu integrieren, eröffnet enorme Möglichkeiten – von medizinischen Implantaten über tragbare Elektronik bis hin zu Soft-Robotics‑Komponenten. Dank hoher Präzision, Skalierbarkeit und günstiger Kosten steht dieser Ansatz erstmals kurz vor praktischen Anwendungen. Mehr Informationen finden Sie HIER.
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*Bildverweise: University of Texas at Austin
