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Foto: Grafik: TU Dresden

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe unter aktiver Beteiligung von Ingenieurwissenschaftlern der Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden hat nach dreijähriger Arbeit das weltweit erste komplexe Verfahren entwickelt, das die Herstellung eines individuellen Unterkieferimplantates ermöglicht. Im März 2012 konnte der erste Patient mit dem neu entwickelten Implantat in der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie des Universitätsklinikums Dresden erfolgreich versorgt werden.

Bisher wurden Knochendefekte im Mund-, Kiefer- und Gesichtsbereich mit konfektionierten Rekonstruktionsplatten behandelt. Dies führte in etwa 45 Prozent der Fälle nach kurzer Zeit zu funktionellen und ästhetischen Komplikationen. Weil die Standardplatten nicht passgenau auf dem Restknochen angebracht werden konnten, wurde die darüber liegende Schleimhaut nach einer Operation stark strapaziert. Häufig entstanden Entzündungen und die Platten lockerten sich. Zusätzlich kam es zum Bruch der Rekonstruktionsplatte, weil Implantat und Knochen unterschiedliche Festigkeiten aufwiesen. Die Folgen waren umfangreiche funktionelle und ästhetisch – physiognomische Defizite.

Einer Forschungsgruppe aus Ingenieuren der Fakultät Maschinenwesen und Medizinern des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus der TU Dresden aus den Bereichen der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (Frau OÄ Dr. Dr. Jutta Markwardt) und der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik (Prof. Dr. Bernd Reitemeier) sowie Ingenieuren der Hofmann & Engel Produktentwicklung GmbH ist es nun erstmals gelungen, ein individuelles Unterkieferimplantat aus Titan zu entwickeln. „Weil das neue Unterkieferimplantat die gleiche Festigkeit und Geometrie wie die angrenzenden Knochen aufweist, bricht das Material nicht mehr an den Verbindungsstellen, was dem Patienten ästhetische Defizite nach der Operation und weitere medizinische Eingriffe erspart. Zudem erfolgt die Befestigung am Restkiefer nun gewebeschonend. Das garantiert eine optimale Heilung“, so Professor Ralph Stelzer, Inhaber der Professur für Konstruktionstechnik/CAD an der Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden.

Um die Biokompatibilität zu gewährleisten, verwendete die interdisziplinäre Forschungsgruppe reines Titan. Dies wird in einem komplexen Fertigungsverfahren erst aufgeschmolzen und dann schichtweise aufgebaut. Die äußere Schale des Implantats entspricht dann mit einer Wandstärke von nur 0,3 Millimetern der Festigkeit des entfernten Kieferknochens. Damit das Titanimplantat nicht zu schwer oder temperaturempfindlich wird, ist es als Schalenkonstruktion gefertigt. Im Moment arbeiten die Forscher der Fakultät Maschinenwesen daran, den Innenraum des Implantates mit einer filigranen Struktur zu füllen, die das Knochenwachstum anregen soll.

Vom Computermodell zum individuellen Implantat

Als Ausgangspunkt für die Konstruktion dienen Daten aus dem CT eines erkrankten Patienten. Die individuelle Datenaufbereitung erfolgt als virtuelles 3D-Modell mit einer in der Arbeitsgruppe Reverse Engineering der TU Dresden dafür eigens entwickelten Software. Auf Grundlage des digitalen Modells wird das Unterkieferimplantat individuell konstruiert, angepasst und bei der Firma Hoffmann & Engel gefertigt. „Die Schwierigkeit bestand darin, die unterschiedlichen Disziplinen von der medizinischen Diagnostik, über die Konstruktion, Fertigung, bis zur OP-Planung und Patientenversorgung informationstechnisch und logistisch miteinander zu verknüpfen. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit ermöglicht es nun erstmals, ein jedem Patienten einzeln angepasstes Implantat in etwa 32 Arbeitsstunden herzustellen“, so die Leiterin des ingenieurwissenschaftlichen Teilprojektes Dr.-Ing. Christine Schöne. Die Softwarelösung, die im Rahmen des Projektes entstanden ist, wird aktuell auch für andere Problemstellungen der OP-Planung angepasst wie z. B. bei Zahnimplantationen.

Das Forschungsprojekt „Funktionsoptimierte Strukturen von individuellen Implantaten zur Behandlung von Knochendefekten“ wurde mit rund zwei Mio. Euro von der Sächsischen Aufbaubank gefördert. Davon erhielt das Teilprojekt der Ingenieurwissenschaftler zur „Erarbeitung effektiver Methoden und Softwarelösungen zur aufwandsarmen Modellierung von individuellen Implantatstrukturen“ 470.000 Euro Fördersumme. Das Teilprojekt lief vom 01.04. 2009 bis 30.06.2012.

Quelle: TU Dresden