Rettung aus dem 3D-Drucker

16. April 2020
Innerhalb nur einer Woche entwickelten mitteldeutsche Forscher und Mediziner den Prototypen eines 3D-Druck-Notfall-Beatmungssystem für die Versorgung von Covid19-Patienten. Möglich wurde dies dank gut vernetzter Forschungsverbünde und einer Innovation, die 2019 mit dem IQ Innovationspreis Leipzig ausgezeichnet wurde.

Die Bilder der vergangenen Wochen waren verstörend. In vielen italienischen und spanischen Kliniken standen nicht genug Beatmungsgeräte für die rasant steigende Zahl schwer erkrankter Covid-19-Patienten zur Verfügung. Ärzte mussten mittels Triage entscheiden, welche Patienten weiter therapiert werden und welche nicht. „Angesichts dieser schlimmen Nachrichten haben wir uns zusammengesetzt und gefragt, was wir mit unserem Know-how tun können, um die Situation zu verbessern“, so Prof. Dr. med. Dirk Winkler, stellvertretender Direktor der Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie der Universitätsklinik Leipzig und medizinischer Leiter der Forschungsgruppe „Next3D“.

Foto: Prof. Dr. med. Dirk Winkler, medizinischer Leiter der Forschungsgruppe „Next3D“​​​​

Gemeinsam entwickelten Ärzte, Medizintechniker, Wissenschaftler und Mathematiker der Universitätsklinik Leipzig, des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU mit Sitz in Dresden, Chemnitz und Zittau sowie der Westsächsischen Hochschule Zwickau innerhalb von nur sieben Tagen den Prototypen eines 3D-gedrucktes Notfall-Beatmungssystem auf Basis eines biokompatiblen und dampfsterilisierbaren Kunststoffs. „Unser Ziel war ein Beatmungssystem, dass dem gegenwärtigen Notfall gerecht wird, ohne auf therapieentscheidende Sensorik und Alarmfunktionen zu verzichten“, erläutert Prof. Dr. med. Dirk Winkler. So analysierten die Ärzte und Wissenschaftler gemeinsam die Anforderungen an ein solches Gerät und die dazu notwendigen Funktionalitäten. So können mit dem Gerät die wichtigsten Parameter wie das Atemvolumen, die Atemfrequenz sowie der Maximaldruck in Echtzeit eingestellt und überwacht werden. Ein zusätzlicher Alarm im Fall einer Diskonnektion oder Leckage garantiert die ungehinderte und gefahrlose Betriebsfähigkeit des Systems.

Auf dieser Basis wurde zunächst ein CAD-Modell zur virtuellen Simulation erstellt. Dieses konnte dann auf einem 3D-Drucker produziert und anschließend Elektronik und Sensoren integriert werden. Ein Forscherteam der Westsächsischen Hochschule Zwickau unterstützt das Projekt durch die Bereitstellung einer künstlichen Lunge zum Dauertest des Beatmungssystems unter realistischen Bedingungen. Dieser läuft bereits seit vergangener Woche ohne Probleme.

„Möglich wurde dieser Erfolg in so kurzer Zeit durch die hervorragende Vernetzung der beteiligten Partner, die bereits zuvor in mehreren Forschungsprojekten eng zusammenarbeitet haben“, so der stellvertretende Klinik-Direktor. Ebenfalls dazu beigetragen hat die vom Universitätsklinikum Leipzig und dem Fraunhofer IWU gemeinsam entwickelte, softwaregestützte Technologieplattform „Next3D“ zur Produktion patientenspezifischer Implantate und Instrumente mittels 3D-Druck, die 2019 mit dem Leipziger IQ Innovationspreis ausgezeichnet wurde.

Um ein zertifiziertes Medizinprodukt handelt es sich bei dem System zwar nicht. „Ein solcher Zulassungsprozess dauert zwei bis drei Jahre, viel zu lang um kurzfristig auf die aktuelle Situation reagieren zu können. Aber wir können damit Intensivmedizinern in besonders von Covid19-Erkrankungen betroffenen Regionen eine letzte Handlungsoption zur Rettung von Patienten geben, wenn nicht genügend Hightech-Beatmungssysteme zur Verfügung stehen“, betont Prof. Dr. med. Dirk Winkler.

Mit einem 3D-Drucker lassen sich drei Beatmungssysteme pro Tag drucken. Dank des Zugriffs auf die 3D-Druck-Netzwerke des Industriepartners Hewlett Packard sowie des Biotechnologie- und Medizintechnik-Netzwerkes „biosaxony“ könnten so kurzfristig bis zu 10.000 Geräte produziert und versendet werden. Aktuell liegen bereits konkrete Anfragen für das Notfall-Beatmungssystem aus Kolumbien, Georgien, Vietnam und den Vereinigten Arabischen Emiraten vor. Darüber hinaus gab es bereits erste Kontakte mit dem Büro des Gouverneurs des Bundesstaats New York und dem US-Generalkonsulat in Leipzig.

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