3D-Druck und Autodesk Fusion für Entwicklung von Prothese

Als Autodidakt entwickelt ein Vater eine mit 3D-Druck hergestellte hydraulische Prothese, die individuell für seinen zweijährigen amputierten Sohn angepasst ist, und vermeidet damit die Wartezeit für eine vom Staat entwickelte Version. Das Design und die Produktion der im 3D-Druck hergestellten hydraulischen Prothese soll Kosteneinsparungen von bis zu 76 Prozent sowie eine Zeitersparnis in Design und Produktion von 90 Prozent im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden erzielen helfen.

Nachdem Ben Ryan die Entwicklung von Kindern mit Prothesen untersucht hatte, erfand er eine einzigartige Option, mit der sich Kleinkinder schneller und einfacher an Armprothesen gewöhnen können. Das individuell angepasste Design und die Herstellung von 3D-gedruckten hydraulischen Prothesen stellen eine Neuheit in diesem Bereich der Medizin dar und versprechen eine Kosteneinsparung von bis zu 76 Prozent. Zudem könnten bei Design und Produktion 90 Prozent der Zeit im Vergleich zu den herkömmlichen Herstellungsverfahren eingespart werden. Dies hätte den Vorteil, dass die Prothesen bereits in einem frühen Entwicklungsstadium benutzt werden können.

Als Bens Sohn Sol im März 2015 geboren wurde, musste dessen linker Unterarm aufgrund von Komplikationen amputiert werden. Zwar konnten ungefähr 2,5 Zentimeter seines Unterarms erhalten bleiben, aber Sol hätte drei Jahre auf eine myoelektrische Prothese des NHS (staatliches britisches Gesundheitssystem) warten müssen, und eine kosmetische, nichtfunktionale Prothese hätte erst nach einem Jahr angepasst werden können. Ben sah, dass sein Sohn allmählich die Reaktionsfähigkeit und Tauglichkeit seines linken Arms verlor und beschloss, zu handeln.

Nach einer umfangreichen Erkundung (J Prosthet Orthot. 2005;17:119–124) der kindlichen Entwicklung stellte Ben fest, dass bei Kindern, die nach ihrem zweiten Lebensjahr Prothesen angepasst bekamen, höhere Abstoßungsraten auftraten, und dass die frühe Anpassung funktioneller Prothesen mit deren fortgesetzter Benutzung während der gesamten Kindheit in Zusammenhang standen. Bei einer anderen Studie (Toda M, Chin T, Shibata Y, Mizobe F (2015) Use of Powered Prosthesis for Children with Upper Limb Deficiency at Hyogo Rehabilitation Center. PLoS ONE 10(6): e0131746. doi:10.1371/journal.pone.0131746) wurde zudem festgestellt, dass Kinder, die eine Prothese mit Antrieb vor Ende ihres zweiten Lebensjahrs angepasst bekamen, diese besser akzeptierten, als danach. Unter diesen Voraussetzungen entwickelte Ben zunächst einen Schaumstoffarm für seinen Sohn, und später eine hydraulische Prothese, mit der Sol seinen Daumen selbst bewegen konnte.

Ben entwickelte und erstellte seine hydraulische, 3D-gedruckte Armprothese mit dem Connex-3D-Drucker von Stratasys. Zunächst übte er mit selbst entworfenen Prototypen und stellte dann mit 3D-Druck flexible Auslöser und einen Leistungssplitter (doppelt wirkenden spiralförmigen Federkörper – DAHB) für die Prothese her. Laut Ben kann der Träger mit dem DAHB-Gerät im manuellen Modus bzw. mit assistiver Kraft (mithilfe von Druckluft oder einer hydraulischen Pumpe und dem entsprechenden Reservoire) den Daumen strecken und beugen. Im Falle einer Leistungsunterbrechung lässt sich der Greifvorgang jedoch auch weiterhin manuell durchführen.

„Der Erfolg meines patentierten DAHB-Mechanismus stützt sich auf die fortschrittlichen Fähigkeiten des Connex-Druckers von Stratasys, d. h., die Möglichkeit, steife und weiche Materialien in einem einzelnen Druckvorgang zu kombinieren, war von grundlegender Bedeutung für die Funktionstüchtigkeit des Designs,” erklärte Ben. „Wir hatten das Glück, diese Technologie zur Verfügung zu haben, mit der wir schnell und kosteneffizient einen Prototyp des Arms im 3D-Druck herstellen konnten. Mit der Gründung von Ambionics möchte ich nun sicherstellen, dass andere Kinder mit fehlenden Extremitäten ebenfalls nicht den aktuellen Beschränkungen und Verzögerungen der herkömmlichen Prothesenherstellung ausgesetzt sind.” Für die Entwicklung des Designs für die Prothese verließ sich Ben auf Autodesk Fusion 360.

„Es handelt sich um ein innovatives und ehrgeiziges Projekt und es ist sehr inspirierend gewesen, mit Ben daran zu arbeiten”, meint Paul Sohi, ein Produktdesign-Experte bei Autodesk. „Es ist faszinierend, dass Ben, obwohl er keinen wirklichen Hintergrund im Produktdesign hat, effektiv autodidaktisch genügend gelernt hat, um etwas zu schaffen, das nicht nur seinem eigenen Sohn Sol helfen wird, sondern über Ambionics potenziell auch anderen Kindern mit denselben Problemen zur Verfügung stehen kann.”

Ebenso wie das leichte, 3D-gedruckte Design, das weniger wiegt als herkömmliche, myoelektrische Alternativen, ist die hydraulische Prothese körpergesteuert und ermöglicht es den Kleinkindern, sich früher als mit den herkömmlichen Prothesen an ihren „Arm” zu gewöhnen. Die Fähigkeit des Designs von Ambionics, ohne irgendwelche elektrischen Geräte oder Batterien zu funktionieren, ist einzigartig und reduziert die Verletzungsgefahr.

Vom Scan-Bild des Arms zur tragbaren Prothese in fünf Tagen

Während es mit dem NHS elf Wochen dauert, bis der Gipsabdruck des Arms zu einer tragbaren Prothese verarbeitet wird, war Ben Ryan in der Lage, die Prothese in nur fünf Tagen herzustellen. Mit der Flexibilität, das Scan-Bild aufzubewahren, können mit der digitalen Kopie und 3D-Druck problemlos Ersatzprothesen hergestellt werden.

„Im Grunde wurde die gesamte Prothese 3D-gedruckt”, fügt Ben hinzu. „Nur die starken, gummiartigen und auflösbaren Stützmaterialien von Stratasys machen die Herstellung und Benutzung von DAHB-Teilen möglich. Die internen Hohlräume sind komplex und es wäre unmöglich, das Stützmaterial mit mechanischen Mitteln zu entfernen. Die Materialien müssen einerseits stark und andererseits flexibel sein, denn sie werden verwendet, um Flüssigkeitsdruck für die Greifvorgänge zu übertragen.”

Nachdem die DAHB-Technologie patentiert wurde, möchte Ambionics den Service weltweit für Dienstleister aus dem Gesundheitswesen bereitstellen. Das Unternehmen forscht und testet weiterhin an der Entwicklung von Kindern mit Prothesen. Am 1. März startet das Unternehmen eine Crowdfunding-Kampagne , die Anwendungstests medizinischer Hilfsmittel ermöglicht, um notwendige Autorisierungen genehmigt zu bekommen, um das Produkt auf den Markt zu bringen.

„Dieser Fall ist ein erneuter Beweis dafür, dass 3D-Druck das Leben der Menschen verbessern kann”, meint Scott Rader, Generaldirektor der Abteilung Lösungen für das Gesundheitswesen von Stratasys. „Wir unterstützen auch weiterhin tatkräftig innovative Unternehmer wie Ben, um eine Personalisierung in der Prothesenmassenproduktion möglich zu machen”, erklärt er.

Bild: Der zweijährige Sol mit seiner vollständig funktionierenden, mit dem 3D-Drucker von Stratasys hergestellten hydraulischen Armprothese, die es ihm ermöglicht, seinen Daumen selbst zu bewegen. Quelle: Stratasys.