Indirekter 4D-Druck für Implantate

Ungefähr eines von tausend Kindern bildet Engstellen in den Harnwegen aus. Damit sich der Urin nicht lebensgefährlich staut, müssen Kinder­chirurgen wie Gaston De Bernardis vom Kantonsspital Aarau die Verengungen an der Harnröhre heraus­schneiden und die offenen Enden der Röhre wieder aneinander nähen. Es wäre schonender für die Nieren, wenn die Engstelle mit Hilfe eines Stents bereits im Mutterleib erweitert werden könnte. Solche Prothesen – die Stents – werden für die Behandlung von verengten Herzkranz­gefäßen schon länger verwendet. Doch die Harnwege von Föten sind viel kleiner. Stents in so kleinen Dimensionen sind mit her­kömmlichen Methoden nicht machbar. Deshalb ist De Bernardis auf das Multi-Scale Robotics Lab der ETH Zürich zugegangen. Nun haben die Forscher ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie detailreiche Strukturen im Bereich von weniger als 100 Mikrometer Durch­messer herstellen können.

„Wir haben den kleinsten Stent der Welt gedruckt – mit Merkmalen, die vierzigmal kleiner sind als was bisher hergestellt werden konnte“, sagt Carmela De Marco. Die Gruppe nennt das von ihr entwickelte Verfahren indirekten 4D-Druck. Dabei brennen die Forscher mit Laserlicht eine drei­dimensionale Schablone – ein 3D-Negativ – in eine mit einem Lösungsmittel auflösbare Schicht. Dann füllen sie die Lücke mit einem Form­gedächtnis-Polymer und fixieren die Struktur mit UV-Licht. Schließlich entfernen sie die Schablone in einem Lösungs­mittelbad – fertig ist der drei­dimensionale Stent. 

Die vierte Dimension kommt aufgrund des Formgedächt­nisses des Stents hinzu. Das Material lässt sich zwar deformieren, aber es erinnert sich an seine Ursprungsform – und kehrt zu ihr zurück, wenn es genügend warm ist. „Das Form­gedächtnis-Polymer eignet sich für die Behandlung von Harnwegs­verengungen. Der Stent lässt sich zusammen­gestaucht durch die Engstelle schieben. Wenn er zu seiner Ursprungs­form zurückfindet, spannt er dann dort den verengten Harnweg auf“, sagt Gaston De Bernardis.

Noch ist der Weg zur Anwendung weit. Die Stents müssen zuerst im Tiermodell getestet werden, bevor Studien am Menschen zeigen können, ob diese Stents bei Kindern mit den angeborenen Harnweg­defekten helfen können. Aber die ersten Ergebnisse sind vielver­sprechend. „Wir sind überzeugt, dass unsere Resultate der Entwicklung von neuen chirur­gischen Werkzeugen für minimal invasive Operationen den Weg weisen“, sagt Carmela De Marco.

ETHZ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. de Marco et al.: Indirect 3D and 4D Printing of Soft Robotic Microstructures, Adv. Mat. Tech., online 5. Juli 2019; DOI: 10.1002/admt.201900332
• Multi-Scale Robotics Lab, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich