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Forschen für Zahnspangen in Chic

Mit 3-Druck-Verfahren lassen sich künftig nicht nur Zahnimplantate fertigen. Es geht viel mehr.

Gebissprothesen und Zahnersatz aus dem Drucker. Hier ist die Metallkonstruktion zu sehen, die dann noch mit biokompatiblen Material beschichtet wird.
Gebissprothesen und Zahnersatz aus dem Drucker. Hier ist die Metallkonstruktion zu sehen, die dann noch mit biokompatiblen Material beschichtet wird. © Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS

Wenn ein Mitschüler nach dem Besuch beim Zahnarzt zum ersten Mal mit fester Zahnspange in der Schule erschien, war die Frage immer dieselbe: „Wie lange musst du das Ding jetzt tragen?“ Meist folgten mitleidige Blicke. Da half es auch nicht tapfer zu erklären, dass die fest auf den Zahn geklebten sogenannten Brackets dafür sorgen, dass das Lächeln in zwei Jahren wunderschön sein wird.

Die Optik der metallenen Hilfsmittel lässt einfach zu wünschen übrig. Am Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS suchen Wissenschaftler nach ästhetischeren Möglichkeiten für die festen Zahnspangen. Es ist nur ein Projekt von mehreren, in denen neue Ideen für die Medizin erprobt werden. Individuelle Zahnprothesen, Muskeln oder mit Sensoren ausgestattete Beinprothesen sollen schon bald per 3-D-Druck hergestellt werden können.

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Am Fraunhofer IWS ist Frank Brückner Technologiefeldleiter für die Themen Generieren und Drucken. Die Dentalmedizin kannten er und sein Team früher lediglich von den eigenen Besuchen beim Zahnarzt. Heute beschäftigen sie sich mit kieferchirurgischen Behandlungen und Materialien, die dabei verwendet werden. Wichtiges Hintergrundwissen steuern dafür Ärzte aus den Universitätskliniken Dresden und Leipzig bei. „Ausgangspunkt war damals die Erkenntnis, dass der menschliche Körper bei bestimmten Behandlungen individuelle Lösungen braucht“, sagt Brückner. Und, dass damit Veränderungen auf dem Gebiet der Medizin notwendig werden.

Lab-on-Chip-Systeme sollen perspektivisch Tierversuche substituieren und einen patientenspezifischen Medikamenteneinsatz ermöglichen. »Atem« nimmt die Produktion dieser Systeme in den Blick, um filigrane Halbleitersysteme direkt, biokompatibel und fluidis
Lab-on-Chip-Systeme sollen perspektivisch Tierversuche substituieren und einen patientenspezifischen Medikamenteneinsatz ermöglichen. »Atem« nimmt die Produktion dieser Systeme in den Blick, um filigrane Halbleitersysteme direkt, biokompatibel und fluidis © Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS

Es geht um passgenaue Lösungen für Patienten, um die Langlebigkeit von eingesetzten Komponenten und eine gute Verträglichkeit dafür vorgesehener Materialien. Daran arbeiten die Dresdner nicht allein. Bereits 2008 begann die Zusammenarbeit mit dem Center for Advanced Manufacturing Technologies (CAMT) der Technischen Universität Breslau, das sich intensiv mit der Erforschung der additiven Fertigung, also industrieller 3-D-Druck-Verfahren, beschäftigt. „Außerdem kooperieren wir eng mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz“, erklärt er weiter.

Bei den festen Zahnspangen war die zentrale Frage für alle, aus welchem Material und mit welcher Oberflächenbeschaffenheit sie später gedruckt werden. Heutzutage gibt es sie entweder aus Metall, aus Keramik oder Kunststoff. „Metallbrackets aus rostfreiem Stahl sind stabil, kostengünstig, aber sehen im Mund nicht sonderlich gut aus“, beschreibt Juliane Moritz die Vorteile des am häufigsten eingesetzten Materials. Sie ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Additive Manufacturing Center Dresden, eine Kooperation zwischen dem Fraunhofer IWS und der TU Dresden.

Ein besseres Gebiss

Ein großer Nachteil der Metallvariante: Zwischen Zahn und Material kann sich Zahnbelag bilden, der wiederum Karies verursacht. Alternativen aus Kunststoffe oder Keramik überzeugen ebenfalls nicht komplett. Erstere neigen zum Aufquellen, zweitere sind zwar ästhetischer, reiben jedoch am Zahn und lassen sich schlecht wieder entfernen.

„Die eine zufriedenstellende Lösung gibt es auf dem Markt noch nicht“, sagt Juliane Moritz. Der Ansatz der Forscher: Kunststoff-Metall-Hybridbauteile könnten in Zukunft helfen. Die Brackets aus rostfreiem Stahl erhalten während der Herstellung eine Oberfläche aus Kunststoff. Damit ließen sich Materialvorteile vereinen. Das Ergebnis wäre gut verträglich und zudem antimikrobiell, was Karies vorbeugt. Ein wichtiger Punkt sei aber auch die bessere Optik solch einer Lösung, betont Brückner. „In der Zahnmedizin spielt die Ästhetik für die Patienten eine immer wichtigere Rolle.“ Die nun entwickelte Alternative könnte farblich viel besser an die Zähne angepasst werden.

Ein weiteres Projekt auf dem Gebiet der Dentalmedizin beschäftigt sich mit Dehnungsapparaturen in der Kieferchirurgie. Beispielsweise eingesetzt in den Unterkiefer sorgen diese sogenannten Distraktoren für ein schrittweises Spreizen des Kiefers, um die Regeneration des Knochens anzuregen. „Mit der additiven Fertigung sind hier individuelle Apparaturen möglich, die perfekt auf den Kiefer passen“, erklärt Frank Brückner. Zudem garantieren neue Materialzusammensetzungen eine bessere Biokompatibilität.

Piezosensoren sollen in Schuheinlagen eingedruckt dabei helfen, die Gewichtsverteilung zu analysieren. Das kann dabei helfen, Haltungsschäden vorzubeugen.
Piezosensoren sollen in Schuheinlagen eingedruckt dabei helfen, die Gewichtsverteilung zu analysieren. Das kann dabei helfen, Haltungsschäden vorzubeugen. © Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS

Intelligente Implantate

Der Fokus liegt auf mehr Funktionalitäten, die durch den 3-D-Druck in Implantate oder auch Prothesen integrierbar sind. Diese fortschrittlichen Möglichkeiten ergeben sich durch kleinste Sensoren oder Mikrochips in den Bauteilen. Für die elektrische Leitfähigkeit nach außen sorgen Druckpasten aus Silber oder Kupfer, die während des Herstellungsprozesses eingearbeitet werden. „Wir arbeiten beispielsweise an Konzepten für neuartige Beinprothesen“, erläutert Lukas Stepien, Gruppenleiter am Fraunhofer IWS.

Ausgestattet mit Drucksensoren könnten diese zum Beispiel Probleme kommunizieren, wenn die Prothese nicht richtig sitzt. Auch auf Temperaturänderungen sollen die Sensoren reagieren. Steigt diese im Umfeld der Prothese nach der Operation an und droht eine Entzündungsreaktion, sind die zuständigen Ärzte oder Pflegekräfte darüber schnellstmöglich informiert.

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Das CAMT-Labor an der Universität für Wissenschaft und Technik in Breslau.
Das CAMT-Labor an der Universität für Wissenschaft und Technik in Breslau. © Center for Advanced Manufacturing Technologies (CA

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