Robotergestützte Chirurgie ermöglicht es Ärzten, komplexe medizinische Eingriffe mit größerer Präzision, Kontrolle und Flexibilität durchzuführen. Laut der Mayo Clinic umfassen die Vorteile der robotergestützten Chirurgie weniger Schmerzen und Blutverlust, schnellere Genesungszeiten und kleinere Narben. Diese minimalinvasiven Verfahren können auch die Rate von Komplikationen wie Wundinfektionen reduzieren. Mit den heutigen Operationsrobotern können Ärzte sogar hochauflösende Ansichten mithilfe von Bildgebungstechnologien erhalten, die dem bloßen Auge überlegen sind.
Der 3D-Druck, eine Form der additiven Fertigung, kann robotergestützte Operationen unterstützen, doch nicht alle 3D-Drucker erreichen die erforderliche hohe Präzision. Innerhalb von Roboterbaugruppen benötigen 3D-gedruckte Komponenten enge Toleranzen für die Passung der Teile. Mikroskalige Bauteilgrößen sowie eine extrem hohe Auflösung und Genauigkeit sind auch für bestimmte Anwendungen erforderlich, wie z.B. weiche Roboterendoskope. Komplexe 3D-gedruckte Teile mit feinen Strukturen können minimalinvasive Verfahren unterstützen, doch das ist nicht der einzige Aspekt, der zu berücksichtigen ist.
Für Anwendungen mit Weichgewebekontakt müssen 3D-gedruckte Teile für Operationsroboter biokompatible und sterilisierbare Materialien verwenden. Die Oberflächen dieser hochpräzisen Komponenten müssen glatt sein, und Konstrukteure wünschen sich die Freiheit, 3D-gedruckte Teile mit nicht-3D-gedruckten Komponenten wie Sensoren und Aktuatoren zu integrieren. Laut dem National Center for Biotechnology Information nutzen die meisten Operationsroboter die additive Fertigung für komplexe, kompakte und anpassbare Teile.
PµSL 3D-Druck für chirurgische Robotik
Als der erste Operationsroboter, der PUMA 560, in den 1980er Jahren entwickelt wurde, waren Mikrospritzguss und CNC-Bearbeitung die primären Methoden zur Prototypenentwicklung und Fertigung hochpräziser Bauteile. Aufgrund ihrer Werkzeugkosten und Durchlaufzeiten begrenzten diese traditionellen Fertigungsformen jedoch die Geschwindigkeit und den Umfang der Innovation. Rapid Prototyping für patientenspezifische Lösungen war besonders unpraktisch, da hohe Stückzahlen von Bauteilen erforderlich sind, um die Werkzeugkosten zu amortisieren.
Heute trägt der 3D-Druck mittels Projection Micro Stereolithography (PµSL) zur Weiterentwicklung der chirurgischen Robotik bei. Die PµSL-Technologie kombiniert höchste Präzision, Auflösung und Genauigkeit mit der Verwendung biokompatibler Materialien, die sterilisierbar sind. Wichtig ist, dass PµSL Bauteile für chirurgische Roboter wesentlich schneller fertigt als herkömmliche Mikrofertigungstechniken. Andere Formen des 3D-Drucks können ebenfalls den Bedarf an Werkzeugen eliminieren, aber PµSL arbeitet im Mikromaßstab mit erstklassiger Auflösung.
Beim PµSL-3D-Druck wird ein photosensitives Flüssigharz ultraviolettem (UV-)Licht ausgesetzt, wodurch eine schnelle Photopolymerisation des gesamten Harzvolumens erfolgt. Die Zwei-Photonen-Polymerisation (TPP-DLW), eine weitere 3D-Drucktechnologie, kann ebenfalls kleine Bauteile mit ultrahoher Präzision herstellen, ist jedoch ein wesentlich langsamerer Prozess. Die traditionelle Stereolithografie (SLA) kann überhaupt keine hochpräzisen Bauteile fertigen, und das Fused Deposition Modeling (FDM) ist auf Bauteile mit geringer Präzision und rauen Oberflächen beschränkt.
Hochpräzise 3D-gedruckte Teile für Operationsroboter
Operationsroboter haben zwei Hauptanwendungsbereiche für hochpräzise 3D-gedruckte Teile: Endoskope und chirurgische Instrumente. Endoskope bestehen aus einer winzigen Kamera, die an einem langen, dünnen Schlauch befestigt ist und durch einen Körpergang oder eine Öffnung geführt wird. Chirurgische Instrumente können Endoskope umfassen, aber diese Kategorie von 3D-gedruckten Teilen beinhaltet viele andere Arten von Geräten, die im Endeffektor eines Roboters gehalten werden, wodurch der Operationsroboter mit dem Patienten interagieren kann.
Für beide Arten von Anwendungen in der Operationsrobotik kann die PµSL-Technologie mikroskalige Teile mit Submillimeterauflösung herstellen. Als beispielsweise die University of Leeds weiche Endoskope benötigte, erzielte Dr. James Chandler mit dem MicroArch® S140, einem 3D-Drucker der 10µm-Serie von Boston Micro Fabrication (BMF), nach eigenen Angaben „fantastische Ergebnisse“. Die Ultrahochauflösungs-3D-Drucker von BMF können die Anwendungen der Operationsrobotik auch durch die Unterstützung von chirurgischen Instrumenten wie Mikronadeln sowie durch Anwendungen, die Sensoren und Mikroelektronik umfassen, erweitern.
Heute ist BMF das weltweit einzige Unternehmen, das eine 3D-Drucklösung anbietet, die in Bezug auf Auflösung, Größe und Toleranz dem Präzisionsspritzguss ebenbürtig ist. Die 3D-Mikrodrucker von BMF konkurrieren auch mit traditionellen Mikrofertigungstechniken hinsichtlich der Oberflächenqualität, was für die chirurgische Robotik und andere Anwendungen, die glatte Oberflächen erfordern, von Bedeutung ist. „Wenn wir die Teile des Druckers erhalten“, sagt Dr. Chandler von der University of Leeds, „fühlen sie sich genau wie spritzgegossene Teile an“.
Um mehr über hochpräzise 3D-gedruckte Teile für die chirurgische Robotik zu erfahren, kontaktieren Sie BMF.
