EP3687764A1

EP3687764A1 - Anatomische silicon-modelle und deren additive herstellung

Info

Publication number: EP3687764A1
Application number: EP17786840.3A
Authority: EP
Inventors: Vera SEITZ; Hannah RIEDLE
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2020-08-05
Also published as: JP2020535043A; WO2019063105A1; US20200316850A1; KR20200049837A; WO2019063105A8; CN111263693A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer 3D- Druckvorrichtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine durch elektromagnetische Strahlung vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung als Druckmasse zum Einsatz kommt. Durch schichtweises Aufbringen der Druckmassen wird zudem die Fertigung komplexer Anatomienermöglicht. Die so erzeugten anatomischen Modelle sind besonders realitätsnah und können medizinischem Fachpersonal zum Beispiel zur Ausbildung, Einübung von Operationstechniken, Veranschaulichung komplexer Krankheitsbilder oder patientenindividualisierter, präoperativer Operationsplanung dienen. Die Erfindung betrifft auch durch das vorgenannte Verfahren hergestellte anatomische Modelle.

Description

Anatomische Silicon-Modelle und deren additive Herstellung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer SD- Druckvorrichtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine durch elektromagnetische Strahlung vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung als Druckmasse zum Einsatz kommt. Durch schichtweises Aufbringen der Druckmassen wird zudem die Fertigung komplexer Anatomien ermöglicht.

Die so erzeugten anatomischen Modelle sind besonders

realitätsnah und können medizinischem Fachpersonal zum Beispie zur Ausbildung, Einübung von Operationstechniken,

Veranschaulichung komplexer Krankheitsbilder oder

patientenindividualisierter, präoperativer Operationsplanung dienen. Die Erfindung betrifft auch durch das vorgenannte Verfahren hergestellte anatomische Modelle.

Stand der Technik

Anatomische Modelle, auch Biomodelle genannt, dienen in der Medizin zur Veranschaulichung von anatomischen, gesunden oder pathologischen Strukturen im Körper. Diese werden

beispielsweise in der Ausbildung von medizinischem Fachpersona eingesetzt, um die Anatomie anschaulich an einem haptischen, dreidimensionalen Modell darzustellen. Des Weiteren können an solchen Modellen medizinische Eingriffe oder OP-Techniken demonstriert und geübt werden. Dabei können auch spezielle Instrumente verwendet werden oder für Ihren späteren Einsatz evaluiert werden. Besonders eignen sich die Modelle auch zur Erprobung neuer medizinischer Produkte oder OP-Techniken. Um dies unter möglichst realen Bedingungen durchführen zu können, sollen die Eigenschaften des Modells das jeweilige Gewebe oder Körperteil möglichst genau nachbilden. Wichtige Eigenschaften können dabei mechanische Eigenschaften (wie beispielsweise Härte, Elastizität, Reißfestigkeit, Reißdehnung, etc.), Oberflächeneigenschaften, optische Eigenschaften, oder das Verhalten im Gebrauch, wie beispielsweise das

Schnittverhalten oder die Möglichkeit an einem solchen Modell Nähte zu setzen, sein.

Neben generischen anatomischen Modellen, die eine exemplarische anatomische Struktur darstellen, gibt es patientenindividuelle Modelle, die die Anatomie eines bestimmten Patienten

wiedergeben. Diese können beispielsweise vom behandelnden Arzt für die präoperative OP-Planung oder für die Aufklärung des Patienten verwendet werden. Auch an diesen Modellen können unterschiedliche OP-Strategien im Voraus geübt werden oder beispielsweise passende Instrument- und Implantatgrößen

bestimmt werden.

Aufgrund der Komplexität und Variabilität der Bauteile im

Bereich der anatomischen Modelle eignen sich additive

Fertigungsverfahren besonders für die Realisierung haptischer Biomodelle. Steife anatomische Modelle, wie beispielsweise Knochen, können in diversen additiven Verfahren und

unterschiedlichen, überwiegend thermoplastischen Materialien realisiert werden.

Nachteilig ist jedoch, dass diese Verfahren und

Druckmaterialien sich für viele anatomische Strukturen nur bedingt oder gar nicht für die Herstellung von Modellen eignen. Insbesondere für weiche, elastische Elemente, die sich unter einer Belastung einfach verformen, stellen diese Modelle keine Möglichkeit dar, Behandlungs- oder OP-Situationen realitätsnah nachzustellen. Dies betrifft insbesondere anatomische

Strukturen wie Muskeln, Sehnen, Bänder, Blutgefäße, Knorpel, Haut, Schleimhaut und weiche Knochensegmente. Solche weichen Modelle werden derzeit indirekt als Beschichtungs- oder

Gussmodelle von 3D-gedruckten steifen Negativen gefertigt.

Ein Nachteil von indirekten Verfahren besteht darin, dass die Fertigung komplexer anatomischer Modelle nicht oder nur unter sehr hohem Aufwand möglich ist. Komplexe anatomische Modelle enthalten meist ein oder mehrere besondere geometrische

Merkmale, die eine konventionelle Fertigung mittels

Gießverfahren verhindern. Dies können Hinterschnitte,

Verzweigungen, innere Hohlräume, Kanäle, unebene Oberflächen, innere Lattices/ Balkenstrukturen, bionische Strukturen, verzweigte Netzwerke an anatomischen Elementen oder ähnlich aufwändige Strukturen sein.

Des Weiteren haben alle indirekten Verfahren den Nachteil, dass viele einzelne Fertigungsschritte nötig sind, um ein

anatomisches Silicon-Modell zu fertigen und es sich somit um einen zeitaufwändigen, kostenintensiven Prozess mit teilweise hohem Anteil an manuellen Arbeitsschritten handelt. Die Herstellung von anatomischen Modellen durch direkte 3D- Druck-Verfahren ist im Stand der Technik kaum bekannt.

WO 2015/107333 AI beschreibt ein 3D-Druck Verfahren zur

Herstellung von anatomischen Prothesen aus Siliconelastomeren durch (kontinuierliche) Extrusion der vernetzungsfähigen

Siliconkautschukzusammensetzung aus einer Mischdüse mittels Spritzenpumpen. Die hier beschriebenen härtbaren

Siliconzusammensetzungen sind also speziell für das kontinuierliche Dispensen dünner Stränge angepasst und auf zweikomponentige, bei Raumtemperatur härtbare (RTV)

Siliconmassen beschränkt. Es können zudem nur Härten zwischen 10 und 26 Shore A und Zugfestigkeiten von 1,1 bis 3,3 kN/m erreicht werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist die für den Druck feiner Details nicht erreichbare, ortsgenaue Platzierung kleinster Mengen der Silicon-Druckmasse. Des Weiteren lässt sich der Vernetzungszeitpunkt nach dem Vermischen der beiden Kautschukkomponenten nicht mehr beeinflussen, was u.a. den Nachteil hat, dass im Verlauf des Druckvorgangs sehr

unterschiedlich stark vernetzte Bereiche der

Siliconkautschukzusammensetzung in Kontakt gebracht werden (wenn die Verarbeitungszeit der Druckmasse kürzer als die

Druckzeit ist) oder dass die Tragfähigkeit der gedruckten

Struktur nicht gegeben ist (wenn die Verarbeitungszeit der Druckmasse länger als Druckzeit ist) .

In WO 2013/072874 AI wird ein auf dem Multij et-Druck von

Drucktinten auf Acrylatbasis basierendes Verfahren zur

Erstellung von anatomischen Modellen aus medizinischen

Bilddaten beschrieben. Des Weiteren wird die Verwendung von gummiartigen Materialien beschrieben, die sich in ihren

Eigenschaften jedoch deutlich von den in dieser Erfindung verwendeten Siliconen unterscheiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das die einfache und kostengünstige Herstellung von komplexen anatomischen Modellen ermöglicht. Bezüglich der mechanischen und optischen Eigenschaften sollen die

anatomischen Modelle die jeweiligen realen Gewebe oder

Körperteile möglichst genau nachbilden. Abbildungen

Abbildung 1: Segmentiertes digitales Knochenmodell (oben) und segmentiertes digitales Weichgewebemodell (unten) jeweils vom Gesichtsbereich

Abbildung 2: Nachbearbeitetes digitales Knochenmodell (oben) und Nachbearbeitetes digitales Weichgewebemodell (unten) jeweils vom Gesichtsbereich

Abbildung 3: Zugeschnittenes digitales Gesamtmodell vom

Gesichtsbereich

Abbildung 4: Digitales LKGS-Modell mit einseitiger kompletter Lippen-Kiefer-Gaumenspalte

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer SD- Druckvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte

umfasst :

1) schichtweises Aufbringen einer oder mehrerer Druckmassen auf eine Trägerplatte, auf ein darauf positioniertes Fremdbauteil oder zuvor aufgebrachten Druckmassen-Schicht, wobei die

Druckmassen wenigstens ein strukturbildendes Druckmaterial bestehend aus einer durch elektromagnetische Strahlung

vernetzbaren Siliconkautschukzusammensetzung umfassen;

2) Vernetzung oder Anvernetzung der aufgebrachten Druckmasse durch elektromagnetische Strahlung;

3) Wiederholung der Schritte 1) und 2) bis das anatomische Modell komplett aufgebaut ist. Geeignete 3D-Druckvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise in WO 2016/071241 AI beschrieben. Die 3D-Druckvorrichtung enthält bevorzugt mindestens eine Austragevorrichtung, eine Quelle für elektromagnetische Strahlung und eine Trägerplatte.

Vorzugsweise ist die Austragevorrichtung so eingerichtet, dass Druckmassen in Form einzelner isolierter Tropfen (Voxel) , als Tropfenreihe oder in Form eines Strangs abgegeben werden können. Fließende Übergänge zwischen diesen Formen sind möglich .

Zur Abgabe einzelner Tropfen kann die Austragevorrichtung eine oder mehrere Düsen umfassen, die Flüssigkeitstropfen aus Druckmasse in Richtung der Basisplatte emittieren. Solche Düsen werden auch als Jetting-Düsen bezeichnet.

Zur Abgabe von Strängen aus Druckmasse wird die Druckmasse mittels Druckbeaufschlagung eines Vorratsbehälters, z.B. aus einer Kartusche, Spritze oder einem Fass, durch eine Düse als Strang herausgepresst und auf der Basisplatte zum Objekt selektiv abgeschieden. Derartige Austragevorrichtungen werden auch als Dispenser bezeichnet. Es können mehrere, auch technisch unterschiedliche Austragevorrichtungen für verschiedene Druckmassen in der SD- Druckvorrichtung vorgesehen sein. So kann die SD- Druckvorrichtung eine oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Jetting-Düsen und/oder einen oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Dispenser aufweisen. Die Austragevorrichtung umfasst bevorzugt Jet-Ventile mit Piezoelementen . Diese ermöglichen das Austragen sowohl niedrigviskoser Materialien, wobei Tropfenvolumen für Tropfen von einigen wenigen Pikolitern (pL) (2 pL entsprechen einem Tropfendurchmesser von ca. 0,035 ym) realisiert werden können, als auch mittel- und hochviskoser Materialien wie insbesondere Siliconkautschukmassen, wobei Piezo-Druckköpfe mit einem Düsendurchmesser zwischen 50 und 500 ym bevorzugt werden und Tropfenvolumen im Nanoliter-Bereich (1 bis 100 nL) erzeugt werden können. Mit niedrigviskosen Massen (kleiner als 100 mPa-s) können diese Druckköpfe Tröpfchen mit sehr hoher Dosierfrequenz abgeben (ca. 1 bis 30 kHz), während mit höherviskosen Massen (über 100 Pa -s) in Abhängigkeit von den rheologischen Eigenschaften (scherverdünnendes Verhalten) Dosierfrequenzen bis zu ca. 500 Hz erzielt werden können. Geeignete Jetting-Düsen sind im Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise in DE 102011108799 AI beschrieben.

Vorzugsweise werden die Druckmassen in Form von Tropfen

aufgetragen. Ganz besonders bevorzugt werden die Druckmassen mittels Drop-on-Demand-Verfahren (DOD-Verfahren) aufgetragen. Das DOD-Verfahren ist besonders geeignet um komplexe Modelle herstellen zu können. Im Drop-on-Demand-Verfahren wird jeder gedruckte Tropfen zuvor gezielt erzeugt und an einen für diesen Tropfen definierten Ort abgelegt.

Die Druckmassen der vorliegenden Erfindung umfassen wenigstens ein strukturbildendes Druckmaterial bestehend aus einer durch elektromagnetische Strahlung vernetzbaren Siliconkautschuk- Zusammensetzung. Unter einem strukturbildenden Druckmaterial wird bei der vorliegenden Erfindung ein Druckmaterial

verstanden, dass zum Aufbau der Struktur des anatomischen

Modells selbst eingesetzt wird. Im Vergleich dazu können auch verschiedene Stützmaterialien eingesetzt werden, die jedoch nach dem Aufbau des anatomischen Modells wieder entfernt werden . Die strukturbildenden Druckmassen können zusätzlich ein oder mehrere weitere vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzungen umfassen, die sich voneinander unterscheiden. Die

Siliconkautschukzusammensetzungen können sich im vernetzten Zustand beispielsweise hinsichtlich der Shore-Härte, der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit, der Farbe, der Transparenz, der Hydrophilie und/oder dem

Quellungsverhalten unterscheiden .

Geeignete Siliconkautschukzusammensetzungen sind im Stand der Technik bekannt. Besonders geeignet sind die in

WO 2017/081028 AI, WO 2017/089496 AI und WO 2017/121733 AI beschriebenen Siliconkautschukzusammensetzungen .

Die vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung und/oder gegebenenfalls zusätzliche Siliconkautschukzusammensetzungen weisen im unvernetzten Zustand bevorzugt eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevorzugt 40 Pa-s oder mehr, besonders

bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr und 1.000 Pa-s oder weniger, auf, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s^_1.

Die Viskosität der Siliconkautschukzusammensetzung kann mit einem Rheometer nach DIN EN ISO 3219: 1994 und DIN 53019 gemessen werden, wobei ein Kegel-Platte-System (Kegel CP50-2) mit einem Öffnungswinkel von 2° verwendet werden kann. Ein geeignetes Rheometer ist beispielsweise das „MCR 302" der Fa. Anton Paar; Graz, Österreich. Die Kalibrierung des Gerätes kann mit einem Standardmaterial, beispielsweise Normalöl 10000 der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig, Deutschland, durchgeführt werden.

Die Siliconkautschukzusammensetzungen können ein- oder mehr- komponentig, vorzugsweise einkomponentig formuliert werden.

Vorzugsweise handelt es sich bei den im erfindungsgemäßen

Verfahren eingesetzten Siliconkautschukzusammensetzungen um additionsvernetzende Siliconkautschukzusammensetzungen .

Additionsvernetzende Siliconkautschukzusammensetzungen werden typischerweise durch Reaktion von ungesättigten Gruppen z.B. Alkenyl-Gruppen mit Si-H-Gruppen (Hydrosilylierung) in der Siliconkautschukzusammensetzung vernetzt. Die Vernetzung kann entweder thermisch und/oder durch UV- oder UV-VIS-Licht

induziert werden. Solche Siliconkautschukmassen sind

beispielsweise aus WO 2016/071241 AI und in den darin zitierten Druckschriften bekannt.

Die Vernetzung kommt durch UV/VIS-induzierte Aktivierung eines lichtempfindlichen Hydrosilylierungskatalysators zustande, wobei Platin-Komplexe als Katalysatoren bevorzugt sind. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche lichtempfindliche Platinkatalysatoren bekannt, die unter Lichtausschluss weitgehend inaktiv sind und durch Bestrahlung mit UV/VIS-Licht in bei Raumtemperatur aktive Platin-Katalysatoren überführt werden können.

Die Druckmassen können zusätzlich ein oder mehrere der

folgenden strukturbildenden Druckmaterialien umfassen:

Silicongele, Siliconharze, Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie

Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Homo- und Copolymere. Bevorzugt handelt es sich bei den Druckmassen um Materialien, welche zumindest während der

Verarbeitung in einer fließfähigen Form vorliegen und nach dem Austrag ausgehärtet oder vernetzt werden können. Die

Druckmassen können ein- oder mehrkomponentig, vorzugsweise einkomponentig formuliert werden.

Die strukturbildenden Druckmassen umfassen die oben

beschriebenen Siliconkautschukzusammensetzungen vorzugsweise in einer Menge von 50 Gew.-% oder mehr, besonders bevorzugt

70 Gew.-% oder mehr, ganz besonders bevorzugt 90 Gew.-% oder mehr, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der

strukturbildenden Druckmassen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die strukturbildenden Druckmassen ausschließlich aus Siliconkautschukzusammensetzungen.

Die strukturbildenden Materialien können sich im vernetzten Zustand beispielsweise hinsichtlich der Shore-Härte, der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit, der Farbe, der Transparenz, der Hydrophilie und/oder dem

Quellungsverhalten unterscheiden.

Für anatomische Modelle können Materialien von gelartigen

Materialien (Penetrationsmessung) , über sehr weiche Materialien der Shorehärte-Skala AO oder 00 bis hin zu steifen Materialien der Shorehärte-Skala D eingesetzt werden. Bevorzugt sind

Materialien der Shorehärte 25 Shore 00 bis Shorehärte 90

Shore A. Besonders bevorzugt werden Silicone der Shorehärte 25 Shore 00 bis Shorehärte 90 Shore A eingesetzt. Die Messung der Shorehärte kann über ein Shorehärtemessgerät , z.B. nach DIN ISO 7619-1:2012-02 oder ASTM D2240 erfolgen. Für die Messung der Eindringhärte von Elastomeren wird die

Eindringtiefe eines federbelasteten Stifts in das Material gemessen. Dafür wird ein Probekörper einer vorgegebenen Dicke (z.B. 6 mm) auf eine ebene, harte Fläche gelegt und ein

definierter Eindringkörper für eine definierte Prüfzeit, z.B. 3 s, mithilfe der Prüfkraft senkrecht auf den Prüfkörper aufgebracht. Nach Ablauf der Prüfzeit kann der Anzeigewert der Shore-Härte abgelesen werden. Ein geeignetes Gerät ist

beispielsweise das Shore A Härteprüfgerät SHA.D3 der Firma Q- tec GmbH, Zeilarn, Deutschland. Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Druckmassen ist deren Elastizität, die das natürliche Verhalten bestimmter

biologischen Gewebe besonders realistisch nachstellen soll. Besonders bevorzugt werden dabei z.B. für Weichgewebe

Reißdehnungen der Druckmasse von 100 % bis 1000 ~6 , in

Abhängigkeit der jeweiligen Materialhärte.

Des Weiteren können die Druckmassen bevorzugt so eingefärbt werden, dass sie der optischen Erscheinung des biologischen Gewebes möglichst gut entsprechen. So können z.B. Druckmassen aus Silicon mit einem variablen Anteil an Farbpaste eingefärbt werden, bevorzugt können beispielsweise Muskeln in einem beliebigen Rotton eingefärbt werden, Knochen in weiß und

Hautpartien in einem Hautton. Des Weiteren kann entgegengesetzt zu dem biologischen Original, ein transluzentes oder optisch transparentes Material gewählt werden, um Vorgänge im Inneren des Modells besser visuell erfassen zu können.

Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Druckmasse ist ein möglichst realistisches Verhalten in der Trainingssituation am Modell. Die ausgewählten Druckmassen sollen sich beim

Schneiden, Durchtrennen, Vernähen, Separieren, Zusammenfügen durch Klammern oder Pflaster, etc. möglichst so verhalten, wie das Originalgewebe. Auch das Fließverhalten von Körperfluiden in, an oder über die anatomischen Siliconmodelle, die Verformung in einer manuellen Untersuchung durch den Arzt, etc. soll bevorzugt möglichst nahe den realen Gegebenheiten im

Körper entsprechen.

Die Druckmassen werden daher bevorzugt so ausgewählt, dass sie die entsprechende anatomische Struktur bezüglich der optischen, mechanischen und/oder haptischen Eigenschaften realitätsnah abbilden. Dies kann bevorzugt durch einen Vergleich der

Eigenschaften des biologischen Modells mit dem gedruckten haptischen Modell und iterative Anpassung der Materialauswahl erfolgen .

Durch die systematische Untersuchung der Eigenschaften und des Verhaltens der gedruckten Modelle soll eine möglichst

realitätsnahe Abbildung der Eigenschaften des biologischen Originals sichergestellt werden. Als Vergleichsgrundlage werden hierfür aus der Literatur bekannte Werte für das biologische Gewebe herangezogen. Falls solche Werte nicht existieren, werden Versuche an biologischen Proben durchgeführt um

Vergleichswerte zu generieren. An den Modellen werden

anschließend unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt. Zu diesen können unter anderem geometrische Untersuchungen,

Dichtemessungen, Zugversuche, Relaxationsversuche, statische und dynamische Belastungsversuche, statische und dynamische Verformungsversuche und Härtemessungen gehören. Weiterhin können diese Untersuchungen durch speziell auf das medizinische Umfeld angepasste Evaluationen, wie haptische Untersuchungen, Schnittversuche, Durchflussverhalten, Verhalten bei der

Separation unterschiedlicher Schichten und Nähverhalten

erweitert werden. Diese Untersuchungen bilden die Basis für die anschließende klinische Evaluation. Im ersten Schritt werden hier die

digitalen und haptischen Modelle an sich von medizinischen Experten betrachtet und bezüglich ihrer Eigenschaften, wie zum Beispiel der Darstellung der Anatomie, der Handhabung und

Qualität evaluiert. Falls es sich bei den Modellen um

Übungsmodelle handelt, werden diese in einem zweiten Schritt in einer medizinischen Simulation eingesetzt, d.h. an dem

jeweiligen Modell werden geeignete Untersuchungen oder

Behandlungen durchgeführt. Hierbei soll die Situation und

Durchführung der Untersuchung und Behandlung einer klinischen Situation am realen Patienten möglichst nahekommen. Das

Verhalten der Modelle in der medizinischen Simulation kann von medizinischem Fachpersonal sowie auch von technischen Experten evaluiert werden.

Basierend auf den Ergebnissen aller Untersuchungen werden die Modelle in der Entwicklung iterativ angepasst und

weiterentwickelt, um so möglichst realitätsnahe Modelle zu generieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Druckmassen zusätzlich ein oder mehrere Stützmaterialien, die nach

Abschluss des Aufbaus des anatomischen Modells wieder entfernt werden.

Das Setzen von Stützmaterial kann erforderlich sein, wenn das anatomische Modell Hohlräume, Hinterschnitte, überhängende, freitragende oder dünnwandige Teile aufweisen soll, da die Druckmassen nicht frei im Raum schwebend gesetzt werden können. Das Stützmaterial füllt während des Druckprozesses Raumvolumina aus und dient als Basis oder als Gerüst, um darauf die Druckmassen setzen und aushärten zu können. Das Stützmaterial wird nach Beendigung des Druckprozesses wieder entfernt und gibt die Hohlräume, Hinterschnitte sowie überhängenden, freitragenden oder dünnwandigen Partien des Druckobjekts frei. Zusätzlich kann Stützmaterial auch an Stellen vorgesehen werden, an denen es technisch nicht zwingend nötig ist. So können Bauteile beispielsweise in Stützmaterial eingepackt werden, um die Qualität des Druckergebnisses zu erhöhen oder die Oberflächenqualität des Druckerzeugnisses zu beeinflussen. In der Regel wird als Stützmaterial ein von dem Material des zu druckenden anatomischen Modells abweichendes Material verwendet, z.B. nicht vernetzendes und nicht kohäsives Material. Abhängig von der Geometrie des Objekts wird die notwendige Form des Stützmaterials berechnet. Bei der Berechnung der Form des Stützmaterials können verschiedene Strategien eingesetzt werden, um beispielsweise möglichst wenig Stützmaterial zu verwenden oder um die Maßhaltigkeit des Produktes zu erhöhen.

Wird Stützmaterial eingesetzt, so kann der Druckkopf eine oder mehrere weitere Austragevorrichtungen für das Stützmaterial aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann für das Austragen von Stützmaterial auch ein weiterer Druckkopf mit entsprechenden Austragevorrichtungen vorgesehen sein. Geeignete Stützmaterialien sind im Stand der Technik bekannt. Besonders geeignet sind Stützmaterialien, wie sie in WO 2017/020971 AI beschrieben sind.

Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Vernetzung oder Anvernetzung der aufgebrachten Druckmasse durch elektro- magnetische Strahlung. Die Einwirkung der elektromagnetischen

Strahlung auf die Druckmassen erfolgt vorzugsweise ortsselektiv oder flächig, gepulst oder kontinuierlich sowie mit konstanter oder veränderlicher Intensität. Es kann zweckmäßig sein, den gesamten Arbeitsbereich während des Drucks permanent zu bestrahlen, um vollständige Vernetzung zu erzielen, oder nur kurzzeitig der Strahlung auszusetzen, um gezielt eine unvollständige Vernetzung (Anvernetzung/

Grünfestigkeit) herbeizuführen, was u.U. mit einer besseren Haftung der Einzelschichten untereinander einhergehen kann.

Die Vernetzung oder Anvernetzung der Druckmassen erfolgt vorzugsweise thermisch und/oder durch UV- oder UV/VIS- Strahlung, ganz besonders bevorzugt durch UV- oder UV/VIS- Strahlung .

UV-Strahlung weist eine Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 380 nm auf, während sichtbares Licht (VIS-Strahlung) eine Wellenlänge im Bereich von 380 bis 780 nm aufweist.

Gegenüber einer thermischen Vernetzung hat die UV/VIS- induzierte Vernetzung Vorteile. Zum einen können Intensität, Einwirkungszeit und Einwirkungsort der UV/VIS-Strahlung genau bemessen werden, während das Aufheizen der ausgetragenen strukturbildenden Druckmaterialien (wie auch deren anschließendes Abkühlen) durch die relativ geringe thermische Leitfähigkeit stets verzögert erfolgt. Aufgrund des intrinsisch sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Siliconkautschukzusammensetzungen führen die bei thermischer Vernetzung zwangsläufig vorhandenen Temperaturgradienten zu mechanischen Spannungen, welche die Maßhaltigkeit des gebildeten Objekts negativ beeinflussen können, was im Extremfall zu inakzeptablen Formverzerrungen führen kann. Die Geschwindigkeit der UV/VIS-induzierten Vernetzung hängt von zahlreichen Faktoren ab, insbesondere von der Art und Konzentration des lichtempfindlichen Katalysators, von der Intensität, Wellenlänge und Einwirkungszeit der UV/VIS- Strahlung, der Transparenz, Reflektivität , Schichtdicke und Zusammensetzung der Druckmasse und der Temperatur.

Für die Aushärtung der UV/VIS-induziert vernetzenden Siliconkautschukmassen wird bevorzugt Licht der Wellenlänge 240 bis 500 nm, weiter bevorzugt 250 bis 400 nm, besonders bevorzugt 350 bis 400 nm, insbesondere bevorzugt 365 nm eingesetzt .

Um eine rasche Vernetzung zu erzielen, worunter eine Vernetzungszeit bei Raumtemperatur von weniger als 20 min, vorzugsweise weniger als 10 min, besonders bevorzugt weniger als 1 min verstanden werden soll, empfiehlt sich die Verwendung einer UV/VIS-Strahlungsquelle mit einer Leistung zwischen 10 mW/cm² und 20.000 mW/cm², bevorzugt zwischen 30 mW/cm² und 15.000 mW/cm², sowie eine Strahlungsdosis zwischen 150 mJ/cm² und 20.000 mJ/cm², bevorzugt zwischen 500 mJ/cm² und 10.000 mJ/cm². Im Rahmen dieser Leistungs- und Dosis-Werte lassen sich flächenspezifische Bestrahlungszeiten zwischen maximal 2.000 s/cm² und minimal 8 ms/cm² realisieren.

Werden Druckmassen eingesetzt, die unter UV/VIS-Einwirkung aushärten, so weist die 3D-Druckvorrichtung bevorzugt eine UV/VIS-Belichtungseinheit auf. Bei ortsselektiver Belichtung ist die UV/VIS-Quelle relativ zur Basisplatte beweglich angeordnet und beleuchtet nur ausgewählte Bereiche des Objekts. Bei einer flächigen Belichtung ist die UV/VIS-Quelle in einer Variante derart ausgestaltet, dass das gesamte Objekt bzw. eine gesamte Materialschicht des Objekts auf einmal belichtet wird. In einer bevorzugten Variante ist die UV/VIS-Quelle derart ausgebildet, dass ihre Lichtstärke oder ihre Energie variabel eingestellt werden kann und dass die UV/VIS-Quelle zur gleichen Zeit nur einen Teilbereich des Objekts belichtet, wobei die UV/VIS-Quelle derart relativ zu dem Objekt bewegt werden kann, dass das gesamte Objekt mit dem UV/VIS-Licht , ggf. in unterschiedlicher Intensität, belichtet werden kann. Beispielsweise ist die UV/VIS-Quelle hierzu als UV/VIS-LED Leiste ausgestaltet und wird relativ zu dem Objekt, bzw. über das gedruckte Objekt bewegt.

Im Fall von thermisch-vernetzbaren Druckmassen kann die Vernetzung durch IR-Strahlung erfolgen, z.B. mittels eines (N) IR-Lasers oder einer Infrarotlampe.

Für das Durchführen der Aushärtung wird eine Aushärtestrategie verwendet. Bevorzugt erfolgt eine Aushärtung der Druckmassen nach dem Setzen einer Schicht, nach dem Setzen mehrerer Schichten oder direkt während des Drucks.

Ein Aushärten der Druckmassen direkt während des Drucks wird als Direkt-Aushärtestrategie bezeichnet. Werden beispielsweise durch UV/VIS-Strahlung aushärtbare strukturbildende

Druckmaterialien verwendet, so ist im Vergleich zu anderen Aushärtestrategien die UV/VIS-Quelle sehr lange aktiv, so dass mit sehr viel geringerer Intensität gearbeitet werden kann, was zu einem langsamen Durchvernetzen des Objekts führt. Dies begrenzt die Erwärmung des Objekts und führt zu maßhaltigen Objekten, da keine Ausdehnung des Objekts aufgrund von Temperaturspitzen auftritt.

Bei der Pro-Layer-Aushärtestrategie erfolgt nach dem Setzen jeder vollständigen Materialschicht die strahlungsinduzierte Vernetzung der gesetzten Materialschicht. Während dieses Vorgangs verbindet sich die frisch gedruckte Schicht mit der ausgehärteten darunterliegenden gedruckten Schicht. Das Aushärten erfolgt nicht sofort nach dem Setzen einer Druckmasse, so dass die Druckmassen vor dem Aushärten Zeit haben, zu relaxieren. Hiermit ist gemeint, dass die Druckmassen ineinander fließen können, wodurch eine glattere Oberfläche als bei der Direkt-Aushärtestrategie erzielt wird. Bei der n-Layer-Aushärtestrategie wird ähnlich wie bei der Pro- Layer-Aushärtestrategie verfahren, jedoch wird das Aushärten erst nach dem Setzen von n Materialschichten vorgenommen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die für das Relaxieren der Druckmassen zur Verfügung stehende Zeit wird weiter erhöht, wodurch sich die Oberflächengüte weiter verbessert.

Das anatomische Modell besteht vorzugsweise zu 50 Gew.-% oder mehr, besonders bevorzugt 70 Gew.-% oder mehr, ganz besonders bevorzugt 90 Gew.-% oder mehr, aus einem oder mehreren

Siliconelastomeren, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des anatomischen Modells. In einer besonders bevorzugten

Ausführungsform besteht das anatomische Modell ausschließlich aus einem oder mehreren Siliconelastomeren. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das anatomische Modell auf Grundlage eines aus anatomischen

Messdaten generierten digitalen 3D-Modells hergestellt.

Die anatomischen Messdaten können dabei beispielsweise durch medizinische Bildgebungsverfahren oder Oberflächen-Scans erhalten werden.

Hierfür können unterschiedliche Verfahren genutzt werden, die bestimmte Körperbereiche sowohl im Inneren des Körpers (wie beispielsweise Organe, Muskeln, Knochen, Gewebe) als auch

Bereiche der Körperoberfläche eines Menschen erfassen. Hierfür können Oberflächen-Scan-Verfahren verwendet werden, wie

beispielsweise Laser-Scan-Verfahren, die außenliegende Körperbereiche erfassen oder durch das Einbringen in Körperöffnungen dahinterliegende Hohlräume abbilden (z.B. in der Mundhöhle oder im Gehörgang) . Des Weiteren können Verfahren der medizinischen Bildgebung für die Datenerfassung, wie beispielsweise die Röntgenaufnahmen, Computertomographie (CT) , die Magnetresonanztomographie (MRT) , Nuklearmedizin (NUK) , Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ,

Ultraschalluntersuchungen, Szintigraphie oder Kombinationen dieser verwendet werden.

Beim Erfassen der Daten muss darauf geachtet werden, dass die anatomischen Bereiche, die für das Silicon-Modell benötigt werden, vollständig und mit einer ausreichenden Auflösung abgebildet werden. Bei medizinischen Bilddaten kann

beispielsweise die Verwendung eines Kontrastmittels für die

Darstellung der Blutgefäße (bzw. des Blutflusses innerhalb des Lumens) nötig sein.

Aus den erfassten Daten kann ein digitales 3D-Modell erstellt werden. Als Grundlage für das digitale Modell werden die erfassten medizinische Bilddaten oder Daten aus dem

Oberflächenscanner verwendet. Die Daten des Scanners bestehen meist direkt als Oberflächendatensätze zum Beispiel im . stl Format. Die medizinischen Daten liegen meist als

Schichtdatensätze vor. Von besonderem Interesse sind hierbei sogenannte DICOM-Daten (Digital Imaging and Communications in Medicine) , die einen medizinischen Datenstandard für Röntgen, MRT, CT und Sonographie darstellen. Dabei ist bei 2D Aufnahmen jedem Pixel oder bei Schichtaufnahmen jedem Voxel ein Grau-, Signal- oder Parameterwert zugeordnet. Zusätzlich enthält das DICOM-Format weitere Informationen wie beispielsweise

Patientendaten oder Schichtdicke. Die Daten können alternativ beispielsweise auch im .nrrd-Format vorliegen. Die Erstellung eines Oberflächenmodells aus den medizinischen Schichtdaten erfolgt mittels Segmentierung. Die Segmentierung realisiert den Übergang von unstrukturierten Pixeln bzw.

Voxelmengen zu interpretierbaren Objekten (Segmenten). Jeder Pixel beziehungsweise Voxel wird hierbei einem bestimmten

Segment zugeordnet. Dies wird genutzt um spezifische

Gewebeklassen und/ oder anatomische Strukturen voneinander zu differenzieren und als eindeutig zusammengehörig zu definieren. Bei der manuellen Segmentierung wird die entsprechende Struktur in jedem einzelnen Schichtbild markiert. Bei Verfahren zur automatischen Segmentierung, die in pixel-, kanten- und

regionenbasierte Verfahren untergliedert und miteinander kombiniert werden, kann dieser Prozess zeitlich beschleunigt werden. Die pixelorientierten Schwellwertverfahren fassen inhaltlich zusammenhängende Regionen beziehungsweise Pixel oder Voxel mit demselben Grauwert gemäß eines Homogenitätskriteriums zusammen. Das zugrundeliegende Homogenitätskriterium ist die Hounsfield-Skala (HU-Skala, engl.: Hounsfield Units). Die HU- Skala ermöglicht einen standardisierten Vergleich verschiedener CT-Bilder durch die Relation des Abschwächungskoeffizienten von einem bestimmten Gewebe zu dem von Wasser (0 HU) . Die

Segmentierung kann entweder durch benutzeroberflächenorientierte Softwaretools oder durch direkte Programme

durchgeführt werden. Die entstandenen Segmente können

anschließend als Oberflächenmodelle zum Beispiel im . stl Format exportiert werden. Abhängig von der betrachteten anatomischen Struktur, des zur Verfügung stehenden Datensatzes und des geplanten Modelleinsatzes kann es sich auch als sinnvoll erweisen mehrere Datensätze, z.B. MRT und CT, und/oder mehrere Softwareprogramme zu kombinieren. Die Softwarekombination kann z.B. über einen Zwischenexport einer Modellvorstufe als . stl- Datei aus einem ersten Programm und die Übertragung dessen zurück auf die Schichtdaten in einem zweiten Programm erfolgen. Dies kann von Nutzen sein, wenn die Programme unterschiedliche Werkzeuge zur Segmentierung bereitstellen. Auch die Kombination mit einem direkten Segmentierungsprogrammcode ist hier unter Umständen zielführend.

Das digitale 3D-Modell kann vor dem Druck des anatomischen Modells digital nachbearbeitet werden. Die Nachbearbeitung der digitalen anatomischen Modelle kann volumen-, netz- und/oder punktbasiert erfolgen. Zur Nachbearbeitung der digitalen

Modelle können unterschiedliche Programme und

Softwareumgebungen genutzt werden, welche von klassischen

Ingenieurtools wie CAD-Programmen bis zu intuitiven manuellen Designumgebungen reichen.

Zunächst wird das Netz der Oberflächenmodelle, direkt aus dem Oberflächenscanner oder indirekt aus medizinischen Bilddaten über Segmentierung gewonnen, für die weitere Bearbeitung auf Fehler untersucht, bereinigt und wenn nötig geglättet. Um die Datenmenge der Modelle handhaben zu können wird auch eine

Netzvereinfachung durch eine Reduzierung der

Dreiecksoberflächen angestrebt. Die genannten Schritte zur Netzhandhabung werden in iterativen Schleifen auch nach

weiteren Modellbearbeitungsschritten fällig.

Zur Erstellung generischer Modelle kann die aus medizinischen Bilddaten und/oder Scandaten erstellte Oberfläche entsprechend der Anforderungen angepasst werden. Dies kann unter anderem dazu dienen unterschiedliche anatomische Ausprägungen

abzubilden, wie beispielsweise definierte Pathologien gezielt zu erzeugen oder unerwünschte (untypische) Anatomien des eingesetzten Patientenscans zu korrigieren. Hierzu können folgende Manipulationsmöglichkeiten automatisiert oder manuell in beliebiger Kombination, Auswahl und Iteration genutzt werden :

Boolesche Operationen (Vereinigen, Abziehen,

Verschneiden) von zwei oder mehreren Oberflächenmodellen Zuschneiden der Modelle

Skalierungen

Hinzufügen von Material über Offsetfunktionen

Erschaffen von Hohlstrukturen

Generierung von Spalten

Generierung von Löchern

Generierung von Brücken

Hinzufügen Volumen

Abziehen von Volumen

Deformation des Netzes

Versetzen von Netzknotenpunkten

Abrunden von Oberflächen

Glätten von Oberflächen

Diese Manipulationsmöglichkeiten können auch genutzt werden um ein aus mehreren Oberflächenmodellen bestehendes Gesamtmodell zu erstellen und gegebenenfalls die Einzelkomponenten

aufeinander abzustimmen.

Des Weiteren ist eine Parametrisierung des Modells möglich. Somit können gewisse konstruierte Geometriemerkmale durch Eingabe oder Veränderung eines Parameters adaptiv angepasst werden. Diese Parametrisierung ist auch mit einer

Benutzeroberfläche kombinierbar, so dass auch unerfahrene Konstrukteure sich durch Verwendung der Benutzeroberfläche ihr eigenes Modell mit dem entsprechenden Krankheitsbild

zusammenstellen können. Weiterhin kann das anatomische Modell nach dem Druck nachbehandelt oder nachbearbeitet werden. Die Nachbehandlung wird bevorzugt aus einer oder mehreren der folgenden Methoden ausgewählt: Wärmebehandlung, Oberflächenbeschichtung, Setzen von Schnitten, Teilen und Abtrennen von Segmenten und

Zusammenfügen einzelner Bauteile. Beispielsweise kann eine Wärmebehandlung des Bauteils für 4 Stunden bei 200 °C erfolgen. Dies entspricht einer für Siliconelastomere typischen

Temperbehandlung. Eine besonders geeignete Temperbehandlung ist in WO 2010/015547 AI beschrieben.

Des Weiteren können die Modelle nach dem 3D-Druck lokal oder global beschichtet werden, um beispielsweise die

Oberflächeneigenschaften des Modells zu optimieren. Zu den Eigenschaften, die durch eine Beschichtung optimiert werden können, zählen beispielsweise Oberflächenrauheit,

Reibungskoeffizient, Farbe, Transparenz des Bauteils,

Verringerung des Stufeneffektes des 3D-Drucks, Aufbringen einer Oberflächenschicht, die sich materialseitig vom eigentlichen Bauteil unterscheidet, usw. Eine weitere Möglichkeit der

Nachbearbeitung ist beispielsweise das Setzen von Schnitten, Teilen bzw. Abtrennen von einzelnen Segmenten, Zusammenfügen von einzelnen Bauteilen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein anatomisches Modell, das durch das oben beschriebene 3D-Druckverfahren hergestellt wird. Dabei kann das anatomische Modell auch durch die Kombination eines solchen 3D-Druckverfahrens mit wenigstens einer anderen additiven oder konventionellen

Fertigungstechnologie hergestellt werden.

Das erfindungsgemäß hergestellte anatomische Modell entspricht bevorzugt der gesunden menschlichen Anatomie oder einem bestimmten Krankheitsbild (Pathologie) . Diese können in

unterschiedlichen Ausprägungsformen und Kombinationen

vorliegen. Das erfindungsgemäß hergestellte anatomische Modell bildet bevorzugt eine Lippen-Kiefer-Gaumenspalte, Blutgefäße, Herz oder Hirnventrikel nach. Darüber hinaus kann das

erfindungsgemäß hergestellte anatomische Modell ein generisches oder ein patientenspezifisches Modell sein.

Eine bevorzugte Eigenschaft der anatomischen Modelle ist, dass sie die entsprechende anatomische Struktur bezüglich der optischen, mechanischen und/oder haptischen Eigenschaften realitätsnah abbilden. Dies kann bevorzugt durch einen

Vergleich der Eigenschaften des biologischen Modells mit dem gedruckten haptischen Modell und iterative Anpassung der

Materialauswahl erfolgen.

Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der anatomischen Modelle ist, dass unterschiedliche Gewebearten bezüglich ihrer Härte möglichst realitätsnah dargestellt werden. Eine besonders bevorzugte Eigenschaft der anatomischen Modelle ist eine realitätsnahe Abbildung von Weichgewebe durch Silicone

unterschiedlicher Shorehärten.

Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Modelle ist deren

Elastizität, die das natürliche Verhalten bestimmter

biologischen Gewebe besonders realistisch nachstellt. Besonders bevorzugt werden dabei z.B. für Weichgewebe Reißdehnungen der Druckmasse von 100 % bis 1000 %, in Abhängigkeit der jeweiligen Materialhärte .

Des Weiteren können die Modelle bevorzugt so eingefärbt werden, dass sie der optischen Erscheinung des biologischen Gewebes möglichst gut entsprechen. So können beispielsweise Muskeln in einem beliebigen Rotton eingefärbt werden, Knochen in weiß und Hautpartien in einem Hautton. Des Weiteren kann entgegengesetzt zu dem biologischen Original, ein transluzentes oder optisch transparentes Material gewählt werden, um Vorgänge im Inneren des Modells besser visuell erfassen zu können.

Eine weitere bevorzugte Eigenschaft des anatomischen Modells ist ein möglichst realistisches Verhalten in der

Trainingssituation am Modell. Die gefertigten Modelle sollen sich beim Schneiden, Durchtrennen, Vernähen, Separieren,

Zusammenfügen durch Klammern oder Pflaster, etc. möglichst so verhalten, wie das Original. Auch das Fließverhalten von

Körperfluiden in, an oder über die anatomischen Siliconmodelle, die Verformung in einer manuellen Untersuchung durch den Arzt, etc. soll bevorzugt möglichst nahe den realen Gegebenheiten im Körper entsprechen.

Vorteile der Erfindung

Durch die hier vorgeschlagene Erfindung erfolgt eine direkte additive Fertigung anatomischer Modelle aus Siliconen, das heißt ein digitales Modell wird direkt über den 3D-Drucker in ein haptisches Siliconmodell umgesetzt. Die Erstellung von Formen oder verlorenen Kernen sowie das manuelle oder

automatisierte Abgießen der Formen ist nicht erforderlich.

Dadurch wird die Herstellung der Modelle vereinfacht und es können Kosten eingespart werden. Des Weiteren ist durch den direkten 3D-Druck in einem tröpfchenbasierten Verfahren in Kombination mit einem Stützmaterial, wie in der vorgelegten Erfindung beschrieben, eine Fertigung komplexer anatomischer Modelle problemlos möglich.

Diese Erfindung beinhaltet außerdem die komplette Prozesskette von der digitalen Erfassung des anatomischen Modells bis hin zur Umsetzung im 3D-Druck und einer eventuellen

Nachbearbeitung. Vorteilhaft ist dabei, dass während der

Modellerstellung auf Besonderheiten des tröpfchenbasierten SD- Druckprozesses Rücksicht genommen werden kann. So können beispielsweise unterschiedlich harte Bereiche bei der

Modellerstellung unterschiedlichen Modellteilen zugeordnet und dann in unterschiedlichen Materialtypen realisiert werden. Des Weiteren können Merkmale des Modells (Hohlräume, minimale

Wandstärken, Radien, etc.) durch konstruktive Maßnahmen so angepasst werden, dass das digitale anatomische Modell durch die beschriebene 3D-Druck-Technologie umgesetzt werden kann.

Ein weiterer neuartiger Schritt ist die konstruktive Abänderung des anatomischen Modells. So kann ausgehend von einem digitalen Modell durch künstliche Anpassung und manuelle Modellierung / Manipulation des Modells eine unterschiedlich geartete

Ausprägung anatomischer Elemente künstlich erzielt werden.

Des Weiteren können Krankheitsbilder, wie beispielsweise

Deformationen im Gesichtsbereich, gezielt durch Manipulation in das Modell eingebracht werden. Kombiniert mit dem Silicon-SD- Druck können so einzigartige Modelle additiv gefertigt werden.

Durch diesen digitalen Workflow kombiniert mit der additiven Fertigung, die eine automatisierte Fertigung von Einzelstücken erlaubt, ist es möglich ausgehend von einem Grundmodell eine beliebige Anzahl an haptischen Modellen zu schaffen, die sich in ihren anatomischen Strukturen sowie in der Art, Anzahl, Größe, Lage, etc. von Defekten und Krankheitsbildern

unterscheiden.

Neben dieser manipulativen Abänderung einer realen Anatomie, kann es aber auch erwünscht sein, exakt die Anatomie eines spezifischen Patienten nachzustellen. Dies ist über die

Erfassung und möglichst genauer Segmentierung der spezifischen Patientendaten möglich. Anhand des erstellten anatomischen Modells können Operationen geplant und geübt werden, die

Patientenaufklärung wird erleichtert und Implantate können vorab ausgewählt und „probiert" werden. Durch die Abbildung des gesamten Prozesses sowie der direkten Fertigung des Silicon- Modells im 3D-Druck wird dieser Prozess beschleunigt und optimiert. Des Weiteren können so auch

patientenindividualisierte Prothesen, Epithesen, Implantate, etc. unter der Verwendung spezifischer Patientendaten

konstruiert und gefertigt werden. Dabei ist die

Berücksichtigung des anschließenden generativen

Fertigungsprozesses schon während der Modellerstellung von besonderer Bedeutung.

Beispiele

Lippen-Kiefer-Gaumenspalten-Modell (LKGS-Modell ) von

Kleinkindern a. Erzeugung des digitalen Modells:

Ausgangsgrundlage ist ein DICOM-Datensatz eines Erwachsenen im Gesichtsbereich. Hiervon wird der Oberkiefer und die

angrenzenden Knochenbereiche ohne die Zähne segmentiert, sowie in einem zweiten Modell das umgebende Weichmaterial bestehend aus Haut, Muskeln und anderen Weichgewebestrukturen. Die segmentierten Modelle sind in Abbildung 1 dargestellt. Im nächsten Schritt werden die Netze der segmentierten Modelle repariert, Löcher gefüllt und die Oberflächen geglättet. Die Knochenkonturen werden denen eines Säuglings angepasst. Für das Weichgewebemodell werden die Nase, Nasenscheidewand,

Lippenkontur, das Lippenbändchen und falls nötig weitere

Strukturen ausgeformt. Zur leichteren Bearbeitung und Glättung der Innenseite der Lippen und Wangen wird der Gaumen im Bereich des harten Gaumens separiert. Ein neuer Gaumen wird über einen Offset vom Oberkiefer des Knochenmodells erstellt und über Boolesche Operatoren dem Weichgewebemodell hinzugefügt.

Anschließend werden beide Modelle jeweils zugeschnitten und ihre Netze vereinfacht und vereinheitlicht. Die entstandenen Modelle sind Abbildung 2 zu entnehmen.

Anschließend werden die beiden Modelle in ein Gesamtmodell überführt. Falls einzelne Stellen der Außenkonturen des

Weichgewebemodells zu nah an der des Knochenmodells sind, werden diese Stellen durch Hinzufügen von Volumen verstärkt und anschließend die Übergänge wieder geglättet. Das Gesamtmodell wird nun auf den Nasen und Oberkieferbereich zugeschnitten. Über Offsetfunktionen wird eine Hülle um das Knochenmodell generiert, welche dem Weichgewebemodell hinzugefügt wird.

Anschließend werden die entstandenen Löcher zwischen der Hülle und dem Weichgewebemodell gefüllt und das Modell noch einmal zugeschnitten. Das zugeschnittene Modell ist in Abbildung 3 gezeigt .

Über Skalierung, Hinzufügen oder Abziehen von Material wird das Erwachsenenmodell in ein Kindermodell umgewandelt. Hierzu wird das erstellte Modell vermessen und mit den Dimensionen für Kinderkiefer aus der Literatur verglichen. Da hierbei

unterschiedliche Bereiche unterschiedlich stark verformt werden, müssen die Übergänge anschließend erneut angepasst und geglättet sowie das Gesamtmodell erneut zugeschnitten werden, so dass ein harmonisches Gesamtbild entsteht.

Dem Modell werden im nächsten Schritt noch künstlich

ausgewählte Muskeln, Levator Palatini, Tensor Palatini und M.ocl oris, hinzugefügt. Hierzu werden die äußeren Bereiche des Oberflächennetzes des Weichgewebemodells markiert, hinter welchen die Muskeln liegen. Über Offsetfunktionen und

Glättungswerkzeuge werden die Muskeln innerhalb des

Weichgewebemodells erstellt. Durch Abzug von Kopien der Muskeln vom Weichgewebemodell können die entsprechenden Taschen für die Muskeln im Modell erstellt werden. Bei Bedarf, etwa für einen an die Fertigung anschließenden Montageprozess , können die Taschen über Offsets größer als das Muskelmodell gemacht werden oder durch Abziehen von Volumen Zugänge für komplett

eingebettete Muskeln erstellt werden. Diese Anpassungen sind nicht nötig, wenn das Modell am Stück durch Multimaterialdruck gefertigt wird. Das Ergebnis ist ein gesundes

Kinderoberkiefermodell . Durch Bewegen einzelner Netzknotenpunkte, Entfernen und

Hinzufügen von Volumen sowie anschließendes Glätten können unterschiedliche Pathologien, wie beispielsweise eine

einseitige Lippe-Kiefer-Gaumenspalte, abgebildet werden.

Hierbei ist entsprechende wissenschaftliche Literatur sowie die Evaluation durch medizinisches Fachpersonal zur Erstellung eines anatomisch realistischen Modells notwendig. Da sich auch die Muskulatur bei einem Spalt verschiebt, müssen die

entsprechenden Muskeln wie oben dargestellt neu erstellt werden. Da die Gaumenmuskulatur entlang der Spalte verlaufen muss, wird zunächst falls vorhanden die Knochenspalte

vergrößert, um Platz für die Muskulatur zu schaffen. Der

Muskeln wird hier dann anschließend als Offset der

Knochenstruktur generiert. Das entstandene Modell wird nun gegebenenfalls noch für eventuelle Montageschritte vorbereitet, zum Beispiel durch Schnitte zum Einfügen von innenliegenden Strukturen. Abschließend werden noch einmal alle Konturen und Wandstärken (entsprechend der Fertigungsparameter)

kontrolliert, wenn nötig angepasst und das Netz ein letztes Mal bereinigt und vereinfacht.

Das fertige digitale LKGS-Modell mit einseitiger kompletter Spalte, welches in Abbildung 4 zu sehen ist, wird in seinen Einzelteilen zum Beispiel als . stl-Dateien oder als

Gesamtmodell in einem Format für den Mehrkomponentendruck exportiert und an den Drucker übergeben. b. Fertigung des anatomischen Modells Die Fertigung des LKGS-Modells kann entweder durch die

erfindungsgemäße Fertigung der Einzelteile, welche später zusammengebaut werden, oder durch die erfindungsgemäße

Fertigung des Gesamtmodells umgesetzt werden. Für die additive Fertigung der Modelle wurden ACEO® Drucker der Serie K, 100 und 600 verwendet. Die Positionierung der Bauteile sowie die eingesetzte Druckstrategie wurde dem Bauteil

entsprechend gewählt. Anschließend wurde das Modell

entsprechend dem erfindungsgemäßem Verfahren gefertigt. Die Druckparameter wurden dabei mithilfe von Erfahrungswerten des jeweilig verwendeten Materials optimal eingestellt. Für die unterschiedlichen Bereiche werden Materialien

unterschiedlicher Shorehärte, zum Beispiel 10 Shore A für das Weichgewebemodell und die Muskulatur und 60 Shore A für das Knochenmodell so wie Farben, zum Beispiel weiß für den Knochen, rot für die Muskeln und hautfarben für das Weichgewebemodell, gedruckt.

Für das Knochenmodell wurde eine Siliconkautschuk^¬ zusammensetzung mit einer Shorehärte von 60 A, für die

Muskulatur und das Weichgewebe wurde eine Siliconkautschuk- Zusammensetzung der Shorehärte 10 A eingesetzt. Zum Einfärben der Modelle wurden kommerziell erhältliche Farbpasten

verwendet .

Im Multimaterialdruck wird das Modell in einem Schritt aus den unterschiedlichen Materialien gefertigt. Bei einer einzelnen Fertigung aller Modellebestandteile, wird noch ein manueller Arbeitsschritt des Zusammensetzens erforderlich. Allgemein kann die Nachbearbeitung des Modells durch Setzen gezielter

Schnitte, Entfernen von Stützmaterial, Einkleben einzelner Segmente, Verschließen zuvor erzeugter Öffnungen, Tempern, manuellem Beschichten oder Einfärben beinhalten. So kann beispielsweise durch eine leicht rot eingefärbte Shore 00 Beschichtung noch die Schleimhaut des LKGS-Modells simuliert werden .

Zusätzlich zu dem oben aufgeführten LKGS-Modellen sind noch weitere Anwendungen sehr gut vorstellbar. Hierzu zählen Modelle von unterschiedlichen Gefäßstrukturen, sowohl gesund als auch erkrankt oder mit Defekt. Hierbei können die unterschiedlichen Fertigungs- und Nachbearbeitungsparameter entsprechend den Anforderungen oder dem biologischen Vorbild angepasst werden. Des Weiteren sind auch Abbildungen des Herzens, gesund, erkrankt oder mit Defekten von Interesse. Möglichkeiten, gerade in der Kombination mit harten oder sehr weichen Materialien bieten auch Gehirnmodelle bzw. Modelle von Gehirnstrukturen. Diese Beispiele lassen bereits erahnen, dass die Anwendungen von Silicon-3D-Druck für Modelle anatomischer Strukturen besonders im Weichgewebebereich sehr vielfältig sind.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur additiven Herstellung eines anatomischen Modells unter Einsatz einer 3D-Druckvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

1) schichtweises Aufbringen einer oder mehr Druckmassen auf eine Trägerplatte, auf ein darauf positioniertes Fremdbauteil oder zuvor aufgebrachten Druckmassen-Schicht, wobei die

Druckmassen wenigstens ein strukturbildendes Druckmaterial bestehend aus einer durch elektromagnetische Strahlung vernetzbaren Siliconkautschukzusammensetzung umfassen;

2) Vernetzung oder Anvernetzung der Druckmasse durch

elektromagnetische Strahlung;

3) Wiederholung der Schritte 1) und 2) bis das anatomische Modell komplett aufgebaut ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Druckmassen in Form von Tropfen aufgetragen werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Druckmassen mittels Drop-on-Demand-Verfahren aufgetragen werden.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Druckmassen zusätzlich eine oder mehrere weitere vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzungen umfassen.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzung und/oder

gegebenenfalls zusätzliche Siliconkautschukzusammensetzungen eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevorzugt 40 Pa-s oder mehr, besonders bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr, aufweisen, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s^_1.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die

Druckmassen zusätzlich ein oder mehrere der folgenden

strukturbildenden Druckmaterialien umfassen:

Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Homo- und Copolymere.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die

Vernetzung oder Anvernetzung thermisch und/oder durch UV- oder UV-VIS-Licht induziert wird.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die

Druckmassen zusätzlich ein oder mehrere Stützmaterialien umfassen, die nach Abschluss des Aufbaus des anatomischen

Modells wieder entfernt werden.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die

Druckmassen so ausgewählt werden, dass sie die entsprechende anatomische Struktur bezüglich der optischen, mechanischen und/oder haptischen Eigenschaften realitätsnah abbilden.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das anatomische Modell auf Grundlage eines aus anatomischen

Messdaten generierten digitalen 3D-Modells hergestellt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die anatomischen

Messdaten durch medizinische Bildgebungsverfahren oder

Oberflächen-Scans erhalten werden.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das digitale 3D-Modell vor dem Druck des anatomischen Modells digital nachbearbeitet wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die digitale

Nachbearbeitung aus einer oder mehreren der folgenden Methoden ausgewählt ist: Boolesche Operationen von zwei oder mehreren digitalen 3D-Modellen, Zuschneiden, Skalieren, Hinzufügen von Material über Offsetfunktionen, Erschaffen von Hohlstrukturen, Generierung von Spalten, Generierung von Löchern, Generierung von Brücken, Hinzufügen von Volumen, Abziehen von Volumen, Deformation von Strukturen, Versetzen von Strukturen, Abrunden von Oberflächen und Glätten von Oberflächen.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das anatomische Modell nach dem Druck nachbehandelt oder

nachbearbeitet wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Nachbehandlung aus einer oder mehreren der folgenden Methoden ausgewählt ist:

Wärmebehandlung, Oberflächenbeschichtung, Setzen von Schnitten, Teilen und Abtrennen von Segmenten und Zusammenfügen einzelner Bauteile .

16. Anatomisches Modell hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15.

17. Anatomisches Modell, das durch die Kombination eines

Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 mit wenigstens einer anderen additiven oder konventionellen

Fertigungstechnologie hergestellt wird.

18. Anatomisches Modell gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei das anatomische Modell der gesunden menschlichen Anatomie oder einem Krankheitsbild entspricht.

19. Anatomisches Modell gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das anatomische Modell eine Lippen-Kiefer-Gaumenspalte, Blutgefäße, Herz oder Hirnventrikel nachbildet.

20. Anatomisches Modell gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das gedruckte anatomische Modell ein generisches oder ein patientenspezifisches Modell ist.