04.07.2019

TU Wien erforscht Möglichkeit, Knochen per 3D-Druck herzustellen

Am Christian-Doppler-Labor an der Technischen Universität Wien loten Forscher die Möglichkeiten aus, Knochenersatz-Implantate per 3D-Druck herzustellen. Wir sprachen mit Stefan Baudis, Leiter des CD-Labors, über das Verfahren und über die Herausforderungen, die es noch zu lösen gilt.
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3D-Druck, Knochen, CD Labor, Stefan Baudis
(c) CD Labor - Johannes Stögerer und CD-Labor-Leiter Stefan Baudis (rechts) forschen nach Möglichkeiten um Knochen aus 3D-Druck herzustellen.
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Health-Tech und die „Life Sciences“ haben in den letzten Jahren öfters Lösungen in der medizinischen Forschung aufgezeigt. Sei es ein bionischer Anzug oder eine Blutdruck-App, der Bereich schreitet rasant voran. Aktuell erforscht nun ein Team unter der Leitung von Stefan Baudis im neuen „CD-Labor für Fortschrittliche Polymere für Biomaterialien und den 3D-Druck“, wie man Knochen mittels 3D-Druck herstellen kann.

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Material für 3D-Druck gesucht

Der Grundgedanke dabei: Dem Patienten, dem durch Unfälle oder OPs Knochen im Gesicht, Kiefer und Schädel fehlen, selbige zu ersetzen. Die Schwierigkeit dabei ist, passende Materialien für den Aufbau von Knochen zu finden, die sich im 3D-Druck verarbeiten lassen. „Es gibt zwei Arten von Zellen“, erklärt Baudis im Gespräch mit dem brutkasten, „jene, die Knochen abbauen und jene, die sie aufbauen. Daher können Knochenbrüche ganz von selbst wieder verheilen.“ Die Idee daher: Ein Material zu entwickeln, das von Zellen besiedelt werden kann.

Knochengerüst innerhalb weniger Stunden

Baudis spricht in diesem Zusammenhang von einem Gerüst bzw. einer Gesamtstruktur für den Körper, die es körpereigenen Zellen erlaubt, das Material zu einem ganz normalen Knochen umzubauen. Ein beschädigtes Knochenstück ließe sich so mit modernen bildgebenden Verfahren präzise vermessen. Am Computer könnte man dann den gewünschten Knochenabschnitt genau auswählen, der 3D-Drucker würde dann innerhalb von einigen Stunden Schicht für Schicht ein Knochengerüst mit genau der richtigen Form erzeugen, das dann bei der Operation mit dem natürlichen Knochen verklebt wird.

„Implantat darf sich nicht abbauen, bevor Knochen aufgebaut ist“

Dabei gibt es jedoch noch einige Herausforderungen zu überwinden, wie der Experte weiter ausführt. Die Forscher wenden beim 3D-Druck das FDM-Verfarhen (Fused Deposition Modeling) an, bei dem ein Objekt schichtweise aufgebaut wird. Das künstlich hergestellte Knochengerüst muss sodann eine poröse Struktur haben, damit knochenaufbauende Körperzellen eindringen können und der Stofftransport funktioniert. Es muss fest, aber nicht zu spröde sein, damit es nicht sofort bricht und vom Körper in überschaubarer Zeit abgebaut werden kann. Und am Ende, wenn es durch natürlichen Knochen ersetzt wurde, soll vom Gerüst nichts mehr übrig bleiben. Außerdem sollen Partikel aus Calciumphosphat bereits im Gerüst eingebaut sein, die dann in das Knochenmaterial umgewandelt werden. „Das Implantat darf sich nicht abbauen, bevor der Körper den Knochen aufgebaut hat“, sagt Baudis.

Bioresorbierbare Keramik als Knochenersatz

Das Material muss zudem bei Raumtemperatur flüssig bleiben, bis es mit Licht der passenden Wellenlänge bestrahlt wird. Dadurch wird dann eine chemische Kettenreaktion ausgelöst, die das Material genau an den bestrahlten Stellen aushärtet (Stereolithografie). Zu diesem Zweck arbeiten die Forscher mit Lithoz, einem Technologieanbieter für 3D-Druck für Hochleistungskeramik und bioresorbierbare Keramiken,zusammen. Deren Materialien – Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit – sind keramische Werkstoffe, die sich aufgrund ihrer osteokonduktiven und bioresorbierbaren Materialeigenschaften als Knochenersatzmaterial eignen.

„Noch in Kinderschuhen“

Zwecks klinischer Umsetzbarkeit des Vorhabens wird das Projekt von der Trauma Care Consult Traumatologische Forschung Gemeinnützige Gesellschaft (TCC) unterstützt. Und wie lange wird es dauern, bis der 3D-Druck-Knochenersatz weitläufig nutzbar wird? „Wir stecken noch in den Kinderschuhen und betreiben Grundlagenforschung“, sagt Baudis: „Das CD-Labor ist eine große Chance, an dessen Ende wir hoffen, ein Baukasten-System entwickelt zu haben, mit dem wir die Abbaugeschwindigkeit des Materials regulieren können.“


⇒ Christian Doppler Forschungsgesellschaft

 

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Zeitreihen, Cloud und Energiemarkt: HAKOM bietet Lösungen für große Datenmengen

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Die HAKOM Co-Founder Thomas Hasleder und Stefan Komornyik © Meinrad Hofer
Die HAKOM Co-Founder Thomas Hasleder und Stefan Komornyik © Meinrad Hofer
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Der Begriff “Zeitreihen” ist für viele zwar schwer greifbar, betrifft unseren Alltag aber mehr, als man denken mag. Egal ob es um die Pulsfrequenz des Fitnesstrackers, um die Zimmertemperatur beim Smart Home Device, oder um den Regensensor im eigenen Garten geht – “Irgendwo ist man immer mit Zeitreihen konfrontiert”, meint Stefan Komornyik, Managing Partner beim Tech-Unternehmen HAKOM. Sie selbst konzentrieren sich in ihrer Arbeit als Technologieanbieter auf den Energiemarkt. Dieser ist vor allem in aktuellen Krisenzeiten von einem Umschwung geprägt.

Was sind Zeitreihen?

Gerade in der Energiebranche ist man –  bspw. aufgrund von aktuellen Trends – mit sehr großen Datenmengen konfrontiert. Der Löwenanteil dieser Daten sei laut Komornyik Zeitreihen. “Life is a Time Series”, schreibt sich das Unternehmen daher als Leitspruch auf die Fahne, denn die Relevanz werde oft übersehen. 

Zeitreihen erklärt Stefan Komornyik folgendermaßen: “Das sind Daten, die in Sensoren gemessen und gleichzeitig mit einem Zeitstempel versehen werden. Das kann bspw. der Stromverbrauch oder die Stromerzeugung sein. Auch meteorologische Informationen gehören unter anderem dazu.” Das österreichische Unternehmen arbeitet bereits seit vielen Jahren in der Softwareentwicklung für den Energiemarkt und hat dabei Systeme entwickelt, die unter anderem den Stromverbrauch voraussagen, oder auch Kraftwerke optimieren können.

Kund:innen im Energiemarkt

Das 1991 gegründete Unternehmen hat seine Ausrichtung mit der Zeit stets erweitert. “Vor circa sieben Jahren haben wir entschieden, uns als Technologie-Anbieter aufzustellen. Wir kennen uns mit dem Thema Zeitreihen sehr gut aus und sind davon überzeugt, dass eine standardisierte Technologie hier wichtig ist, um in der Softwareentwicklung schnell voranzukommen”, erklärt Komornyik im brutkasten-Interview. Ihre Kund:innen lassen sich aktuell in zwei Gruppen aufteilen: Auf der einen Seite verweist der Mitgründer auf Energieversorger, auf der anderen Seite würden sich Softwareanbieter als Kundengruppe ergeben. 

“Als Technologieanbieter ist mehr oder weniger der Globus der Markt”, erklärt er zudem mit Blick auf die Expansionsstrategie von HAKOM. Abgesehen vom deutschsprachigen Raum hätten sie bereits Kund:innen in den USA, Israel, Skandinavien und Osteuropa gewonnen.

HAKOM und Microsoft

Als Technologiepartner konnte HAKOM außerdem den Hard- und Softwareentwickler Microsoft für sich gewinnen. Die Technologie des Unternehmens basiere dementsprechend auf einer Microsoft-Entwicklungsplattform, HAKOM halte dabei den ISV-Status (Independent Software Vendor-Status). 

Ihre Cloud-Plattform, die über Microsoft Azure läuft, hat HAKOM Mitte dieses Jahres gestartet. Dadurch habe sich zusätzlich eine Zusammenarbeit im Vertrieb mit den Microsoft-Key-Accounts ergeben. “Das ist für uns ein Meilenstein, da wir damit nicht nur unsere Technologie anbieten, sondern zusätzlich auch die Lösung für unsere Kund:innen auf Azure betreiben können. Indem wir das Storage der Zeitreihen mit abbilden, nehmen wir eine weitere Last von den Schultern unserer Kund:innen”, meint Stefan Komornyik hierzu.

Verfügbarkeit und Skalierbarkeit spielen große Rolle bei Cloud-Lösungen

Mit Blick auf den Status von Cloud-Lösungen erkennt HAKOM ein Umdenken in der Gesellschaft und auch in der Energiewirtschaft, das immer weiter voranschreitet. “Die Cloud ist ein Muss, an dem du nicht vorbeikommst”, ist der Managing Partner überzeugt. Besonders im Energiemarkt beobachte er etwas, das man bei HAKOM als “Energy Data Jungle” bezeichne. Dabei handelt es sich um Daten mit unterschiedlichen Formaten und Quellen. Um diese miteinander zu verbinden, würde man sinnvollerweise die Cloud als Speicherort nutzen, da hier die Zugänglichkeit am größten sei. Als weiteren Vorteil verweist Komornyik auf die praktisch unendliche Skalierbarkeit in der Cloud.

Energiekrise als Chance

Die aktuelle Energiekrise beobachtet HAKOM aufmerksam. Stefan Komornyik sieht sie auch als Chance für die Energiewende. Zwar hat das Unternehmen seinen Kundenstamm auch im konventionellen Energiemarkt wie Gas und Kohle, das größte Wachstumspotenzial sehen sie allerdings im Bereich der erneuerbaren Energien. “Die Krise soll ein Ansporn sein, jene Trends zu beschleunigen, die ohnehin schon bestanden haben. Ich denke, dass das Bewusstsein für die Notwendigkeit der Energiewende jetzt noch stärker vorhanden ist”, erklärt Komornyik im Gespräch. Ihre Technologie soll den Hersteller:innen ermöglichen, wesentlich schneller Lösungen für diesen Bereich zu entwickeln.

Scaleup-Programm auf Basis der Cloud-Plattform

Als unmittelbar nächsten Schritt beschreibt HAKOM den Aufbau eines Scaleup-Programms auf Basis ihrer Cloud-Plattform. Dieses beziehe sich auf sämtliche Prozesse von der Produkteinführung über das Marketing bis hin zu Sales, was komplett standardisiert werden soll. Auch die Expansion in weitere Länder stehe auf dem Plan. 

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