Dr. Tobias Flath erhält den Dissertationspreis 2021 der Stiftung HTWK für seine Forschung zu medizinischem 3D-Druck
Patientinnen und Patienten, die komplizierte Knochenverletzungen erlitten haben und auf Implantate angewiesen sind, könnten in Zukunft besser behandelt werden. Dr. Tobias Flath entwickelte im Rahmen seiner Doktorarbeit eine Technologie für den 3D-Drucker, mit der individuelle Materialmischungen hergestellt werden können. Das schafft in der Medizin die Möglichkeit, Implantaten künftig Medikamente beizumischen. Für diese Forschungsleistung ehrte ihn die Stiftung HTWK mit dem Dissertationspreis 2021. Den Preis stiftete in diesem Jahr der Energieversorger enviaM (Mitteldeutsche Energie AG).
Flath promovierte an der Technischen Universität Dresden in Kooperation mit der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig). Seine Dissertation mit dem Titel „Entwicklung eines Doppelschneckenextruder-Dosierkopfes für den 3D-Druck und dessen Potenzial am Beispiel von Knochenersatzwerkstoffen“ erhielt das Prädikat „magna cum laude“ („mit großem Lob“).
Vorteile seiner 3D-Druck-Entwicklung
„Bereits die Entwicklung eines Doppelschneckenextruders für den 3D-Drucker war eine Herausforderung“, erzählt Flath. Extruder sind eigentlich riesige Förder- und Mischgeräte, welche eine Art Schrauben beinhalten, womit feste oder dickflüssige Materialien in kurzer Zeit zu einer homogenen Masse gemischt werden. Danach wird die Masse unter hohem Druck und mit festgelegtem Temperaturverlauf gleichmäßig aus einer Öffnung in eine vorgegebene Form gepresst. Eingesetzt werden solche Mischgeräte beispielsweise in der Kunststoffverarbeitung, um Stoßfänger für Autos herzustellen. Dabei stehen sie fest an einem Ort, denn die Geräte sind sehr groß und schwer. Beim 3D-Druck für medizinische Implantate werden aber eher geringe Mengen benötigt. Folglich muss auch ein Dosierkopf um ein Vielfaches kleiner sein. Flath entwickelte deshalb zunächst ein Funktionsmodell, das er wie einen Baukasten modifizieren konnte. Die Erkenntnisse daraus übertrug er auf die Entwicklung des miniaturisierten Doppelschneckenextruder-Dosierkopfes für den 3D-Druck.
Geringere Temperaturbelastungen ermöglichen neue Materialmischungen
Angewendet hat er seine neue Technologie im FDM-Verfahren, einer 3D-Druck-Technologie, bei der Objekte aus schmelzfähigem Kunststoff oder Pasten aufgebaut werden. Durch Flaths Forschung können zwei Materialen zu einer homogenen Masse gemischt werden – und das während des 3D-Druckvorgangs. „Das ist ein Novum“, sagt Flath. Bislang musste die Materialmischung vor dem Druck erfolgen. Dieser aufwendige Arbeitsschritt entfällt nun, zugleich sind die Materialien weniger Temperaturbelastungen ausgesetzt. Für medizinische Implantate aus dem 3D-Drucker ist das ein wesentlicher Vorteil: Wollen Pharmazeutinnen und Pharmazeuten der Materialmischung mit dem schmelzfähigen Kunststoff spezielle Wirkstoffe beifügen, die die Knochenregeneration anregen, darf die Temperatur 75 Grad Celsius nicht übersteigen. Die Inhaltsstoffe werden sonst funktionsunfähig. Flaths Entwicklung kann die Temperaturbelastung auf 65 bis 70 Grad Celsius reduzieren.
Außerdem lassen sich gleitende Mengenanteile der gemischten Materialien realisieren. Bisher übliche Technologien nutzen mehrere separate Dosierköpfe, zwischen denen im Druckprozess gewechselt wird. Dadurch entstehen scharfe Grenzen zwischen den Materialkomponenten. Gleitende Übergänge vermeiden Solbruchstellen, an denen Implantate schneller zerbrechen können.
Ingenieur mit medizinischer Ausbildung
Bei seiner Forschung kam Flath seine Ausbildung als Krankenpfleger zugute, die er nach der Schule absolvierte. „In der interdisziplinären Zusammenarbeit mit den Pharmazeutinnen und Pharmazeuten konnte ich als Maschinenbauer so sehr gut Zusammenhänge nachvollziehen und in den medizinischen Kontext einordnen“, sagt Flath, der unter anderem auf der Kardiologischen Intensivstation im Leipziger Herzzentrum gearbeitet hat.
„Da ich jedoch neue Wege einschlagen wollte, bei denen ich meinen Leidenschaften zum Tüfteln und Optimieren sowie für Mathe und Physik mehr nachgehen konnte, entschloss ich mich, ab 2006 an der HTWK Leipzig Maschinenbau zu studieren“, so Flath. Als er seine Masterarbeit schreiben wollte, fragte er Prof. Fritz Peter Schulze von der Fakultät Ingenieurwissenschaften nach einem medizintechnischen Thema. Eine glückliche Fügung begann. Denn ab 2011 war Flath in verschiedene Forschungsprojekte eingebunden, in denen er sich mit dem 3D-Druck von Biomaterialien beschäftigte.
So geht es weiter
Flath forscht aktuell weiter an der HTWK Leipzig und arbeitet in Schulzes Forschungsteam daran, seine Dosierkopftechnologie für die Verpackungsherstellung weiterzuentwickeln. Für medizinische Anwendungen soll sie ebenfalls weiter erforscht und optimiert werden. Damit käme er seiner Vision näher: „Medizinerinnen und Mediziner sollen einmal vor Ort, möglichst im OP-Saal, individuelle Implantate mit den passenden Inhaltsstoffen drucken, um diese direkt einsetzen zu können“, sagt Flath. „Damit könnten sie den Betroffenen gezielter und noch individueller helfen.“