Wissens- und Technologietransfer im Bereich der innovativen 3D-Fertigungstechnologien für die individualisierte Medizin
Ein Projekt zum Wissens- und Technologietransfer im Rahmen des IWB-EFRE-Programms Hessen, Förderzeitraum 2014 bis 2020
Projektlaufzeit: 01.11.2018 – 31.10.2020
Ziel des Vorhabens ist der Wissens- und Technologietransfer zum 3D-Druck in der individualisierten Medizin in Unternehmen, wobei sich die Zielgruppe insbesondere aus hessischen Unternehmen der Medizin- und Pharmabranche zusammensetzt. Diese sollen durch die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse profitieren.
Ziele
Mit Hilfe des Vorhabens soll ein intensiver Wissens- und Technologietransfer in die Wirtschaft zum Thema „3D-Druck in der individualisierten Medizin“ stattfinden, der auf anwendungsorientierten Arbeiten mit 3D-Drucktechnologien aufbaut.
Die THM möchte mit ihrem Vorhaben Transferlücken schließen, um dem Bedarf der Wirtschaft gerecht zu werden. Die 3D-Drucktechnologie, ein Querschnittsthema über viele Anwendungsbereiche, die hoch relevantes medizinisches und wirtschaftliches Potential besitzt, soll im Vorhaben, anwendungsbezogen weiterentwickelt und konkret an den wissenschaftlichen Bedürfnissen und der Wirtschaft ausgerichtet werden.
Schwerpunkte des Wissens- und Technologietransfers betreffen z.B.:
- Herstellung patientenindividueller Pharmazeutika
- Unterstützung der Herzchirurgie durch patientenindividuelle 3D-Modelle des Herzens
- Entwicklung individualisierter anthropomorpher Phantome für die Radiologie und Strahlentherapie
- Rapid Prototyping für die MRT-Multikanaltechnologie
Unser erklärtes Ziel ist es, neue Impulse für innovative Verfahren in der Medizin- und Pharmatechnik an die Wirtschaft zu transferieren und das Land Hessen als Schwerpunkt im Bereich „Innovative 3D-Fertigungstechnologien für die individualisierte Medizin“ bundesweit sichtbar werden zu lassen.
Transferaktivitäten
Die THM wird im Rahmen des WTT-Vorhabens fundiertes Wissen aus dem Bereich „3D-Druck in der individualisierten Medizin“ aufbereiten und weiterentwickeln, mit dem Ziel, dieses anwendbar und allgemein nutzbar zu machen.
Die THM wird im Rahmen des WTT-Vorhabens fundiertes Wissen aus dem Bereich „3D-Druck in der individualisierten Medizin“ aufbereiten und weiterentwickeln, mit dem Ziel, dieses anwendbar und allgemein nutzbar zu machen.
Der Wissenstransfer erfolgt unter anderem zu folgenden Themen:
1. Technologie einzelner Drucker:
- Hohe Druckauflösung zur Erstellung feiner Details;
- Multimaterialfähigkeit, große Auswahl verschiedener Druckmaterialien;
- Große Kapazität und Druckdurchsatz;
- Großer Druckbereich zur Erstellung von passenden Körperformen;
- Temperaturbereich für den Druck
- Systeme, die offen für den Einsatz von eigenen und individuellen Druckmaterialien sind.
2. Herstellung eigener Druckmaterialien (z.B. für die individualisierte Medikamentierung)
3. Wechselwirkung von Wirkstoffen in einer Formulierung
4. Transfer von CD- und MR-Daten zur Generierung von druckerkompatiblen Dateiformaten
5. Wissenstransfer über Absorptionseigenschaften von unterschiedlichen Druckmaterialien zur Simulation von Geweben
6. Weitergabe von CAD-Daten
Konkrete Ziele des Wissens- und Technologietransfers sind:
- Überführen der anwendungsnahen Arbeiten in Produkte
- Steigerung der Kompetenz im 3D-Druck
- Stabilisierung neuer Produktionsbereiche
- Aufbau neuer Produktionsbereiche
Beirat
Im Rahmen des Projektes wird die THM einen Beirat einrichten, der das Projekt kontinuierlich durch praxisnahen und öffentlichkeitswirksamen Input unterstützt sowie den Transfer in die Wirtschaft begleitet und zur Verbreitung von Ergebnissen beiträgt.
Die THM lädt Unternehmen und Verbände ein, sich am Beirat zu beteiligen.
Wir möchten mit Ihnen gemeinsam das Vorhaben vorantreiben. Unser Ziel ist es, mit Verbänden und Unternehmen aus dem Bereich der Pharma- und Medizintechnik sowie zukünftigen Anwender aus den Kliniken und Praxen die jeweiligen Anforderungen an den 3D-Druck in der individualisierten Medizin mit zu definieren.
Zu Beginn des Vorhabens hat eine beirastinterne Auftaktveranstaltung (Dezember 2018) stattgefunden, die zur Vorstellung des Vorhabens und zum Kennenlernen diente. Weitere Beiratstreffen sollen im Laufe des Vorhabens zwei Mal stattfinden (Sommer 2019 und Sommer 2020).
Kompetenzen
Das Vorhaben wird an der THM inhaltlich von vier Arbeitsgruppen des Kompetenzzentrums Biotechnologie und Biomedizinische Physik (BioTecMed) getragen.
Arbeitsgruppe Biopharmazeutische Technologie
Die Arbeitsgruppe Biopharmazeutische Technologie (AG BPT) unter Leitung von Prof. Dr. Runkel und Dr. Schmidts verfügt über ein hohes Maß an Expertise und langjähriges Know-how im Bereich der Entwicklung [BPT2], Charakterisierung und Testung von Arzneistoffformulierungen [BPT3, 4] angepasst auf die Bedürfnisse von Patienten bzw. des Wirkstoffs.
Des Weiteren besitzt die AG umfangreiche Erfahrungen in der präklinischen Testung, d.h. Untersuchungen zur Pharmakodynamik und -kinetik von Wirkstoffen und deren Arzneiformen (dermal, ungual, rektal, peroral).
Ein weiterer Fokus der AG BPT liegt auf der Entwicklung von patientenorientierten Lösungen bzw. von auf das Krankheitsbild abgestimmten Arzneiformen. Hierfür sei beispielhaft das aktuelle BMWi/ZIM-Projekt IBD-DNAzym [FuE-BPT1] genannt, sowie ein Projekt, bei dem mittels 3D-Druckverfahren ein Trägersystem für die Zelltherapie bei Diabetes mellitus entwickelt werden soll. Die Insulin-produzierenden Zellen werden dazu in einem speziell entwickelten Hydrogel immobilisiert und sekretieren bedarfsgerecht das Hormon Insulin [BPT-1].
(a) ein Gitter aus zwei Schichten Hydrogel verdruckt,
(b) ein Hydrogel bestehend aus vier aufeinander gelegten Schichten.
Druckverfahren: Extrusionsdruck mittels Druckluft [BPT-1].
- [BPT1]
A Pössl, P Schlupp, T Schmidts, F Runkel (2018) 3D-printed drug delivery systems for cell therapy: A new approach for the treatment of Diabetes Mellitus Dechema 3D Cell Culture 2018, Freiburg (Germany), 05-07 June 2018 [Conference Poster] - [BPT2]
Marquardt K, Eicher A C, Dobler D, Höfer F, Schmidts T, Schäfer J, Renz H, Runkel F. Degradation and protection of DNAzymes on human skin. Eur. J. Pharmaceutics and Biopharmaceutics 107 (2016): 80-87 - [BPT2]
Eisenhardt M, Dobler D, Schlupp P, Schmidts T, Salzig M, Vilcinskas A, Salzig D, Czermak P, Keusgen M, Runkel F. Development of an insect metalloproteinase inhibitor (IMPI) drug carrier system for application in chronic wound infections. J. Pharm. Pharmacol. 67 (2015) 1481-1491 - [BPT3]
Schlupp P, Weber M, Schmidts T, Geiger K, Runkel F. Development and validation of an alternative disturbed skin model by mechanical abrasion to study drug penetration. Res. Pharm. Sc. 4 (2014) 26-33 - [FuE-BPT1]:
IBD-DNAzym. Entwicklung (Proof of Principle) eines neuen Arzneimittels bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen, BMWi-ZIM, FKZ: ZF4223801MD6, Förderung THM: 125.900 €, 2016–2018
Arbeitsgruppe Medizinische Physik in der Radiologie
In der Arbeitsgruppe RAD von Prof. Dr. Fiebich wird an Fragestellungen der mit Röntgenstrahlung arbeitenden bildgebenden Verfahren (vor allem Computertomographie und Mammographie) in der Medizin gearbeitet. Dabei steht insbesondere die Fragestellung der Optimierung von Röntgenuntersuchungen bezüglich Bildqualität und Strahlenexposition des Patienten im Vordergrund [FB1, FB2]. Dazu werden neben Dosismessungen und Dosisabschätzungen am Patienten auch Messungen zur Ermittlung von Dosis und Bildqualität an technischen Phantomen und mittels Monte Carlo-Verfahren durchgeführt.
Die Dosismessungen werden in der Regel mit klinischen Partnern, wie z. B. den Universitätskliniken Gießen-Marburg oder der TU München, durchgeführt. Im Rahmen der Messung technischer Bildqualitätsparameter entstehen Prototypen für Prüfkörper, die mittels 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Diese Prüfkörper und zugehörige Auswerteverfahren fließen in die Normung des Arbeitsausschusses AA6 „Bildgebende System in der Medizin“ (Obmann: Prof. Dr. Fiebich), wie z. B. in die DIN 6868-150 ein. Im Rahmen des internationalen Projektes CLUES [FuE-RAD1] wurde bereits ein erster prototypischer dreidimensionaler anthropomorpher Prüfkörper für die Mammographie entwickelt, wie er in Zukunft zur Bestimmung von Bildqualitätsparametern eingesetzt werden soll.
- [FB1]
Bohrer E, Schäfer S, Mäder U, Noël PB, Krombach GA, Fiebich M. Optimizing radiation exposure for CT localizer radiographs. Z. Med. Phys. (2016) DOI: 10.1016/j.zemedi.2016.09.004 - [FB2]
Nasirudin RA, Mei K, Penchev P, Fehringer A, Pfeiffer F, Rummeny EJ, Fiebich M, Noël PB. Reduction of Metal Artifact in Single Photon Counting Computed Tomography by Spectral-Dricen Iterative Reconstruction Technique. PLoS ONE 10 (2015) e0124831 - [FB3]
Fiebich, M., Schopphoven, S., Rühl, D., Mäder, U. Reproduzierbare Herstellung patientenähnlicher Prüfkörper für die Röntgendiagnostik mittels 3D-Druckverfahren. mt-Medizintechnik 134 (2014) 141-145. - [FuE-RAD1]:
Clinical Image Quality Assessment, Förderung durch STW/Niederlande, 2013 – 2017
Arbeitsgruppe MRT/MR-Bildgebung
Die Arbeitsgruppe MRT von Prof. Dr. Keil beschäftigt sich mit der parallelen Signaldetektion in der Magnetresonanztomographie (MRT) [BK1, BK2]. Hier wird eine schnelle, jedoch unvollständige Datenakquisition erzielt, die dann im Zuge der Bildrekonstruktion durch Ausnutzung zusätzlicher Ortsinformationen von mehreren zu einem Verband zusammengefassten Empfangsspulen vervollständigt wird.
Für diese parallele Signaldetektionstechnologie ist Dr. Keil ein internationaler Spezialist. In seiner Zeit als Wissenschaftler an der Harvard University war er Arbeitsgruppenleiter des Human-Connectome-Projects (http://www.humanconnectomeproject.org) für den Bereich der MR-Signaldetektion [BK3], wo eine neue MR-Scanner-Architektur entwickelt wurde, um hochauflösende Diffusionsbilder des menschlichen Gehirns aufzunehmen [FuE-MRT1].
Seit 2015 wird dieser Bereich nun als Forschungsschwerpunkt an der THM aufgebaut, wo durch dezidierte Hardware-Entwicklungen in der MRT neue MR-Signaldetektionsstrategien entwickelt werden. Die 3D-Drucktechnolgie bildet eine wichtige Produktionskomponente, um die Belange des dreidimensionalen Schaltungsdesigns mit den Charakteristiken von anatomisch geformten Gehäusen in ein anwendbares Konzept zusammenzuführen.
- [BK1]
Farivar R, Grigorov F, van der Kouwe AJ, Wald LL, Keil B. Dense, Shape-Optimized Posterior 32-Channel Coil for Sub-Millimeter Functional Imaging of Visual Cortex at 3-Tesla. Magn Reson Med 76 (2016) 321-328. - [BK2]
Keil B, Wald LL. Massively parallel MRI detector arrays. J Magn Reson 229 (2013) 75-89. - [BK3]
Setsompop K, Kimmlingen R, Eberlein E, Witzel T, Cohen-Adad J, McNab JA, Keil B, Tisdall MD, Hoecht P, Dietz P, Cauley SF, Tountcheva V, Matschl V, Lenz VH, Heberlein K, Potthast A, Thein H, van Horn J, Toga A, Schmitt F, Lehne D. Rosen BR, Wedeen V, Wald LL. Pushing the limits of in vivo diffusion MRI for the Human Connectome Project. Neuroimage 15 (2013) 220-33 - [FuE-MRT1]
MRI corticography: Microscale human cortical imaging. National Institute of Health USA, Gesamtförderung 450.000 US$, Anteil Co-PI Keil: 80.000 US$. 2015 – 2018
Arbeitsgruppe Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Wissenschaftlicher Schwerpunkt der Arbeitsgruppe STT von Prof. Zink sind Monte-Carlo Simulationen zum Strahlungstransport hochenergetischer ionisierender Strahlung im Bereich der Medizinischen Physik [ZN2, FuE-STT1-2]. Durch die Kooperation mit dem Marburger-Ionenstrahl-Therapiezentrum (MIT), der Philipps-Universität Marburg und der GSI-Darmstadt wird diese Kompetenz zunehmend im Bereich der Partikel-Strahlentherapie genutzt, um Weiterentwicklungen und Verbesserungen der Patientenbestrahlung auf den Weg zu bringen [ZN3, FuE-STT3-4].
Beispielhaft sei hier das für den vorliegenden Antrag relevante, erfolgreich abgeschlossene ZIM-Projekt RIFF genannt [FuE-STT5]. Inhalt des Projekts war die Entwicklung eines neuartigen Designs von sogenannten Ripplefiltern für die Partikel-Strahlentherapie sowie deren Umsetzung mit Hilfe von 3D-Drucktechnologien (s. Abb. 5) [ZN1, ZN4]. Diese Ripple-Filter werden als strahlformende Elemente bei der Patientenbestrahlung in der Partikel-Strahlentherapie eingesetzt, um den sehr schmalen Bragg-Peak der Partikel zu verbreitern und damit die Anzahl der notwendigen Energieschichten für eine homogene Dosisabdeckung des Tumors zu reduzieren und damit insbesondere die Bestrahlungszeiten zu verringern.
- [ZN1]
Simeonov Y, Weber U, Penchev P, Printz Ringbæk T, Schuy Ch, Brons S, Engenhart-Cabillic R, Bliedtner J, Zink K. 3D range-modulator for scanned particle therapy: development, Monte Carlo simulations and experimental evaluation. Phys. Med. Biol. 62 (2017) 7075-7096 - [ZN2]
Zink K, Czarnecki D, Looe H K, von Voigts-Rhetz P, Harder D. Monte Carlo study of the depth-dependence fluence perturbation in parallel-plate chambers in electron beams. Med. Phys. 41 (2014) 111707 - [ZN3]
Baumann K, Witt M, Weber U, Engemhart-Cabillic R, Zink K. An efficient method to predict and include Bragg curve degradation due to lung-equivalent material in Monte Carlo codes by applying a density modulation. submitted to Phys. Med. Biol. (2016) - [ZN4]
Ringbæk TP, Weber U, Santiago A, Simeonov Y, Fritz P, Krämer M, Wittig A, Bassler N, Engenhart-Cabillic R, Zink K. Dosimetric comparisons of carbon ion treatment plans for 1D and 2D ripple filters with variable thicknesses. Phys Med Biol. 61 (2016) 4327-41 - [FuE-STT1]
3D-PATH: Entwicklung und Etablierung einer Prozesskette zur Herstellung patienten-individueller 3D-Reichweitenmodulatoren für die Bestrahlung bewegter Tumoren in der Partikeltherapie. ZIM/BMWi, Förderung THM: 190.000 €, 2018-2020 (6 Partner: 3 KMU, 2 Wissenschaft) Gesamtförderung ca. 1 Mio € - [FuE-STT2]
PION-Dos: Patientenindividuelle Online-Dosimetrie in der Strahlentherapie mittels EPID. HMWK/LOEWE III, Projektnr 468/15-10: Förderung THM: 209.000 €: 2015-2017 - [FuE-STT3]
3D-Reichweiten-Modulator für die schnelle Bestrahlung thorakaler Tumoren, Marburger Förderprogramm MIT-Forschung, Förderung THM: 100.800 €, 2017-2018 - [FuE-STT4]
Medizinische Physik in der Strahlentherapie, Universitätsklinikum Gießen-Marburg (UKGM), Förderung THM: 400.000 €, 2013–2017 - [FuE-STT5]
RIFF: Entwicklung und Evaluation eines neuen Designs für einen Ripple-Filter für die Rasterscan Bestrahlung in der Partikeltherapie unter Nutzung innovativer Rapid-Prototyping-Verfahren, BMWi-ZIM, FKZ: KF2829804AK2, Förderung THM: 175.000 €, 2013–2015
Termine
3D-Druck Messe
24.06.2020 (10:00-15:00 Uhr)
Anwenderzentrum der THM, Gießen, Gutfleischstr. 3-5, Gebäude D12
Diese Messe an der Technischen Hochschule Mittelhessen bietet die Möglichkeit, sich detailliert über 3D-Drucktechnologien und die entsprechenden Drucker und Zusatzgeräte zu informieren und sie ggf. auch vor Ort in Augenschein zu nehmen. Erfahrene Anwender, Vertreter namhafter Hersteller und Beteiligte des Projekts „Wissens- und Technologietransfer in der individualisierten Medizin“ freuen sich auf diesen Tag mit spannenden Impulsvorträgen der Hersteller und der Chance zum Netzwerken.
