FRANZÖSISCHE WISSENSCHAFTLER NUTZEN DEN SILIKON-3D-DRUCK FÜR DIE ENTWICKLUNG EINES MEDIZINISCHEN SIMULATORS ZUR NACHBILDUNG DES SCHLUCKVORGANGS

 

Der Bedarf an Geräten und Hilfsmitteln, die zur Verbesserung chirurgischer Techniken verwendet werden können, nimmt kontinuierlich zu. Mit den Fortschritten im Silikon-3D-Druck eröffnen sich neue Perspektiven für die Entwicklung solcher Geräte, die als medizinische Simulatoren zur Modellierung und zum Verständnis komplexer physiologischer Mechanismen wie dem Schlucken genutzt werden können.

Medizinische Simulatoren, die aus Materialien wie Silikon hergestellt werden, bilden die Beschaffenheit der Haut oder des modellierten Organs nach und ermöglichen es, einen chirurgischen Eingriff realitätsnahe nachzustellen und physiologische Bewegungen zu imitieren. Die Lynxter 3D-Drucker wurden in diesem Zusammenhang für das hochrangige medizinische Forschungsprojekt PASSE eingesetzt (Projet d’Amélioration du Simulateur Swall-E – Projekt zur Verbesserung des Simulators Swall-E), das vom Institut Carnot MICA finanziert und von der Forschungseinheit 1121 des Inserm (Institut national de la santé et de la recherche médicale – französisches Institut für Gesundheitswesen und medizinische Forschung) (Straßburg) und dem IRMA (Institut Régional des Matériaux Avancés – Regionales Institut für fortgeschrittene Werkstoffe) (Ploemeur) durchgeführt wird.

 

Vergrößertes Bild des Laryngopharynx (Kehlkopfrachen), mit dem Lynxter Drucker S300X für den medizinischen Simulator Swall-E gedruckt

 

SWALL-E, MEDIZINISCHER SIMULATOR FÜR DEN SCHLUCKVORGANG BEIM MENSCHEN

Zwei Wissenschaftler der Forschungseinheit 1121 am INSERM, Prof. Christian Debry, Leiter der HNO-Abteilung und der Hals- und Gesichtschirurgie der HUS (Hôpitaux Universitaires de Strasbourg – Universitätskliniken von Straßburg) und Mitglied der Forschungseinheit 1121 am INSERM sowie Yo Fujiso, Forschungsingenieur der Forschungseinheit 1121, haben dieses High-Tech-Projekt im Bereich der Biomedizin initiiert. Ziel ist es, die äußerst komplexen Bewegungen des Laryngopharynx (anatomisches Element, bestehend aus Pharynx und Larynx) präzise nachzubilden und eine Simulationsplattform für HNO-Chirurgen zu bieten, die eine „in vitro“ Reproduzierbarkeit ermöglicht und somit den „in vivo“ Kontext von Patienten simuliert. Dieses Konzept basiert auf dem Prinzip des digitalen Zwillings, d. h. es wird ein virtuelles Modell (hier real, aber „in silico“- Computermodell) eines physischen Elements geschaffen, das dessen Verhalten simuliert.

 

 

Silikon-3D-Druck und Swall-E

 

In diesem Sinne verkörpert Swall-E die Zukunft der personalisierten Medizin: Eine kontrollierte elektromechanische physiologische Umgebung wird „in vitro“ nachgebildet, um die Details des Schluckvorgangs und dessen Komplexität zu erforschen und ihn gleichzeitig zu vereinfachen, um Therapien gezielt anzupassen (HNO-Implantate von Pharynx oder Larynx der neuesten Generation). In diesem Zusammenhang entstand auch der Begriff „Simplexität“, der die Kunst beschreibt, komplexe Konzepte in den Bereichen Systemtechnik, Ingenieurwesen und Neurowissenschaft einfach, lesbar und verständlich zu machen. In Verbindung mit dem Konzept des digitalen Zwillings sind Swall-E und die damit verbundenen Forschungen extrem zukunftsweisend.

Das ultimative Ziel besteht darin, einen voll funktionsfähigen künstlichen Laryngopharynx für Patienten zu entwickeln, die aufgrund von Krebs, Strahlentherapie oder vor allem aufgrund bestimmter neurodegenerativer Erkrankungen, welche die peripheren Schluckfunktionen stark beeinträchtigen, die Funktionen dieses Organ ganz oder teilweise verloren haben… Ein solcher Durchbruch könnte das Leben solcher Patienten grundlegend verbessern, denn er geht mit der Hoffnung einher, dass die Fähigkeit, zu essen wiedererlangt werden kann und dass Atemwegsverlegungen verringert oder sogar vollständig vermieden werden können, wodurch die Lebensqualität dieser Patienten erheblich verbessert und die Morbidität/Mortalität gesenkt wird.

 

Mit dem S300X für Swall-E gedruckter Laryngopharynx, mit löslichem Stützmaterial

 

Reinigung des Stützmaterials des Laryngopharynx, gedruckt mit dem S300X für Swall-E

 

DAS PROJEKT SETZT AUF VERSCHIEDENE SPITZENTECHNOLOGIEN

Der Swall-E-Prototyp vereint verschiedene hochmoderne Technologien:

– Silikon-3D-Druck:
Durch die Verwendung eines weichen Materials wie Silikon, können mithilfe des 3D-Drucks detailgenaue Modelle des Laryngopharynx hergestellt werden, welche die Beschaffenheit dieses Organs äußerst realitätsnah nachbilden.
Dabei arbeitet das Institut Carnot MICA mit dem Institut Régional des Matériaux Avancés IRMA (Regionales Institut für fortgeschrittene Werkstoffe) zusammen, genauer gesagt mit Clément Denoual, Forschungs- und Entwicklungsingenieur im Bereich Werkstoffe, um die Silikonschläuche zu fertigen. Mithilfe des 3D-Drucks können verschiedene Anatomien und Morphologien getestet werden. Die Drucker S600D und S300X von Lynxter waren hierzu besonders geeignet, da sie eine präzise Rekonstruktion des Laryngopharynx hinsichtlich Optik, Textur und haptischer Wahrnehmung ermöglichen.

 

Laryngopharynx, gedruckt mit dem S300X für Swall-E

 

– 3D-Rekonstruktion:
Mithilfe einer hochmodernen 3D-Modellierungstechnik können die Wissenschaftler digitale Modelle für die patientenspezifischen Strukturen des Laryngopharynx erstellen, die somit den Weg für personalisierte HNO-Therapielösungen ebnen.

 

Bild des Laryngopharynx

 

-Biomaterialien und Bioengineering:
Das Team erforscht biokompatible Materialien, welche die Textur und Funktion von menschlichem Gewebe nachahmen und so sicherstellen, dass sie für künftige Implantationen bei den Patienten geeignet sind. Abgesehen von der technologischen Meisterleistung verdeutlicht Swall-E die kollaborative Leistung von Ingenieuren, Chirurgen und Experten für Biotechnik, die im Rahmen dieses multidisziplinären Projekts die Grenzen der Innovationen in der Medizin erweitern.

 

Gesamtansicht des Swall-E Schlucksimulators – Betätigungsmetallkabel, elektrische Kabel und Stromversorgung nicht abgebildet: (1) anatomischer Silikonschlauch; (2) Aktuator; (3) Druckgenerator; (4) Speisebolusvorratsbehälter; (5) motorisierte Spritze; (6) Magnetventil; (7) Elektronikplatine und Mikrocontroller; (8) seitliche Hochgeschwindigkeitskamera; (9) Aluminiumstruktur

 

EHRGEIZIGE ZIELE FÜR DAS ÖFFENTLICHE GESUNDHEITSWESEN

Auch wenn sich Swall-E noch in der Entwicklungsphase befindet, besitzt er bereits ein riesiges Potenzial. Der erste Prototyp verdeutlicht die Möglichkeiten des Simulators:

– Genaue Untersuchung des Schluckvorgangs bei gesunden Patienten und Patienten mit Schluckstörungen, um Funktionsstörungen/Pathologien besser zu verstehen und zu behandeln und gezielte (personalisierte) therapeutische Lösungen anzubieten.

– Verbesserung der Ausbildung von Chirurgen durch Bereitstellung einer realitätsnahen Simulationsplattform, die es ermöglicht, die Techniken zur Rekonstruktion des Rachens und des Kehlkopfs zu perfektionieren und dadurch die chirurgischen Ergebnisse zu optimieren.
–Mithilfe von rheologischen Untersuchungen Ansätze zur Wiederherstellung des Schluckvorgangs optimieren, indem die Fortbewegung des Speisebreis in den Rachenraumstrukturen genau analysiert wird.

 

Videoaufnahmen einer Hochgeschwindigkeitskamera (Seiten- und Rückansicht) von einem normalen Schluckvorgang eines 10 ml dicken Speisebolus, der mit dem Swall-E Simulator nachgestellt wurde.

 

Im Mittelpunkt dieses Projekts steht eine große Herausforderung für das öffentliche Gesundheitswesen: Mit diesen Fortschritten sollen die Folgen von Schluckstörungen und Atemwegsverlegungen minimiert werden, die u. a. auf neurodegenerative Erkrankungen (Parkinson, Alzheimer usw.) zurückzuführen sind, von denen weltweit mehr als 50 Millionen Menschen betroffen sind und die regelmäßig zu lebensbedrohlichen Lungenerkrankungen führen. Nicht zu vergessen ist auch Kehlkopfkrebs, bei dem allein in den USA jährlich etwa 12.650 neue Fälle* registriert werden, was den dringenden Bedarf an innovativen Lösungen für einen Kehlkopfersatz verdeutlicht, um ein Tracheostoma (künstliche Öffnung der Luftröhre) zu vermeiden.

Entsprechende Forschungen wurden in den 2000er Jahren vom Team um Prof. Christian Debry initiiert und führten 2012 zum Einsetzen des ersten künstlichen Kehlkopfs**, bedürfen aber ständiger Verbesserungen, um ein normales Schlucken ohne Atemwegsverlegungen zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang kommt auch Swall-E zum Einsatz.

 

Laryngopharynx, gedruckt mit dem S300X für Swall-E – Draufsicht

 

Détail de l’impression du Larynx :

 

BRANCHE	F & E, Gesundheitswesen
ANWENDUNG	Medizinischer Simulator
MATERIALIEN	COPSIL 3D 10 Sh A
GRÖSSE	53 x 123 x 66 mm
3D-DRUCKER	MEX – S300X LIQ21 | LIQ11.
DRUCKZEIT	6 Std. 40 Min.
MATERIALMENGE	46 g Silikon / 106 g Stützmaterial
SCHICHTHÖHE	0.35 mm
DÜSENGRÖSSE	0,69 mm

 

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Sources : Quellen :
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0208193
Présentation du projet Swall-E, un simulateur de déglutition humaine sur (Präsentationi des Projkets Swall-E, ein Simulator für den Schluckvorgang beim Menschen) Youtube – 2023
* Bradley A. Schiff, MD, Montefiore Medical Center, The University Hospital of Albert Einstein College of Medicine
** Debry, C., Dupret–Bories, A., Vrana, N.E., Hemar, P., Lavalle, P. and Schultz, P. (2014), Laryngeal replacement with an artificial larynx after total laryngectomy: The possibility of restoring larynx functionality in the future. Head Neck, 36: 1669-1673. https://doi.org/10.1002/hed.23621
** Debry, C., Vrana, N.E., Dupret-Bories, A., Implantation of an Artificial Larynx after Total Laryngectomy. N Engl J Med. 2017 Jan 5;376(1):97-98. doi: 10.1056/NEJMc1611966

 

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