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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristalline
Cellulose umfassenden Struktur gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, eine Struktur, ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlform
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und eine
Hohlform. Außerdem betriff die Erfindung Verwendungen eines
3D-Druckers.
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Stand der Technik
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Strukturen
aus kristalliner Cellulose können in zahlreichen Anwendungen
nützlich sein, zum Beispiel als Stützstruktur
zum Züchten lebender Zellen in vitro („Tissue
Engineering") aus Zellen, die einem Organismus entnommen worden
sind, um die gezüchteten Zellen dem selben Organismus zu
implantieren und so eine Gewebefunktion zu erhalten oder wiederherzustellen.
Bei den Geweben handelt es sich vorzugsweise um Weichgewebe, z.
B. Haut-, Muskel- oder Fettgewebe, im Gegensatz zu Hart- oder Knochengewebe.
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Ein
lebendes Gewebe besteht in der Regel aus einer Vielzahl spezialisierter
Zellen, die sich gegenseitig mit Hilfe von Signalmolekülen
beeinflussen, und es wird vermutet, dass Zellen sich innerhalb von Konzentrationsgefällen
kleinmolekularer Stoffe orientieren und in einer bestimmten Weise
verhalten können. Man spricht hier auch von „positioneller
Information". Zwischen den Zellen eines Gewebes gibt es Stützstrukturen,
extrazelluläre Matrix genannt, die aus von den Zellen abgegebenen
Makromolekülen bestehen und die die Zellen in ihrer jeweiligen
Position stabilisieren. Wird die extrazelluläre Matrix
zerstört und werden die Zellen durchmischt, sind normale,
differenzierte Körperzellen nicht mehr in der Lage, sich
neu zu organisieren und die verlorenen Strukturen wieder aufzubauen.
Man hat jedoch festgestellt, dass diese Zellen ihre normale Funktion
wieder aufnehmen können, wenn sie in ihren ursprünglichen, räumlichen
Zusammenhang mit den entsprechenden Nachbarzellen gebracht werden.
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Ein
bekannter Lösungsansatz versucht, die extrazelluläre
Matrix nachzubilden, indem Zellen innerhalb spezieller Stützstrukturen,
auch Scaffolds genannt, „dreidimensional" kultiviert werden.
Scaffolds sind zumeist schaumartige, poröse Gebilde mit einer
großen inneren Oberfläche. Die internationale Offenlegungsschrift
WO 2006/096791 offenbart
die Verwendung zahlreicher gegenwärtig verfügbarer
resorbierbarer und nicht-resorbierbarer synthetischer Polymere,
um daraus so genannte Nanofilamente zu erzeugen, aus denen ein geschichtetes
Scaffold aufgebaut werden soll. In der anhängigen
deutschen Patentanmeldung 10
2007 006 843 werden Stützstrukturen aus kristalliner
Cellulose beschrieben, die besiedelbare Hohlräume z. B.
in Gestalt Blutgefäß-ähnlicher sich verzweigender
Röhrensysteme enthalten. Zu Herstellung dieser Stützstrukturen
wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Hohlform mit Cellulose-bildenden
Bakterien des Stamms Acetobacter xylinum besiedelt wird. Das Röhrensystem
wird dabei mit Hilfe gewundener, parallel übereinander
und/oder nebeneinander angeordneter Wachsdrähte, beispielsweise
aus Sommerwachs, als Platzhalter geschaffen. Nachdem die Form mit
Cellulose ausgefüllt worden ist, werden die Wachsdrähte
durch Schmelzen entfernt.
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Strukturen
aus kristalliner Cellulose können sich auch als Implantate
für Säugetiere eignen. Die Internationale Offenlegungsschrift
WO 2006/61026 A1 etwa
offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers
aus mikrokristalliner Cellulose bakteriellen Ursprungs, der ohne
nachteilige Wirkung wie Fremdkörperreaktionen oder Thrombenbildung
in die Halsschlagader einer Ratte implantierbar sein soll. Die anhängige
deutsche Patentanmeldung 10
2007 006 844 , beschreibt die Nachbildung von Venen als Hohlkörper
aus mikrokristalliner Cellulose. Zur Herstellung wird eine Hohlform
mit einem Formkern aus einer Kombinationen von dünnen Metallplatten
mit gegossenen Wachskörper und manuell eingebrachten Aussparungen,
welche gemeinsam einen Formkern bilden vorgeschlagen, wobei der
Formkern von einer Formhülle umgeben ist. Die Hohlform
wird mit Cellulose-bildenden Bakterien des Stamms Acetobacter xylinum
besiedelt. Anschließend wird das Wachs durch Schmelzen
entfernt und die dünne Metallplatte mechanisch herausgelöst.
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Die
hier beschriebenen Herstellungsverfahren für Hohlformen
sind stark durch manuelle Eingriffe geprägt. Zudem ist
eine Anpassung für genau einen Körperteil äußerst
aufwändig, da die Hohlformen häufig für
diesen Fall erst modelliert werden müssen. Soweit der Formkern
aus Wachs durch Schmelzen aufgelöst wird, ist jede Struktur
ein Unikat und nur bedingt reproduzierbar. Insbesondere kann mit
Verfahren des Standes der Technik kein oder nur ein bedingt komplizierter
innerer Aufbau in einem Hohlgebilde hergestellt werden.
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Außerdem
ist aus der US-Offenlegungsschrift
US
5,506,607 ein 3D-Durcker bekannt, der dreidimensionale
Modelle Schicht für Schicht aus einem aushärtenden
Modelliermaterial aufbaut. Die Schichten werden gebildet, indem
kleine Tropfen des Modelliermaterials in flüssiger oder
fließfähiger Konsistenz von einem oder mehreren
Düsen auf eine Unterlage ausgestoßen werden, wobei
die Düsen und die Unterlage zueinander in X, Y und Z-Richtung
bewegbar sind. Die Unterlage und die Düsen werden von einem
Computer so gesteuert, dass sie einzelne Schichten in der X-Y-Ebene
herstellen. Außerdem werden die Düsen oder die
Unterlage in Z-Richtung verschoben, damit die Düsen in
Z-Richtung aufeinander folgende Schichten herstellen können.
Neben dem Modelliermaterial, das das eigentliche Modell bildet,
kann ein entfernbares Stützmaterial ausgestoßen
werden, das sonst ungestützte Teile des Modells, z. B.
den Querbalken eines H-förmigen Modells unterstützt.
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Der Erfindung zugrundeliegendes
Problem
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur
und eine solche Struktur bereitzustellen. Der Erfindung liegt außerdem
die Aufgabe zugrunde, eine neue Verwendung eines 3D-Druckers zur
Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur bereitzustellen. Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung einer Hohlform, die Hohlform und die Verwendung
eines 3D-Druckers zur Herstellung der Hohlform bereitzustellen.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Zur
Lösung der Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 1, einer Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs
10, eine Verwendung eines 3D-Druckers zur Herstellung einer kristalline
Cellulose umfassenden Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ein
Verfahren zur Herstellung einer Hohlform mit den Merkmalen des Anspruchs
12, einer Hohlform mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und eine Verwendung
eines 3D-Druckers zur Herstellung einer Hohlform mit den Merkmalen
des Anspruchs 18.
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Die
erfindungsgemäße Struktur kann z. B. als Implantat
und/oder zum Kultivieren von lebenden Zellen, insbesondere Zellen
von Säugetieren oder Menschen, vorteilhaft eingesetzt werden.
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Es
ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass die vorteilhaften
Eigenschaften von 3D-Druckern zur Herstellung von Stützstrukturen
genutzt werden. So ist ein erreichbarer Vorteil der vorliegenden
Erfindung, dass manuelle Herstellungs- oder Bearbeitungsschritte
der Hohlformen durch maschinelle Schritte ersetzt werden oder ganz
entfallen.
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Es
ist ein erreichbarer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass durch
die Verwendung einer Hohlform eine an einen bestimmten Zweck angepasste
Struktur geplant oder natürlichen Vorbildern nachgebildet
werden. Es ist ein weiterer erreichbarer Vorteil der vorliegenden
Erfindung, dass durch die Verwendung eines 3D-Druckers erfindungsgemäße Strukturen
und Hohlformen reproduzierbar hergestellt werden. Es kann ein weiterer
Vorteil sein, dass sich mittels des 3D-Druckers auch erfindungsgemäßen
Strukturen mit komplizierten Formen realisieren lassen.
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Es
ist ein erreichbarer Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung einer Struktur, dass es sich das Prinzip
der „verlorenen Form" zu Nutze machen kann, d. h. eine
Form schaffen oder einsetzen kann, die im Schritt des Entformens
wenigstens teilweise ihre Gestalt verliert.
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Aufbau und Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung
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Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander
eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Es
können nur einzelne Teile der Hohlform, vorzugsweise einer
oder mehrere Formkerne, oder alle Teile der Hohlform mittels des
3D-Druckers hergestellt werden. Erfindungsgemäß umfasste
3D-Drucker sind dem Fachmann auch als „Rapid Prototyping
Systeme" bekannt. Als 3D-Drucker kann ein üblicherweise
in der Zahnmedizin verwendeter 3D-Drucker, wie er beispielsweise
in dem US-Patent
US 5,506,607 offenbart
ist, nach entsprechender Anpassung eingesetzt werden. Der Inhalt
der vorgenannten Schrift in Bezug auf den Aufbau und die Funktion
dieses Druckers ist durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung.
Dies gilt insbesondere auch für die darin offenbarten einzelnen
Ausgestaltungen der unten genannten bevorzugten Ausführungsformen
des 3D-Druckers und seines Betriebsverfahrens.
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Die
Schichten werden vorzugsweise gebildet, indem kleine Tropfen des
Modelliermaterials in flüssiger oder fließfähiger
Konsistenz von einem oder mehreren Düsen auf eine Unterlage
oder eine vorherige Schicht ausgestoßen werden. Die Unterlage kann
auch ein Teil der Hohlform sein. Er wird dann vorzugsweise zu Beginn
des Druckvorgangs in den Drucker eingelegt. Vorzugsweise ist ein
solcher Teil der Form kann aus dem Modelliermaterial oder einem
anderen Materials bestehen. Die Düsen und die Unterlage
sind zueinander vorzugsweise in X, Y und Z-Richtung bewegbar, besonders
vorzugsweise gesteuert mittels einer Datenverarbeitungsanlage. Dabei
können die Unterlage und die Düsen vorzugsweise
so gesteuert werden, dass sie die Schichten in der X-Y-Ebene herstellen.
Außerdem können die Düsen oder die Unterlage
vorzugsweise in Z-Richtung verschoben werden, damit die Düsen
die folgende Schicht herstellen können.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird außerdem
schichtweise mindestens eine Stütze aus einem, vorzugsweise
entfernbaren, Stützmaterial aufgebaut, um ungestützte
Bereiche der (Teil-)Form, z. B. den Querbalken einer H-förmigen Form,
zu unterstützen. Das Stützmaterial wird vorzugsweise
entfernt, nachdem die (Teil-)Form durch den 3D-Drucker fertiggestellt
worden ist, z. B. durch Auflösen in einem Lösungsmittel
oder durch Schmelzen, sodass die zurückbleibende (Teil-)Form
zum Kultivieren der Cellulose verwendet werden kann.
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Vorzugsweise
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in jeder
Schicht zunächst eine oder mehrere Außenkonturen
und gegebenenfalls eine oder mehrere Innenkonturen der (Teil-)Form
ausgebildet, indem nacheinander ausgestoßene Tropen des
Modelliermaterials aneinandergereiht werden. Ein Tropfen ist vorzugsweise
noch wenigstens teilweise geschmolzen, wenn er auf einen benachbarten Tropfen
trifft, sodass die Tropfen ineinanderfließen können.
Ein von einer oder mehreren Konturen eingeschlossener Innenraum
kann mit Modelliermaterial oder einem anderen Material gefüllt
werden. Es ist auch denkbar, dass in einem solchen Innenraum gitterartige
Stützstrukturen ausgebildet sind. Bei einem bevorzugten
Verfahren überlappt ein ausgestoßener Tropfen
sich mit einem bereits zuvor ausgestoßenen benachbarten
Tropfen in derselben Schicht wenigstens teilweise. Es kann auch
vorteilhaft sein, Wände aus einer Doppelschicht aneinandergereihter
Tropfen auszubilden. Diese Maßnahmen können dazu beitragen,
die Oberflächenqualität der (Teil-)Form zu verbessern.
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In
einer denkbaren Ausführung der Erfindung werden wenigstens
teilweise geschmolzene Tropfen des Modelliermaterials in eine Pulverschicht, vorzugsweise ebenfalls
aus Modelliermaterial, ausgestoßen, sodass Pulverpartikel
aneinandergefügt werden um die (Teil)-Form zu bilden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, umfasst
die Hohlform mindestens einen Formkern. Dieser Formkern kann beispielsweise
den Hohlraum eines Gefäßsystems, durch das Blut
im Körper eines Organismus fließt, nachbilden.
Die Hohlform kann andererseits auch nur eine Formhülle
umfassen. Bevorzugt umfasst die Hohlform eine Formhülle,
die beispielsweise die äußere Begrenzung einer
Vene oder Arterie nachbildet, und einen Formkern. So kann mit Hilfe
von Formkern und Formhülle ein Gefäßsystem
nachgebildet werden.
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In
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können Teile
der Hohlform, insbesondere einer oder mehrere der Formkerne, irreversibel
verformt werden, um die Hohlform nach dem Kultivieren der Cellulose
bildenden Bakterien zu entformen. Vorzugsweise umfasst der Schritt
des Entformens ein wenigstens teilweises Schmelzen des Formkerns. Der
Formkern wird beim Entformen der Hohlform vorzugsweise im Wesentlichen
entfernt, besonders vorzugsweise quantitativ, d. h. rückstandslos.
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Der
Schmelzpunkt des Modelliermaterials liegt vorzugsweise bei über
28°C, besonders vorzugsweise bei oder über 30°C,
besonders vorzugsweise bei oder über 60°C. Es
ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung,
dass der mit dem 3D-Drucker hergestellte Teils der Form während des
Kultivierens der Cellulose stabil bleibt. In einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung liegt der Schmelzpunkt des Modelliermaterials zwischen
95 und 110°C. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung
der Erfindung, dass die Cellulose-Stützstruktur beim Schmelzen
des mit dem 3D-Drucker hergestellten Teils der Form nicht beschädigt
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Modelliermaterial
hydrophob. Es ist ein Aspekt dieser Ausführung der Erfindung,
dass ausgenutzt wird, dass ein hydrophobes Material von der hydrophilen
Oberfläche des Cellulosekörpers abgestoßen wird.
Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung,
dass das Modelliermaterial beim Entformen im Wesentlichen quantitativ
entfernt werden kann.
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Als
Modelliermaterial kann insbesondere thermoplastisches Wachs- oder
Polymermaterial eingesetzt werden. In einer besonderen Ausgestaltung wird
ein Modelliermaterial eingesetzt, die durch den 3D-Drucker als formbildendes
Material einsetzbar sind. Insbesondere können die Materialien,
die in dem US-Patent
US 5,506,607 in
Spalte 9, Zeile 65 bis Spalte 10, Zeile 40 (Tabellen) aufgeführt
sind, eingesetzt werden. Auch weitere Materialien, auf die durch
die zuvor genannte Schrift verwiesen ist, sind erfindungsgemäß als
Materialien zur Herstellung einer Hohlform mittels eines 3D-Druckers
umfasst. Es ist auch denkbar, Polyvinylalkohol (PVA) oder das aus
der Dental-Technik bekannte sogenannte „Sommerwachs" als
Modelliermaterial einzusetzen. Ein bevorzugtes Modelliermaterial
ist InduraCast, erhältlich von Solidscape Inc., Marimack,
New Hampshire (NH), USA.
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Wenn
bei der Herstellung der (Teil-)Form neben dem Modelliermaterial
ein Stützmaterial eingesetzt wird, so ist das Modelliermaterial
vorzugsweise eines der in dem US-Patent
US 5,506,607 als „modelling
compound (MC)" vorgeschlagenen Materialien, und das Stützmaterial
eines der in diesem Patent vorgeschlagenen „support materials
(SM)". Ein bevorzugtes Modelliermaterial ist InduraCast InduraFill,
erhältlich von Solidscape Inc., Marimack, New Hampshire
(NH), USA. Der Schmelzpunkt des Stützmaterials liegt vorzugsweise
unter 110°C, besonders vorzugsweise unter 100°C,
besonders vorzugsweise unter 80°C. In einer bevorzugten
Ausführung der Erfindung liegt der Schmelzpunkt des Modelliermaterials
zwischen 49 und 70°C. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser
Ausführung der Erfindung, dass das Stützmaterial
durch Schmelzen nach Fertigstellen der (Teil-Form) von dem Modelliermaterial
entfernt werden kann.
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In
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Hohlform
unterschiedliche Materialien. So können Materialkombinationen
aus den vorgenannten Materialien und/oder Metall und/oder Glas und/oder
Teflon und/oder Keramiken erfindungsgemäß verwendet
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in die
Hohlform mittels des 3D-Druckers bei dem schichtweisen Aufbau der
Hohlform eine Nährflüssigkeit zum Kultivieren
von biologischen Organismen eingebracht. Insbesondere wird das Nährmedium
eingebracht, welches zum Kultivieren der Cellulose bildenden Organismen
eingesetzt wird. Dies kann sich insbesondere dann vorteilhaft auswirken,
wenn bestimmte Bereiche der Hohlform schwer zugänglich sind.
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Die
bevorzugte Struktur weist mindestens eine Hinterschneidung auf derart,
dass sie aus der Hohlform nicht entnommen werden kann, ohne wenigstens
einen Teil der Form zu verformen. Vorzugsweise weist die Struktur
in ihrem Inneren mindestens einen Hohlraum auf, der durch einen
Formkern der Form als Platzhalter ausgebildet wird. Der Formkern ist
vorzugsweise mittels des 3D-Druckers hergestellt. Der Hohlraum kann
so ausgebildet sein, dass er außen nur durch Passieren
einer Engstelle zugänglich ist, deren Querschnitt kleiner
ist als der Querschnitt des Hohlraums.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Innenraum der
Hohlform im Wesentlichen die Gestalt eines langgestreckten Hohlkörpers
auf, z. B. um mittels der Hohlform als erfindungsgemäße
Struktur ein Gefäß nachzubilden, durch dessen
Lumen ein Medium, vorzugsweise ein flüssiges Medium, besonders
bevorzugt Blut oder andere Körperflüssigkeiten geleitet
werden können. Der Formkern, der als Platzhalter für
das Lumen dient, hat vorzugsweise einen im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt. Vorzugsweise umfasst der Formkern Einkerbungen, um
Ausbuchtungen, besonders vorzugsweise ähnlich natürlicher
Venenklappen, mittels der Hohlform am langgestreckten Hohlkörper
auszubilden, so dass die Strömung eines Mediums, das durch
den langgestreckten Hohlkörpers geleitet wird, in eine
Sperrrichtung stärker abgebremst wird als in eine der Sperrrichtung
entgegengesetzten Richtung.
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Bevorzugte
mit der erfindungsgemäßen Form hergestellte Strukturen
weisen Hohlräume auf, die sich zur Besiedlung mit lebenden
Zellen eignen. Diese Hohlräume werden vorzugsweise durch
Formkerne gebildet, die mit dem 3D-Drucker hergestellt worden sind.
Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren weist der Formkern mindestens
einen sich an mindestens einer Stelle verzweigenden Strang auf.
Besonders vorzugsweise laufen wenigstens einige der Zweige an anderer
Stelle wieder zusammen, um ein System sich verzweigender und wieder
zusammenlaufender Röhren, z. B. ähnlich einem
Blutgefäßsystem, zu schaffen. Vorzugsweise weist
der mit der erfindungsgemäßen Hohlform gebildete
Hohlkörper wenigstens zwei Öffnungen auf, durch
die der verformte, vorzugsweise geschmolzene, Formkern oder seine
Rückstände das Innere des Hohlkörpers verlassen
können.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dienen bildgebende
Verfahren zur Planung der Hohlform, vorzugsweise des Teils, der
mittels des 3D-Druckers hergestellt wird, vorzugsweise des Formkerns.
Besonders bevorzugt sind tomographische Verfahren, insbesondere
Röntgentomographie und/oder Positronenemissionstomographie
und/oder Kernspintomographie. Dadurch kann eine an einen Patienten
angepasste Hohlform, z. B. für ein zu ersetzendes Körperteil,
insbesondere ein Blutgefäßsystem oder ein Venenklappensystem,
geschaffen werden. Insbesondere ist es denkbar, Organe oder Teile von
Organen des Patienten, z. B. Abschnitte von Blutgefäßen,
mit bildgebenden Verfahren zu erfassen und mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren nachzubilden. Die mit den bildgebenden Verfahren ermittelten
Daten werden in für den 3D-Drucker lesbare Daten, insbesondere
CAD-Daten, umgewandelt und gegebenenfalls modifiziert. Diese 3D-Drucker lesbaren
Daten dienen anschließend dem schichtweisen Aufbau und
der Nachbildung der Patientendaten.
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Vorzugsweise
besteht die Stützstruktur im Wesentlichen aus Wasser und
kristalliner Cellulose, besonders vorzugsweise mikrokristalliner
Cellulose, wie sie von dem Bakterium Acetobacer xylinum gebildet
wird. Dieses Material enthält weniger als 10 Prozent kristalline
Cellulose und das Wasser ist teilweise und unterschiedlich stark
an die mikrokristalline Cellulose gebunden. Kristalline Cellulose
hat sich in Experimenten als besonders gewebefreundlich erwiesen.
Die Cellulose bildenden Organismen sind vorzugsweise Bakterien,
besonders vorzugsweise Bakterien des Stamms Acetobacter xylinum.
Es ist denkbar, dass auch andere Cellulose bildende Mikroorganismen
eingesetzt werden, wie z. B. geeignete Stämme von Agrobacterium,
Rhizobium, Sarcina, Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter und Zooglea.
Da die Gene der Cellulose synthetisierenden Enzymkomplexe von Acetobacter
xylinum bekannt sind, könnten diese auch in andere Mikroorganismen,
wie z. B. Escherichia coli durch die Anwendung bekannter molekularbiologischer
Verfahren eingebracht werden, wodurch auch diese Organismen Cellulose
synthetisieren könnten.
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Für
die Kultivierung von Acetobacter xylinum sind unterschiedliche Nährmedien
beschrieben. Ein geeignetes, häufig verwendetes Medium
ist das in Biochemical Journal 58 von 1954, S. 345–352 beschriebene
Medium von Schramm und Hestrin. Der gesamte diesbezügliche
Inhalt des vorgenannten Artikels ist durch Verweis Teil der vorliegenden
Offenbarung. Ein Nachteil dieses Mediums kann darin bestehen, dass
es nicht genau definiert ist, da es Hefeextrakt und Pepton enthält.
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Für
die Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein vollsynthetisches
Medium bevorzugt, wie z. B. von Forng et al. in Applied
and Environmental Microbiology von 1989, Bd. 55, Nr. 5, S. 1317–1319 beschrieben.
Der gesamte diesbezügliche Inhalt des vorgenannten Artikels
ist durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung. Ein Nachteil dieses
Mediums kann in dem etwas langsameren Wachstum der Bakterien bestehen.
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Es
ist auch denkbar, den sogenannten Kombucha-Teepilz zur Ausführung
der Erfindung zu verwenden. Diese Kultur enthält neben
Acetobacter xylinum zahlreiche andere in Symbiose lebende Organismen,
wie Hefen und Bakterien, und lässt sich durch ein Medium,
bestehend lediglich aus Schwarztee und Saccharose (100 g/l) unterhalten.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Figuren und Ausführungsbeispielen mit
weiteren Einzelheiten näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß verwendeten
3D-Druckers;
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2:
Eine schematische perspektivische Darstellung einer Hohlform mit
Formhülle und Formkern zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens der Struktur;
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3:
Eine schematische Querschnittsdarstellung der Hohlform aus 2 mit
einem noch nicht fertig gewachsenen langgestreckten Hohlkörper
und Angabe der Wachstumsrichtung;
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4:
Eine schematische perspektivische Darstellung eines Formkerns für
einen erfindungsgemäßen langgestreckten Cellulosehohlkörper
mit Ausbuchtungen an seiner Innenwand;
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5:
Eine schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen
Struktur als Hohlkörper, der die Funktion einer Venenklappe nachbildet.
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6:
Eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführung
einer erfindungsgemäßen Struktur als Stützstruktur
zum Kultivieren lebender Zellen.
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7:
Eine schematische Querschnittsdarstellung eines Aufbaus durch Durchführung
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
einen aus dem Stand der Technik in der Zahnmedizin verwendeten 3D-Drucker
1.
Der Drucker
1 entspricht in Aufbau und Funktionsweise im
Wesentlichen dem in
US 5,506,607 offenbarten 3D-Drucker.
Teile
2a,
2b, der Hohlform werden damit schichtweise
hergestellt, indem Tropfen eines Modelliermaterials und eines Stützmaterials
auf der Unterlage
4 oder der vorherigen Schicht aneinandergereiht werden.
Um das Material aufzutragen, wird dieses vor dem Auftragen erhitzt
und härtet nach dem Auftragen aus. Nachdem in einer Ebene
sämtliches Material aufgetragen wurde, wird in der nächsthöheren Ebene
wiederum Material aufgetragen. Ist auch dieser Schritt abgeschlossen,
erfolgt die gleiche Prozedur mit der darüber liegenden
Ebene. So entsteht mit der Zeit ein dreidimensionales Gebilde. Als
Modelliermaterial wurde InduraCast (Solidscape Inc., Marimack, NH,
USA) und als Stützmaterial InduraFill (Solidscape Inc.,
Marimack, NH, USA) verwendet. Nachdem alle Schichten aufgetragen
worden sind, wird die Hohlform entnommen und das Stützmaterial
wird durch Schmelzen gemäß der Herstellerangaben
entfernt, sodass nur noch die Hohlform aus Modelliermaterial verbleibt.
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2 und 3 zeigen
eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
entstandene Hohlform 5. Die Halbschalen 6 und 7,
die die Formhülle bilden, sind aus Glas, die Abstandhalter 8 und 9 aus
Teflon, und der zylindrische Formkern 2a wurde mittels
des 3D Druckers 1 hergestellt. In 3 ist dargestellt,
wie die Hohlform 5 durch die Cellulose bildenden Bakterien
mit Cellulose 10 ausgefüllt wird. Durch die untere Öffnung 11 wächst
in den Innenraum kristalline Cellulose 10 senkrecht zur
Längsachse des Innenraums von einer Längsseite 12 zu
der anderen Längsseite 13 (durch die Pfeile 14 und 15 dargestellt).
Gleichzeitig kann über eine zweite Öffnung 16 ein
Luftaustausch mit der Umgebung der Hohlform 5 stattfinden, insbesondere
um die Bakterien mit Sauerstoff zu versorgen. Durch die Öffnung 11 kann
die Cellulose von außen die nötigen Nährstoffe
aus dem Wachstumsmedium zu den Organismen im Inneren der Hohlform 5 transportieren.
Ist die Cellulose 10 an der oberen Öffnung 16 angelangt,
kann der Entformungsvorgang durchgeführt werden. Dazu werden
die Halbschalen 6 und 7 abgenommen und der Formkern 2a geschmolzen.
Danach bleibt im Wesentlichen die gewachsene Celluloseform als Hohlkörper übrig.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in diesem Fall nur
der Bereich innerhalb der beiden Abstandshalter 8 und 9 verwendbar
ist, d. h. dass der Gesamthohlkörper gestutzt werden muss.
Der entstandene Hohlkörper kann beispielsweise als Ersatz
für ein Blutgefäß verwendet werden.
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4 zeigt
einen anderen Formkern 2b, der ebenfalls mit der in 2 und 3 dargestellten Formhülle
verwendet wird. Der Formkern 2b besteht im Wesentlichen
aus einem mit dem 3D-Drucker 1 hergestellten Zylinder 17,
der mit Paaren von Schlitzen 18 versehen ist, welche in
der Mitte des Formkerns 2b pfeilförmig zusammenlaufen.
Zur Stabilisierung des Formkerns 2b ist in der Mittelebene
ein Federstahlblatt 19 in den Formkern 2b eingeschlossen. Die
Schlitze 18, 19 reichen über die gesamte
Breite des Zylinders 17 bis zum Federstahlblatt 19.
Bei der Herstellung des Formkerns 2b werden die Zylinderhalbschalen
von dem 3D-Drucker schichtweise auf das Stahlblatt 11 aufgebracht.
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Der
Formkern 2a wird mit der Formhülle im Zwischenraum
von Formhülle und Formkern 2a wie oben beschrieben
mit Cellulose 10 ausgefüllt und die Form anschließend
entfernt. Der entstandene Hohlkörper 20 ist in 5 dargestellt.
Dieser Hohlkörper 20 kann die Funktion von Venenklappen
nachbilden. Fließt ein Medium entgegen der Durchlassrichtung 21 durch
den Hohlkörper 20, können sich die Klappennachbildungen 22, 23,
die durch die Schlitze 18, 19 geschaffen wurden,
an dem Spalt 24, der durch das Blatt 19 geschaffen
wurde, öffnen und das Medium fließen lassen. Fließt
das Medium in Sperrrichtung, werden die Klappennachbildungen 22, 23 aneinander
gepresst, und das Fließen des Mediums wird im Wesentlichen
unterbunden.
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6 zeigt
ein Beispiel einer Stützstruktur 3, die mittels
eines mit dem 3D-Drucker hergestellten Formkerns in Gestalt eines
Netzwerks sich verzweigender und wieder zusammenlaufender Stränge
geschaffen wurde. Nachdem die Cellulose eine Hohlform mit dem Wachsdrahtgeflecht
als Formkern vollständig ausgefüllt hat, wird
die Stützstruktur 3 entnommen und auf 110°C
erhitzt, um den Formkern zu schmelzen. Das Modelliermaterial kann
so im Wesentlichen vollständig aus der Stützstruktur 3 entfernt werde.
Zurück bleibt ein Hohlraum 25 aus sich verzweigenden
und wieder zusammenlaufenden Röhren, ähnlich einem
Blutgefäßsystem. Der Hohlraum 25 ist
an zwei Stellen durch eine Öffnung mit der Außenseite
der Stützstruktur verbunden. Die Stellen, an denen der
Hohlraum 25 sich verzweigt, und die Stellen, an denen die
Zweige wieder zusammenlaufen, sind zwischen den beiden Stellen 26, 27 angeordnet, an
denen der Hohlraum 25 durch Öffnungen mit der Außenseite
der Stützstruktur 3 verbunden ist.
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In 7 ist
schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
für eine Stützstruktur 2a, 2b dargestellt.
Ein steriles Gefäß 28 wird mit einer
sterilen Nährlösung 29, bestehend aus 20
g Glucose, 5 g Hefeextrakt, 5 g Bactopepton, 2,7 g Natriumphosphat
und 1,15 g Citronensäure-Monohydrat, pH 6,0, gefüllt,
und mit einer 3 Tage alten Vorkultur aus Acetobacter xylinum (z.
B. Gluconacetobacter xylinum, DSM-No. 2325, DSZM Braunschweig) angeimpft.
Wenn sich nach ca. 7 Tagen eine etwa 3 mm dicke Schicht 30 aus
Cellulose auf der Flüssigkeitsoberfläche gebildet
hat, wird diese durch ein Netz 31 aus Teflon (ePTFE expandiertes Polytetrafluorethylen,
z. B. Zahnseide GLIDE, W. L. Gore and Associates Inc.)
unterstützt, das in einem von Stützen 32 aus
Glas getragenen Glasrahmen 33 aufgespannt ist. Die Hohlform 5 wird
auf die mit dem Netz 31 unterstützte Celluloseoberfläche
gelegt und bei 28°C in einem Brutschrank kultiviert.
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Die
Besiedelung der Hohlform 5 durch die Bakterien und ihr
Ausfüllen mit Cellulose dauert in der Regel 2 bis 3 Wochen.
In dieser Zeit ist darauf zu achten, dass verbrauchtes bzw. verdunstetes
Medium 29 gegebenenfalls ersetzt wird. Wenn die Hohlform 5 vollständig
mit Cellulose 10 ausgefüllt ist, wird die Struktur 2a, 2b, 3 entnommen
und anschließend auf ca. 110°C erhitzt, so dass
der Formkern 2a, 2b schmelzen und Hohlräume 25 in
der Struktur 2a, 2b hinterlassen. Das Erhitzen
dient gleichzeitig dem Sterilisieren der Struktur.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den
Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/096791 [0004]
- - DE 102007006843 [0004]
- - WO 2006/61026 A1 [0005]
- - DE 102007006844 [0005]
- - US 5506607 [0007, 0015, 0024, 0025, 0045]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Biochemical
Journal 58 von 1954, S. 345–352 [0033]
- - Forng et al. in Applied and Environmental Microbiology von
1989, Bd. 55, Nr. 5, S. 1317–1319 [0034]
- - Zahnseide GLIDE, W. L. Gore and Associates Inc. [0050]