Development of an additive manufacturing system for producing tissue-mimicking materials

Abstract

Anatomische Modelle spielen im Bereich der medizinischen Ausbildung und der präoperativen Planung eine entscheidende Rolle. Sie ermöglichen es Medizinstudenten oder Ärzten, sich in einer kontrollierten, risikofreien Umgebung auf reale Szenarien vorzubereiten. In diesem Bereich haben die additiven Fertigungstechniken zur Herstellung mehrerer experimenteller anatomischer Modelle mit verbessertem geometrischen, radiologischen oder biomechanischen Realismus geführt. In diesem Zusammenhang liegt das Hauptaugenmerk dieser Arbeit auf der Reproduktion eines realistischen biomechanischen Verhaltens von Weichteilgeweben. Da es hierfür keinen handelsüblichen 3D-Drucker gibt, wurde in einem ersten Schritt ein eigener 3D-Drucker entwickelt. Dieser Drucker kann weiche und harte Materialien drucken und ermöglicht die Strukturierung aus mehreren Materialien. Der Drucker basiert auf der Extrusionstechnologie und ist in der Lage, sowohl thermoplastische als auch Silikonkautschukmaterialien aufzutragen. Nach dem Bau des Druckers wurden die Genauigkeit und die Grenzen dieses Druckers mit bestimmten Materialien untersucht. Der Druckkopf des speziell angefertigten Silikondruckers wurde kalibriert, und eine Reihe von Testobjekten wurde vorgeschlagen, gedruckt und im Hinblick auf die geometrische Integrität und Genauigkeit bewertet. Die Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die Silikonviskosität einen starken Einfluss auf geometrische Ungenauigkeiten hat, und auf der Grundlage der Ergebnisse wurden Designempfehlungen ausgesprochen. Anschließend wurde die Machbarkeit von geometrischen Merkmalen wie dünnen Wänden, Füllstrukturen, Überhängen und Multimaterial-Schnittstellen durch den Druck verschiedener Objekte getestet. Ein auf medizinischen Bildern basierendes Brustkorbmodell wurde ebenfalls erfolgreich gedruckt, was das Potenzial des Druckers für die Herstellung anatomischer Modelle demonstriert. In einem nächsten Schritt wurden anatomische Modelle aus medizinischen Bildern erstellt und mit realistischem biomechanischem Verhalten und radiologischer Ähnlichkeit gedruckt. Das Lebermodell wurde mit einem weichen Silikonkautschuk als Strukturmaterial, Silikonöl als Füllflüssigkeit innerhalb der Füllstruktur und Polymilchsäurefilament als harter Träger gedruckt. Außerdem wurde eine Reihe von Zugversuchsproben mit passenden Strukturen gedruckt. Die Ergebnisse des CT-Scans des Lebermodells und der Zugprüfung der passenden Prüfkörper zeigten, dass das Lebermodell sowohl in Bezug auf die mechanischen als auch auf die radiologischen Eigenschaften realistischer war als Modelle, die nur mit Silikonkautschuk gedruckt wurden, was das Potenzial für individuelle Anpassungsmöglichkeiten im Bereich der anatomischen Modelle durch diese Gummifluid-Thermoplast-Druckmethode verdeutlicht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit ein 3D-Drucker entwickelt und ausgiebig getestet wurde. Nacheinander wurden damit realistische anatomische Modelle hergestellt. Der Einsatz von Silikondruck und Multi-Material-Strukturierungstechniken im Bereich der 3D-gedruckten anatomischen Modelle wurde etabliert und bietet neue Möglichkeiten für die individuelle Anpassung und einen erhöhten Realismus in der medizinischen Ausbildung, der Geräteentwicklung und der präoperativen Planung.

Anatomic models play a crucial role in the field of medical education and preoperative planning. They allow medical students or doctors to prepare for real-life scenarios in a controlled, risk-free environment. Additive manufacturing techniques have led to the creation of several experimental anatomic models with improved geometric, radiological, or biomechanical realism. In this context, the main focus of this thesis is the reproduction of realistic biomechanical behavior of soft tissues. Since there is no readily available commercial 3D printer for this, the first step was the development of a custom-built 3D printer. This printer can print soft and hard materials and allows for multi-material structuring. The printer is based on extrusion technology and is capable of depositing both thermoplastic and silicone rubber materials. The accuracy and limits of this printer were studied with given materials. The printhead calibration process of the custom-built silicone printer was defined, and a set of test objects was proposed, printed, and evaluated in terms of geometric integrity and accuracy. Results indicated that silicone viscosity has a strong impact on geometric inaccuracies, and design recommendations were made based on the results. Afterwards, the feasibility of geometric features such as thin walls, infill structuring, overhangs, and multi-material interfaces was tested through the printing of various objects. A proof-of-concept medical image-based ribcage model was also successfully printed, demonstrating the potential of the printer to manufacture anatomic models. In the next step, anatomical models were created from medical images and printed with realistic biomechanical behavior and radiological similarity. The liver model was printed using a soft silicone rubber as a structural material, silicone oil as a filler fluid inside the infill structure, and poly-lactic acid filament as hard support. A set of tensile testing specimens with matching structures was also printed. The results of CT-scanning of the liver model and tensile testing of the matching test specimens suggested that the liver model became more realistic in both mechanical and radiological properties compared to models printed solely with silicone rubber, demonstrating the potential for customization opportunities in the field of anatomic models through this rubber-fluid-thermoplastic printing method. In summary, a 3D printer was developed and extensively tested in this work. Consecutively, realistic anatomical models were produced with it. The use of silicone printing and multi-material structuring techniques in the field of 3D-printed anatomic models was established, offering new opportunities for customization and increased realism in medical education, device development and preoperative planning.