3D-gedruckter Knochenbohrer mit integrierten Kühlkanälen verbessert Operationsverfahren

Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover hat zusammen mit dem Präzisionsfertiger Toolcraft einen Bohrer mit integrierten Kühlkanälen entwickelt. Das additiv gefertigte Werkzeug soll Gewebeschäden verhindern, die bei Operationen mit konventionell gefertigten Bohrern durch Hitzeeinwirkung entstehen können.

Bei der spanenden Bearbeitung von Knochen kann es aufgrund der entstehenden Hitze zu Gewebeschäden kommen, die bei einer Temperatur von über 48°C auftreten. Eine konventionelle Werkzeugkühlung ist bei diesen Eingriffen nicht möglich, da die Gefahr besteht, dass Flüssigkeit in die Wunde gelangt. Bei derzeitigen Methoden muss also das Bohren immer wieder unterbrochen werden, um die Temperatur möglichst niedrig zu halten.

Der vom IFW und Toolcraft entwickelte Bohrer löst dieses Problem durch die integration von internen Kühlkanälen. Die Herstellung eines solchen Werkzeugs mit komplexer Geometrie wurde erst durch Metall-3D-Druck ermöglicht. Über die Kanäle im Inneren des Bohrers, die entlang der Helix und wieder zurück zur Werkzeugaufnahme ausgerichtet sind, kann Kühlstoff innerhalb des Werkzeugs fließen ohne in die Wunde zu gelangen. Zusätzlich zum Aufbau des Bohrers wurde von Toolcraft ein nicht rotierender Vorspindelaufsatz mit Zu- und Abflussfunktion für das Kühlmittel entwickelt.

Als Vorlage für den innengekühlten Prototypen diente ein herkömmlicher Knochenbohrer mit einem Durchmesser von 6 mm. Die Geometrie musste erhalten bleiben, um den Umstieg der Anwender zu erleichtern. Zudem ist die medizinische Verträglichkeit des Materials unabdingbar. Ein Vor- und Rücklauf sorgt für einen ständigen Kühlmittelfluss. Die innenliegenden kreisförmigen Kühlkanäle mit einem Durchmesser von 1,2 mm leiten die thermische Energie weg von der Werkzeugschneide. Um die Kühlmittelzu- und -abfuhr zu ermöglichen, wurden Horizontalbohrungen eingebracht, die den Kühlkreislauf mit dem Bohrer verbinden. Zur Fixierung des Verteilers ist ein Einstich für einen Sicherungsring vorhanden. Eine weitere Herausforderung stellte das Abdichten der beiden Kammern im Verteiler dar.

Für die Erstellung des CAD-Modells ist das Projektteam vom Unternemen Schmidt WFT unterstützt worden. Als Material wurde der biokompatible Werkstoff 1.4404 verwendet. Dem 3D-Druck und der Nachbearbeitung folgten Untersuchungen des Bohrers durch das IFW. Dabei bohrte man Kunst- und Rinderknochen mit Einsatz von Wasser als Kühlungsmittel. Ergebnisse dieser Tests zeigten signifikante Temperaturreduzierungen von bis zu 70%.

Die Problematik der Knochenschädigung durch zu hohe Temperatur besteht bei fast allen Operationen, bei denen Knochen bearbeitet werden. Toolcraft sieht daher weiteres Anwendungspotential, beispielsweise bei Sägewerkzeugen.