Wie und wann werden Rapid-Technologien in der Medizintechnik wirtschaftlich?

Die Dentalindustrie heutzutage steht vor einem grundlegendem Wechsel der Herstellverfahren vom handgefertigten Objekt durch den Zahntechniker zur Mass Customization mittels Rapid-Technologien. Durch fortwährende Entwicklungen im Bereich bildgebender Verfahren stehen sowohl dem Mediziner als auch für die nachfolgenden Prozeßketten in steigendem Maße 3 dimensionale Datensätze zur Verfügung.

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Control of ventricular unloading using an electrocardiogram-synchronized Thoratec paracorporeal ventricular assist device

OBJECTIVE: Current pulsatile ventricular assist devices operate asynchronous with the left ventricle in fixed-rate or fill-to-empty modes because electrocardiogram-triggered modes have been abandoned. We hypothesize that varying the ejection delay in the synchronized mode yields more precise control of hemodynamics and left ventricular loading. This allows for a refined management that may be clinically beneficial. METHODS: Eight sheep received a Thoratec paracorporeal ventricular assist device (Thoratec Corp, Pleasanton, Calif) via ventriculo-aortic cannulation. Left ventricular pressure and volume, aortic pressure, pulmonary flow, pump chamber pressure, and pump inflow and outflow were recorded. The pump was driven by a clinical pneumatic drive unit (Medos Medizintechnik AG, Stolberg, Germany) synchronously with the native R-wave. The start of pump ejection was delayed between 0% and 100% of the cardiac period in 10% increments. For each of these delays, hemodynamic variables were compared with baseline data using paired t tests. RESULTS: The location of the minimum of stroke work was observed at a delay of 10% (soon after aortic valve opening), resulting in a median of 43% reduction in stroke work compared with baseline. Maximum stroke work occurred at a median delay of 70% with a median stroke work increase of 11% above baseline. Left ventricular volume unloading expressed by end-diastolic volume was most pronounced for copulsation (delay 0%). CONCLUSIONS: The timing of pump ejection in synchronized mode yields control over left ventricular energetics and can be a method to achieve gradual reloading of a recoverable left ventricle. The traditionally suggested counterpulsation is not optimal in ventriculo-aortic cannulation when maximum unloading is desired.

Comparing oxygen transfer performance between three membrane oxygenators: effect of temperature changes during cardiopulmonary bypass

Recently, a new oxygenator (Dideco 903 [D903], Dideco, Mirandola, Italy) has been introduced to the perfusion community, and we set about testing its oxygen transfer performance and then comparing it to two other models. This evaluation was based on the comparison between oxygen transfer slope, gas phase arterial oxygen gradients, degree of blood shunting, maximum oxygen transfer, and diffusing capacity calculated for each membrane. Sixty patients were randomized into three groups of oxygenators (Dideco 703 [D703], Dideco; D903; and Quadrox, Jostra Medizintechnik AG, Hirrlingen, Germany) including 40/20 M/F of 68.6 +/- 11.3 years old, with a body weight of 71.5 +/- 12.1 kg, a body surface area (BSA) of 1.84 +/- 0.3 m(2), and a theoretical blood flow rate (index 2.4 times BSA) of 4.4 +/- 0.7 L/min. The maximum oxygen transfer (VO(2)) values were 313 mL O(2)/min (D703), 579 mL O(2)/min (D903), and 400 mL O(2)/min (Quadrox), with the D903 being the most superior (P < 0.05). Oxygen (O(2)) gradients were 320 mm Hg (D703), 235 mm Hg (D903), and 247 mm Hg (Quadrox), meaning D903 and Quadrox are more efficient versus the D703 (P < 0.05). Shunt fraction (Qs/Qt) and diffusing capacity (DmO(2)) were comparable (P = ns). Diffusing capacity values indexed to BSA (DmO(2)/m(2)) were 0.15 mL O(2)/min/mm Hg/m(2) (D703), 0.2 mL O(2)/min/mm Hg/m(2) (D903), and 0.18 mL O(2)/min/mm Hg/m(2) (Quadrox) with D903 outperforming D703 (P < 0.0005). During hypothermia (32.0 +/- 0.3 degrees C), there was a lower absolute and relative VO(2 )for all three oxygenators (P = ns). The O(2) gradients, DmO(2) and DmO(2)/m(2), were significantly lower for all oxygenators (P < 0.01). Also, Qs/Qt significantly rose for all oxygenators (P < 0.01). The oxygen transfer curve is characteristic to each oxygenator type and represents a tool to quantify oxygenator performance. Using this parameter, we demonstrated significant differences among commercially available oxygenators. However, all three oxygenators are considered to meet the oxygen needs of the patients.

Temporary hypoxic stress protects the liver from Fas-mediated apoptosis and ischemia reperfusion injury

Molecular responses to hypoxia restore oxygen homeostasis and promote cell survival, and are mainly regulated through the activation of the hypoxia-inducible transcription factor (HIF)-1 and its target genes. In this study we questioned whether surgically depleting the liver s arterial blood supply, by clamping the hepatic artery (HA), would be sufficient to mount a hypoxia-driven molecular response, the up-regulation of hepatoprotective genes and thereby protect the liver from subsequent damaging insults.;;The HA of normal male Balb/c mice was clamped with a micro vascular clip for 2 hours. The liver s saturated oxygen concentration (SO2) was measured using an O2C surface probe (LEA-Medizintechnik) and interstitial fluid was collected with microdialysis membranes to monitor tissue damage. Mice without clamping served as sham operated controls. Interstitial fluid was assessed for lactate pyruvate (L/P) and glycerol content and the mRNA of hepatoprotective genes was analyzed by real time PCR. Subsequently, mice received either a tail vein injection of anti-Fas antibody (Jo2, 0.2 mg/kg) or the liver was made ischemic (60min) followed by 6 hours reperfusion. Caspase 3-activity and cleaved lamin A were used to assess apoptosis. In separate groups, animal were monitored for survival.;;After 30min of clamping the HA the SO2 of the liver decreased and remained at a reduced level for up to 2 hours, without an increase in L/P ratio or glycerol release. We demonstrate the activation of a hypoxia-inducible signaling pathway by the stabilization of HIF-1 protein (Western blot) and by an increase of its target gene, Epo, mRNA. There was an up-regulation of the hepatoprotective genes IL-6, IGFBP-1, HO-1 and A20 mRNA. When subsequently injected with Jo2, animals preconditioned with HA clamping, had a significantly decreased caspase-3 activity (avg21044 vs. avg3637; p=0.001, T-test) and there were fewer positive cells for cleaved Lamin A. The survival probability (10.5 hours, n=12) of mice with HA clamping was significantly higher (3.2 hours, n=13; p=0.014, Logrank test). Likewise, survival after 60 minutes of partial hepatic ischemia and 6 hours of reperfusion was reduced from 86% in mice with pretreatment by HA clamping to 56% in sham treated controls.;;This study demonstrates that a localized hypoxic stress can be achieved by surgically removing the livers arterial blood supply. Furthermore it can stimulate a hepatoprotective response that protects the liver against Fas-mediated apoptosis and ischemia-reperfusion injury. Our findings offer an innovative approach to induce hepatoprotective genes to defend the liver against subsequent insults.

Generative Serienproduktion von Mikrokomponenten

Stetig steigende Funktionalitäten, intelligente Materialien, eine möglichst geringe Leistungsaufnahme verbunden mit kleinem Volumen und geringem Gewicht sind die zentralen Anforderungen u.a. der Medizintechnik und der Telekommunikation. Um diesen Bedarf mit industriellen Fertigungsverfahren abzudecken, startete das Unternehmen nach seiner Gründung in Rumeln bereits 1996 mit dem Aufbau der RMPD® Technologiefamilie. Heute sichern diese Technologien, mit denen die direkte Serienproduktion auf Basis der CAD Kontruktionsdaten für Mikrosysteme und –komponenten werkzeuglos erfolgt, einem internationalen Kundenkreis Markterfolge mit dem Einsatz patentierter Fertigungssysteme. microTEC ist an zwei Standorten als Auftragsproduzent für Unternehmen u.a. aus den Bereichen Sensorik, Telekommunikation, Medizintechnik und Biotechnologie tätig. Mit den RMPD® Technologien profitieren die Kunden auch durch die schnelle Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Marktbedingungen und Verbraucherwünsche. Über 300 Kunststoffe mit den unterschiedlichsten Eigenschaften stehen für mikroelektronische Packaging-Dienstleistungen und Auftragsfertigung von Mikrosystemen zur Verfügung, zu den Produkten gehören z.B. Mikrogetriebe mit selbstschmierenden Zahnrädern und Lab-on-a-Chipsysteme, die mit dem Einsatz hydrophiler Kunststoffe die Kapillarwirkung auch in 3D nutzen. Die beiden Geschäftsführer Dipl. Ing. Reiner Götzen und Andrea Reinhardt, sowie der Prokurist Dr. Ing. Helge Bohlmann stehen für eine konzernunabhängige, kundenorientierte Strategie und verfügen über langjährige Erfahrung als mittelständische Unternehmer. Dies bildet zusammen mit der internationalen Marktorientierung, dem branchenübergreifenden Technologie Know-how und den inhouse verfügbaren Produktionsanlagen die Basis für den weiteren Standortausbau im 8. Jahr des Unternehmens.

Dreidimensionales Drucken von patientenindividuellem Knochenersatz

Moderne generative Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung dreidimensionaler Modelle, Komponenten und Produkte direkt aus CAD-Daten. Speziell im Bereich der Medizintechnik bietet sich der Einsatz dieser Verfahren zur Herstellung von patientenspezifischen Hilfsmitteln und Medizinprodukten wie Hörgeräten oder Bohrschablonen für die Implantat-Setzung an.

SLM von Polylactiden zur Herstellung von resorbierbaren Implantaten

Rapid Manufacturing von individuellen Implantaten mittels Selective Laser Melting (SLM) wurde für metallische Standardwerkstoffe in der Medizintechnik (Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Stahl) realisiert. Dies sind permanente Implantate, die entweder dauerhaft im Körper verbleiben oder in einer zweiten Operation entfernt werden. Eine vom ILT mittels SLM hergestellte Hüftpfanne aus TiAl6V4 konnte bereits erfolgreich im Patienten implantiert werden. Die regenerative Therapie ist jedoch die klinisch bevorzugte Strategie. Das bedeutet, dass der Selbstheilungsprozess des menschlichen Körpers für die Heilung von großen Knochendefekten genutzt wird. Ein neuer Ansatz zur Implantatfertigung folgt dieser Strategie. Der SLM-Prozess wird für die Verarbeitung von bioresorbierbaren Werkstoffen entwickelt um individuelle Implantate zu fertigen, die im Körper abgebaut und durch körpereigenes Knochengewebe ersetzt werden. Diese Arbeit beschreibt die Qualifizierung des SLM Verfahrens für die Verarbeitung von einem Kompositmaterial aus Polylactid / β-Tricalciumphosphat (PDLLA/β-TCP).