3D Druck

Mikro-Objektive für Mini-Endoskope

Auf dem Bild ist ein 3D-Drucker ohne Gehäuse zu sehen.

Komplexe Optiken konnten aufgrund der aufwendigen Montage bisher nicht beliebig klein werden. Der 3D-Druck macht jetzt die Herstellung von Endoskopen möglich, die nicht dicker sind als ein Haar.

Quelle: Fotolia

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben ein 3D Druck-Verfahren entwickelt, mit dem sich komplexe Linsen und Objektive mit nur etwa einem Zehntel Millimeter Durchmesser herstellen lassen. Einer der Einsatzbereiche sind flexible Mini-Endoskope für kleinste Körperöffnungen. von Philipp Grätzel von Grätz

Wenn die Hersteller medizinischer Endoskope ihre Optiken herstellen, dann schleifen und pressen sie optische Linsen, kombinieren sie zu Objektiven mit den gewünschten Eigenschaften, fixieren sie danach in Miniaturhalterungen und montieren das Ganze schließlich auf flexible Trägersysteme. Das Endprodukt ist ein Endoskop-„Schlauch“, der für die meisten medizinischen Einsatzgebiete mehrere Millimeter dick ist, bei Präzisionsendoskopen bestenfalls knapp einen Millimeter.

Komplette Endoskop-Optiken aus dem 3D Drucker

„Die große Kunst bei den Endoskopherstellern besteht darin, die Linsen bei der Montage korrekt zu justieren. Vor allem deswegen können komplexe Optiken bisher nicht beliebig klein werden“, sagt Professor Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart. In einem im Rahmen der Spitzenforschungs-Initiative der Baden-Württemberg-Stiftung geförderten Projekt haben die Stuttgarter Physiker jetzt ein neues Herstellungsverfahren für komplexe Minilinsen und Minioptiken entwickelt, das Techniken des 3D Drucks nutzt. Sie kooperieren dabei mit Kollegen des Instituts für Technische Optik der Universität Stuttgart und mit dem Karlsruher Startup-Unternehmen Nanoscribe, an dem Carl Zeiss zu 40 Prozent beteiligt ist.

Das neue Verfahren nutzt einen so genannten Femtosekunden-Laser, der durch ein Mikroskop gelenkt wird. Das Mikroskop fokussiert den Laser auf flüssigen optischen Fotolack. Dort wo zwei Photonen des Laserstrahls gleichzeitig im Brennpunkt absorbiert werden, härtet der Fotolack aus. So lassen sich in einer Art Computer-Aided-Design-Verfahren selbst hoch komplexe Optiken in praktisch beliebiger Form und Kombination in den Fotolack „brennen“. Die resultierenden Objektive haben Durchmesser in der Größenordnung von etwa einem Zehntel Millimeter und sind damit und ein Mehrfaches kleiner als konventionell hergestellte Optiken ähnlicher Komplexität.

Dass Endoskophersteller da hellhörig werden, wundert nicht. Der Trend zu minimalinvasiver Diagnostik und minimalinvasiven Eingriffen ist ungebrochen. Und je kleiner die Endoskope werden, umso besser lassen sich bisher schwer zugängliche Regionen und Organe erreichen. „Ich bin kein Mediziner, aber was uns die Ärzte sagen ist, dass sich zum Beispiel die Speichelkanäle im Mund oder die Wurzelkanäle der Zähne mit Endoskopen in dieser Größenordnung erreichen lassen. Auch eine Mittelohrdiagnostik über ein nur 100 Mikrometer großes Loch im Trommelfell oder die Endoskopie der hinteren Augenhöhle werden bei so kleinen Endoskopen denkbar“, so Giessen.

Das winzige Objektiv ist als 3D-gedrucktes Element auf einer optischen Faser aufgebracht und damit nur etwas dicker als das Haar einer Fliege.

Quelle: Universität Stuttgart

Dass Endoskophersteller da hellhörig werden, wundert nicht. Der Trend zu minimalinvasiver Diagnostik und minimalinvasiven Eingriffen ist ungebrochen. Und je kleiner die Endoskope werden, umso besser lassen sich bisher schwer zugängliche Regionen und Organe erreichen. „Ich bin kein Mediziner, aber was uns die Ärzte sagen ist, dass sich zum Beispiel die Speichelkanäle im Mund oder die Wurzelkanäle der Zähne mit Endoskopen in dieser Größenordnung erreichen lassen. Auch eine Mittelohrdiagnostik über ein nur 100 Mikrometer großes Loch im Trommelfell oder die Endoskopie der hinteren Augenhöhle werden bei so kleinen Endoskopen denkbar“, so Giessen.

Nur noch ein Tag von der Idee bis zum Objektiv

Der Clou an den 3D Druck-Optiken aus Sicht der Endoskophersteller ist, dass sich das Verfahren eben nicht nur dazu eignet, sehr kleine Einzellinsen herzustellen. Es gestattet vielmehr, komplette Endoskopoptiken quasi aus einem Guss, auf Basis eines digitalen Bauplans, zu produzieren. Mit Blick auf einen Einsatz in der Endoskopie haben die Stuttgarter in ihrer aktuellen Publikation in der Zeitschrift Nature Photonics unterschiedliche Linsenkombinationen direkt auf die Enden winziger Glasfasern aufgedruckt. Dabei haben sie mit Hilfe des Lasers nicht nur die Linsen selbst, sondern gleich auch die Linsenhalterung mit erzeugt. „Damit fällt das Montieren und Justieren der Linsen weg, und die Optiken können kleiner werden. Unser kleinstes Glasfaserendoskop hatte einen Gesamtdurchmesser von nur 125 Mikrometern“, betont Giessen.

Das Ganze geht auch noch schnell: „Der Zeitraum von der Idee über das Optikdesign zum CAD-Modell verkürzt sich auf unter einen Tag“, so Giessen. Den Beweis dafür hat er gerade wieder angetreten: Nachdem er seine Methode am Freitag bei der Nobelpreisträgertagung in Lindau vorgestellt hatte, kam einer der deutschen Laureaten auf ihn zu und bat ihn um eine Linse. Schon Anfang der Woche war sie fertig und konnte verschickt werden.

Zu den offenen Fragen gerade mit Blick auf einen medizinischen Einsatz gehört derzeit noch, wie haltbar die gedruckten Linsen sind. Das Grundmaterial sei ein Polymer ähnlich dem, wie es in konventionell hergestellten Polymerlinsen auch genutzt werde, betont Giessen: „Es ist denkbar, dass wir diese Linsen noch beschichten müssen, um sie fit für medizinische Anforderungen zu machen. Das werden wir jetzt in den Kooperationsprojekten mit Endoskopherstellern sehen.“

© Medizintechnologie.de/ga

Weitere Inhalte