Lasergeschnittene Herzklappen

Die minimal-invasive Therapie mit Ersatzklappen auf Basis 3D-lasergeschnittener Rahmen aus Formgedächtnismetallen ersetzt zunehmend den konventionellen Eingriff am offenen Herzen.

02. September 2019
Lasergeschnittene Herzklappen
Das Formgedächtnismetall Nitinol kann mechanisch verformt werden, um später bei einer bestimmten Temperatur wieder die Originalform einzunehmen. (Bild: STI Laser Industries)

Mit Präzision und Flexibilität erschließt die Lasermaterialbearbeitung beständig neue Einsatzfelder in der Medizintechnik. Derzeit hilft der Laser, den Eingriff am offenen Herzen bei bestimmten Therapien durch minimal-invasive Techniken zu ersetzen. Aktuell befinden sich drei Ersatzklappentypen in unterschiedlichen Stadien der medizinischen Zulassung in Europa und den USA. Bei allen handelt es sich um Hybridklappen auf Basis eines Stützrahmens aus dem Formgedächtnismetall Nitinol, der mit einem Faserlaser geschnitten wird.

Wachsender Bedarf an Ersatzklappen

Das menschliche Herz hat vier Hauptklappen, um Körper- und Lungenkreislauf aufrecht zu erhalten. In den vergangenen Jahrzehnten hat die medizinische Forschung verschiedene Ersatzklappen entwickelt, um die Lebensqualität von Patienten mit Herzklappendefekten wieder herzustellen.

Denaturierte Herzklappen von Schweinen ersetzen beispielsweise defekte Mitralklappen. Außerdem gibt es mechanische Aortenklappen oder Klappen mit Gewebe, das aus den Stammzellen des Patienten gezüchtet und mit einem synthetischen oder tierischen Stützgerüst verbunden wird. Jede dieser Varianten hat ihre spezifischen Einschränkungen.

So bergen etwa mechanische Klappen ein Thrombose-Risiko und zwingen den Patienten zur Einnahme blutverdünnender Medikamente. Klappen aus biotechnologisch gezüchtetem Material neigen dazu, mit der Zeit zu schrumpfen und durchlässig zu werden. Hinzu kommt, dass meist ein großer Eingriff am offenen Herzen nötig ist. Darüber hinaus kommen viele Patienten für einen Eingriff dieser Art gar nicht erst in Frage, da ihre Erkrankung bereits zu weit fortgeschritten ist, sie zu alt sind oder andere gesundheitliche Einschränkungen eine offene Herz-OP verhindern. Grund genug für die Entwicklung des Transkatheter-Klappenersatzes.

Laserschneiden von Nitinol-Stützgerüsten

Bei diesen Herzklappen handelt es sich um Multilayerstrukturen auf Nitinol- Stützgerüsten. STI Laser Industries ist ein Hersteller, der auf das Laserschneiden, Mikromaterialbearbeiten und Veredeln medizintechnischer Produkte spezialisiert ist und zu den bedeutendsten Herstellern dieser Herzklappenrahmen zählt. Tovy Sivan, CEO & Vorstand von STI, erläutert: »Wir setzen verschiedene Lasertypen ein, um die Vielfalt der Produkte und Materialien bearbeiten zu können. Praktisch alle Laser stammen von Coherent.«

Die Verwendung von Nitinol ist der Schlüssel für den minimal-invasiven Klappenersatz über Katheter. Nitinol, eine Legierung aus Nickel und Titan, ist ein Formgedächtnismetall. Nach der Bearbeitung wird eine Struktur aus Formgedächtnismetall thermisch behandelt, um ihre Form zu konservieren. Danach kann das Teil verdreht, gebogen oder anders mechanisch deformiert werden und wird doch immer zu seiner ursprünglichen Form zurückkehren, wenn es über seine Phasenübergangstemperatur hinaus erwärmt wird. Durch die Optimierung des Nickel-Titan-Verhältnisses und die geringe Zugabe von Additiven kann diese Phasenübergangstemperatur in einen Bereich von zehn bis 20 Grad Celsius unter der menschlichen Körpertemperatur gelegt werden.

Sivan erklärt: »Traditionelle Ersatzklappen sind schlichtweg zu groß, um über einen Katheter eingebracht zu werden. Mit einem Nitinolrahmen kann die Klappe aber mechanisch auf ein Fünftel komprimiert werden. So kann sogar eine große Klappe wie die Mitralklappe über einen Katheter durch die Femoralarterie eingebracht werden.« Nachdem die Klappe bis ins Herz geschoben wurde, extrahiert sie der Chirurg vorsichtig aus dem Transportsystem, woraufhin diese – der Körpertemperatur ausgesetzt – in ihre ursprüngliche Form zurückspringt, um sich an Ort und Stelle zu verankern.

Extrem präzise und wiederholgenau

STI fertigt Nitinolstrukturen für drei verschiedene Herzklappentypen: Aortenklappen, Mitralklappen und Shunts zum Druckausgleich zwischen rechter und linker Herzkammer. Die benötigten Durchmesser reichen von zehn bis 30 Millimeter. Die Stützstrukturen werden zunächst bei STI aus Nitinol-Rohrmaterial geschnitten. Dazu setzt das Unternehmen ein ›Star-Cut-Tube-SL‹-Rohrschneidsystem mit einem ›Star-Fiber-320-FC‹-Faserlaser von Coherent mit einer Wellenlänge von etwa einem Mikrometer ein.

Mit einer Festoptik und präzisen Rotations- und Linearachsen zur Rohrbewegung schneidet der Star Cut Tube SL 3D-Strukturen aus dem Rohrmaterial. Danach bringt STI die Stützstrukturen in die gewünschte Form und poliert sie. Sivan fasst die Vorteile des Faserlasers zusammen: »Die Anwendung verlangt hohe Präzision, Wiederholgenauigkeit und beste Oberflächenqualität. Zudem müssen wir die Bearbeitungszeiten für diese komplexen Konturschneideprozesse klein halten. Unser Faserlasersystem erfüllt all diese Anforderungen.«

Für einige dieser Klappentypen wurde bereits die europäische Zulassung erteilt, und auch in den USA werden fortgeschrittene klinische Studien durchgeführt. Sivan ist zuversichtlich, dass diese neuen Produkte bald das Ergebnis vieler Herzklappenoperationen verbessern werden.