Passgenaue Mund-Nasen-Masken aus dem 3D-Drucker

Zahnärzte haben das Problem, dass sie beim Behandeln ganz nahe am offenen Mund und der Nase der Patientinnen und Patienten arbeiten – hier lassen sich weder der Mindestabstand noch die Maskenpflicht umsetzen. Daher ist das behandelnde Personal hochgradig gefährdet und benötigt gut abdichtende Mund-Nasen-Masken. „Gerade in der Anfangszeit der Corona-Pandemie war es für uns ein großes Problem, persönliche Schutzausrüstung in ausreichender Menge zu beschaffen“, berichtet Dr. Christian Weichert von der zahnärztlichen Gemeinschaftspraxis Weichert & Kempkes in Lahnstein. Bei der Recherche zur Lösung seines Problems stieß er auf die Idee, eine Mund-Nasen-Maske im 3D-Drucker herzustellen. Damit wandte sich der Zahnarzt an Prof. Dr. Detlev Borstell, der an der Hochschule in Koblenz im Fachbereich Ingenieurwesen unter anderem das Modul Rapid Prototyping lehrt und darüber hinaus das inzwischen sehr gut ausgestattete 3D-Labor mit aufgebaut hat.

Anforderungen: dicht, gut herstellbar und komfortabel tragbar

Ebenfalls zum Team des 3D-Druck-Labors gehören die angehende Maschinenbauerin Maike Krämer sowie der Masterstudent im Wirtschaftsingenieurwesen, Maximilian Köthe. Beide hatten Zeit und Lust, eine solche Mund-Nasen-Maske zu entwickeln. Ihnen war von Anfang an klar: Im Unterschied zu genähten Stoffmasken oder herkömmlichen medizinischen Masken ist eine gedruckte Struktur nicht weich und passt sich nicht an die Gesichtsform an. Köthe führt aus: „Wir mussten verschiedene Anforderungen unter einen Hut bringen: Die Mund-Nasen-Abdeckung sollte dicht, gut herstellbar und komfortabel tragbar sein.“

In enger Abstimmung mit der Zahnarztpraxis aus Lahnstein entwickelten die beiden Studierenden eine ganze Reihe von Prototypen, die sie fortlaufend erprobten, um so das Konzept immer weiter zu optimierten. Schwerpunktmäßig arbeitete das Forschungsteam unter anderem mit der Software SolidWorks, um konstruktive Lösungen zu realisieren. So entstanden nach und nach eine integrierte Filterverklemmung mit Bajonettverschluss, Halterungen für Gummibänder und vieles mehr. Anfangs konzipierte das Forscherteam die Mund-Nasen-Abdeckung lediglich auf der Grundlage von einzelnen Gesichtsmaßen wie etwa dem Abstand von Kinn zu Nase oder dem Abstand der Wangenknochen zueinander. Vor eine große Herausforderung stellte sie allerdings die passgenaue Form der Maske auf das Gesicht des Trägers oder der Trägerin. Da die 3D-gedruckte Maske auf Polylactid-Basis die Gesichtskonturen bis zu diesem Zeitpunkt lediglich annäherungsweise nachzeichnete, schloss die Maske mit dem Gesicht nicht gut ab. Auch eine nachträglich angefügte Silikonlippe, mit der die Lücken kompensiert werden sollten, konnte keine befriedigende Abhilfe schaffen.

Den Durchbruch erzielten die Studierenden schließlich unter Zuhilfenahme eines 3D-Scanners (Artec Eva) und der Software MashMixer. Mithilfe der eingescannten Gesichtskonturen wurde es möglich, eine passgenaue Schalung zu konstruieren. Diese individualisierte Gesichts-Schale konnte dann mit dem bereits vorab im CAD-System konstruierten, bewährten Maskenteil digital verbunden werden. „So entsteht im 3D-Drucker eine Maske, die zwar auf Grund seiner Materialeigenschaften starr ist, sich aber individuell an das Gesicht der Trägerin oder des Trägers anpasst und so perfekt mit dem Gesicht abschließt“, erklärt Maximilian Köthe, „um den Tragekomfort zu erhöhen, ist es möglich, zusätzlich eine dünne Silikonschicht auf die Ränder aufzutragen.“

Nachhaltige Gesichtsmasken: desinfizieren und wiederverwenden

Um die einzelnen Prototypen zu entwickeln und umzusetzen, eignete sich das Forscherduo eine Reihe von Kenntnissen aus anderen Bereichen an. Auch lernten sie, mit Werkstoffen wie Silikon umzugehen, die so im 3D-Druck eher selten zu finden sind. So nutzten sie beispielsweise eine Tiefziehmaschine, um eine Schalung zu erstellen, mithilfe derer sie das Silikon auf die Maske aufbringen konnten. „Wir haben sehr viel gelernt, das uns persönlich und auch das 3D-Druck-Labor weiterbringt“, so Maike Krämer, „es hat uns sehr viel Spaß gemacht, immer neue Ideen zu entwickeln und zu testen, ob wir damit eine Verbesserung erzielen.“ Improvisieren mussten die beiden auch bei der Beschaffung des Filtermaterials: Weil sie wegen der weltweiten Nachfrage nach Filterstoff keine Meterware beschaffen konnten, schnitten sie aus den herkömmlichen medizinischen Masken passende kreisrunde Filter aus. Aus einer medizinischen Maske lassen sich so mehrere Filter für die Mund-Nasen-Abdeckung aus dem 3D-Drucker bereitstellen. Muss das genutzte Filtermaterial danach entsorgt werden, so kann die individuell angepasste Mund-Nasen-Abdeckung problemlos desinfiziert und wiederverwendet werden. „Mir gefällt, dass mit diesen Masken dem Gedanken der Nachhaltigkeit Rechnung getragen wird“, betont Dr. Weichert. Das Team der Zahnarztpraxis hat die ersten fertigen Mund-Nase-Abdeckungen dankbar entgegengenommen und wird diese gerne nutzen.

Auf das Konzept, die Mund-Nasen-Abdeckungen auf Grundlage eines Scans dem Träger formgenau anzupassen, kam Maximilian Köthe, nachdem er bereits im Zuge der Weihnachtsvorlesung im vergangenen Jahr an der Hochschule Koblenz einzelne Körperscans ausgeführt hatte. „Für diese Weihnachtvorlesung hatten wir aus einem Körperscan und einer 3D-gedruckten Abformung ein Schokoladenabbild des Hochschulpräsidenten gefertigt“, erzählt Prof. Borstell, „jetzt hat sich dieses spielerisch angeeignete Wissen durchaus als sehr wertvoll erwiesen!“

In das Projekt eingebunden ist ein Teil der studentischen Hilfskräfte des Rapid-Prototyping Labors, die von zu Hause aus die CAD-Modelle generieren und untereinander per Telefon oder Video-Chat kommunizieren. Die Ausdrucke werden dann im Labor an der Hochschule erstellt. Ein Teil der Drucker kann bereits über das Netz von zu Hause aus angesteuert werden, so dass die Zahl der erforderlichen Besuche im Labor minimiert werden konnte. Für diese erforderlichen Besuche haben die Studierenden eine Sondergenehmigung erhalten, damit sie das Labor trotz geschlossener Hochschule betreten können. Der betreuende Professor Dr. Detlev Borstell ist von seinen Studierenden begeistert: „Alle Beteiligten waren hoch motiviert, haben sich selbst untereinander vernetzt und haben in dieser auch für sie selbst schwierigen Zeit als ein Team zusammengearbeitet, wie ich es bisher noch nicht erlebt habe!“ Selbstverständlich werde diese Projektarbeit in die Studienleistung mit einfließen.

Voraussichtlich werden noch 14 weitere Scans angefertigt, um so das ganze Team der Zahnarztpraxis mit den 3D-gedruckten Mund-Nasen-Abdeckungen zu versorgen. Danach kann damit begonnen werden, die Masken in kleinen Serien zu produzieren und in einem ersten größeren Feldversuch in der Pilotpraxis in Lahnstein zu testen.