3D-Druck ermöglicht der Anthropologie präziseste Modelle

Die hochmoderne Technologie eines Stratasys 3D-Druck Systems ermöglicht der Anthropologie einen besseren Einblick in die menschliche Vergangenheit und somit in die Entwicklung des Neandertaler Gehirns.

Vorteile durch 3D-Modelle im Forschungsbereich

Prof. Dr. Christoph P. E. Zollikofer und sein Team vom Anthropologischen Institut der Universität Zürich untersuchten die Größe eines Neandertaler Gehirns bei der Geburt anhand von Fossilien und erlangte so abschliessend neue Einblicke in die Entwicklung der Menschheit. So konnten sie durch die Überreste von zwei Neugeborenen von der Krim in Russland und von zwei Säuglingen aus Syrien neue Einblicke über das Gehirnwachstum des Neandertalers und somit der menschlichen Evolution gewinnen.

Computergestützter Rekonstruktion

An einem bruchstückhaft erhaltenen weiblichen Becken aus Israel wurden dann diese Erkenntnisse mit Hilfe computergestützter Rekonstruktion weiterentwickelt. Anhand einer Simulation des gescannten Bildmaterials sowie mit der digitalen Einbettung der Säuglinge in das weibliche Becken gewannen Prof. Zollikofer und Dr. Marcia Ponce de León neue Erkenntnisse über den weiblichen Neandertaler.

Mit Hilfe von 3D Modellen konnten Prof. Zollikofer und sein Team zudem mehr über die Entwicklung der Größe des Neandertaler-Gehirns in Erfahrung bringen. Das 3D-Druck System Eden250 und die PolyJet-Technologie kamen im Anthropologischen Institut der Universität Zürich zum Einsatz.

Genaueste 3D-Drucke ausschließlich mit Objet

Bereits 2005 machte sich Prof. Zollikofer an der Universität von Tokio mit dem System von Objet vertraut. Die Vorteile des 3D-Druck für die Anthropologie und die anthropologische Forschung wurden schon 2005 von Prof. Gen Suwa vom Museum der Universität Tokio durch das Objet System an Prof. Zollikofer vermittelt. „Mir war bewusst, wir müssen diese Technologie auch nutzen. Die Vorteile dieses Systems waren klar erkennbar“ so Prof. Zollikofer.

Das Team der Universität Tokio verwendete das System (mit Mikro CT Technologie) damals, um Zähne von Primaten Fossilien zu scannen und zu vergrößern. Die Veränderung und Entwicklung der Zähne sollte so klassifiziert und dargelegt werden. „Dieser einfache und direkte Einsatz hat uns überzeugt für unser Institut einen eigenen Objet zu erwerben. Trotz der Möglichkeit, andere Technologien zu nutzen, war klar, dass Objet am besten geeignet sein würde.“ so Prof. Zollikofer. „Um Fossilien detailgetreu nachbauen zu können, brauchen wir genaueste Systeme. Die Möglichkeit, in der wissenschaftlichen Forschung so hochpräzise Modelle zu erstellen, bot uns nur das Objet System.“

Zusätzlich kam dem Budget des Instituts die Bestellmenge der Filament Spulen von Objet entgegen. „Wir können die Spulen nach Bedarf bestellen. So werden keine unnötigen Ausgaben getätigt, falls kein Material gebraucht wird.“ so Prof. Zollikofer.

Gehirngröße genau bestimmen dank 3D-Drucker

So konnte er mit Hilfe des 3D-Drucks die Gehirngröße bei der Geburt genauer bestimmen. Das Säuglingsskelett aus Russland ist deshalb einzigartig, da man davon ausgehen kann, dass das Neugeborene nur eine Woche alt wurde. „Das fossile Gehirn eines Neandertaler-Säuglings galt als außergewöhnliche Entdeckung. Bis dahin hatten wir nur Kleinkind Gehirne. Über den Zustand von Gehirnen Neugeborener konnten wir nur mutmaßen. Jetzt hatten wir die Chance, die Entwicklung des Säuglings Gehirns aus dieser Zeit besser zu verstehen und konnten so unsere Erkenntnisse abgleichen.“ erklärte Prof. Zollikofer. Umfangreiche Erkenntnisse von Zahnstruktur, Schädel- und Gehirngröße im Zusammenhang mit der Entwicklung des Gehirns von Neandertalern waren so möglich. Die Aufgaben werden nie ausgehen, so bemerkenswert die Ergebnisse auch sind.

„Versuchen Sie sich vorzustellen, hunderte von Puzzleteilen müssen alle auf einer bestimmten Fläche nachgebildet werden. Wenn Sie das mit archäologischen Forschungsergebnissen und der Veränderung vieler Jahre ergänzen, bekommen Sie ein einziges großes Puzzle.“ so Prof. Zollikofer. Ganze 15 Jahre dauerten die archäologischen Grabungen in Russland, das Zusammensetzen der Schädelteile dauerte nochmals viele Jahre.

Nachdem die Fossilien mit Hilfe der Mikro CT Technologie gescannt wurden, konnten die unterschiedlichen Neandertaler Gehirne mit der von der Universität entwickelten Software „Form It“ digital rekonstruiert werden. „Die nächste Herausforderung bestand darin, das Datenpuzzle zusammenzufügen. Die Teile der CT Bilder wurden dann mit dem Objet System gedruckt. Dies war eindeutig leichter, als mit der herkömmlichen Methode.“ so Prof. Zollikofer. Im Institut wird das Drucken der einzelnen Teile für das richtige Zusammensetzen der Fossilien als „Qualitätskontrolle“ bezeichnet.

Nichtinvasive Nachbildung per 3D-Druck

Auch für die sogenannte „nichtinvasive Nachbildung“ kann man den 3D-Druck in der Anthropologie verwenden. Nach dem Fossilien Fund werden die Schätze sorgfältig verwahrt, da sie sehr fragil und unersetzlich sind. Die einzelnen Teile werden nach dem Einscannen gedruckt, um diese als Silikonformen zu verwenden.

„Dank der Scantechnologie kann eine Silikonform der fragilen fossilen Schädel gefertigt werden. Das Objet System ermöglicht eine hohe Präzision und Detailgenauigkeit und somit eine originalgetreue Kopie. Versuche, die sonst undenkbar gewesen wären, sind jetzt dank dem Objet System möglich.“ so Prof. Zollikofer.

Neue Erkenntnisse und Ergebnisse

Mit dem 3D-Druck und seiner Scantechnologie lassen sich aus dem Inneren des Knochens neue Erkenntnisse gewinnen, die sonst nicht sichtbar wären. Beschädigungen der originalen Fossilien müssen vermieden werden, um den Aufbau des Knocheninneren darzustellen. Nach dem Scan kann man die äußeren Schichten der Fossilien entfernen. Durch die 3D-Druckergebnisse war es möglich, Innenohrhöhlen und Zahnwurzeln gründlicher zu erforschen. Da die Vergrößerung des Modells vor dem Drucken möglich war, erhielt man noch mehr neue Erkenntnisse.

„Wir wollen den kompletten fossilen Fund des russischen Säuglings in das weibliche Becken aus Israel einbetten und dann in 3D drucken. Ein Experiment, was es so noch nicht gab und was dank der Hilfe von Objet weltweit ausgestellt werden soll.“

Prof. Dr. Christoph P. E. Zollikofer, Anthropologisches Institut der Universität Zürich

„Es ist von enormer Wichtigkeit, dass die interessierte Öffentlichkeit daran teilhat. Fossile Replikate mit Hilfe des Objet System können so in aller Welt bestaunt werden. Mit dem einmaligen fragilen Original wäre dies nicht möglich.“ so Prof. Zollikofer. Er und sein Team planen schon ein weiteres Projekt in der Anthropologie mit Unterstützung des 3D-Druck.