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3D-Druck in der Medizin

Auf 17. Juli 2018 von Kathrin J. veröffentlicht
3D-Druck in der Medizin

Additive Fertigung ist ohne Zweifel eine Revolution der Produktionsmethoden, die bislang jedoch noch im harten Konkurrenzkampf mit den herkömmlichen Methoden steht, aufgrund der als zu langsam erachteten Geschwindigkeit der Prozesse. Dies trifft insbesondere den 3D-Druck großer Produktionsserien. Dies kann zum Teil sehr lange dauern und daher ist die 3D-Technologie diesbezüglich nicht die bevorzugte Methode. Im medizinischen Bereich stellt das jedoch keine große Herausforderung dar, da hierbei für den jeweiligen Patienten speziell zugeschnittene Lösungen erstellt werden und man von Unikaten sprechen kann. So ermöglicht der 3D-Druck in der Medizin die Entwicklung von kundenspezifischen Geräten, die den Anforderungen des einzelnen Patienten auch wirklich gerecht werden.

Die US-Firma Allied Market Research hat den Markt für medizinischen 3D-Druck auf 2,3 Milliarden bis zum Jahr 2020 bewertet. Dieses Wachstum lässt sich durch die Möglichkeiten in Bezug auf personalisiertes Angebot durch additive Fertigung erklären. Darunter fällt besonders die Herstellung von Prothesen, Implantaten und auch die Nutzung des 3D-Drucks bspw. in Form von Modellen, um eine bessere Vorbereitung für die Chirurgie auf die Behandlung schaffen zu können.

3D-Druck in der Medizin

Additive Fertigung zur Konstruktion von Implantaten und Prothesen

Ein Implantat soll ein Organ über einen langen Zeitraum ersetzen oder eine oder mehrere seiner Funktionen übernehmen. Es ist daher, per Definition, vollständig an den Patienten und seine Anatomie angepasst. Die Anpassung ist zeitaufwändig und teuer, wenn traditionelle Herstellungsverfahren verwendet werden. Hier kommt die additive Fertigung zum Tragen und hilft bei der Entwicklung individueller Implantate oder auch Prothesen. Mehrere Unternehmen und bedeutenden Akteure in diesem Sektor verwenden nun die 3D-Technologie zur Herstellung personalisierter medizinischer Geräte.

So hat das französische Startup AnatomikModeling die erste Tracheobronchialprothese mit der 3D-Technologie entwickelt. Geschäftsführer Benjamin Moreno erklärte: „Der Einsatz des 3D-Drucks hat mehrere Vorteile: Man kann direkt vom 3D-Digitalmodell zum 3D-Körperanatomiemodell gehen und dabei eine höchste Präzision beibehalten. Der Zeitgewinn bei reduzierten Kosten ist wichtig. Dies erlaubt es, das Zeitalter der Personalisierung von medizinischen Geräten zu betreten. Es ist auch möglich, anatomische 3D-Modelle mit sehr komplexen geometrischen Formen zu erstellen, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken nur schwer zu fertigen sind. „

3D-Druck in der Medizin

(© AnatomikModeling)

Durch den Einsatz der additiven Fertigung können Hersteller von Prothesen und Implantaten leichter maßgeschneiderte, komplexe und kostengünstige Lösungen anbieten. Auch das deutsche Unternehmen Mecuris hat sich deswegen auf die 3D-Technologie spezialisiert und bietet individuell 3D-gedruckte Prothesen und Orthesen auf ihrem Versorgungsportal für ihre Kunden an.

Was die Haltbarkeit der hergestellten medizinischen Geräte anbelangt, so kann man, selbst wenn es sich um wenige Beispiele handelt, dennoch die 3D-gedruckten Hüftgelenkspfannen aus Titan erwähnen, die auch lange Zeit nach dem Einsetzen noch effektiv sind. Ein Wechsel des Implantats ist nach einem Jahrzehnt ratsam und bis dahin erleichtert es das tägliche Leben der Patienten.

Schließlich hat der 3D-Druck es auch ermöglicht, den Herstellungsprozess von Gehör- und Zahnprothesen zu automatisieren. Laut dem Hersteller EnvisionTEC hat sich die Anzahl der Schritte zur Herstellung von Hörgeräten von 9 auf nur noch 3 verringert. Er erklärt, dass der Audiologe zuerst mit einem 3D-Scanner das Ohr des Patienten scannt, um einen exakten Eindruck des Gehörgangs zu erhalten. Mit diesen 100-150.000 Referenzpunkten wird die Analyse an einen Modellierer gesendet, der ein Modell modelliert. Sobald es fertig ist, wird es aus Harz gedruckt und mit dem notwendigen Zubehör ausgestattet. Der Hersteller sagt, er könne 65 Prothesen pro Stunde drucken.

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Ein 3D-gedrucktes Hörgerät.

Additive Fertigung im Dienst des chirurgischen Trainings

Medizinische Fehler sind die dritthäufigste Todesursache in den Vereinigten Staaten, eine alarmierende Zahl, die dank 3D-Technologien nach unten korrigiert werden konnte. Da so immer mehr medizinische Geräte personalisiert werden können, sind sie eine ideale Lösung, um chirurgische Modelle auf den Patienten angepasst zu erstellen, die es so Chirurgen ermöglichen, vor der Operation zu trainieren und sich auf die Operation intensiv vorzubereiten. Einige Beispiel dafür gibt es bereits, wie der kleine Dexter, dem ein 3D-Modell des Abdomens zur lebensrettenden OP verhalf. Diese 3D-gedruckten Modelle können dem Patienten auch vor seiner Operation präsentiert werden, so dass er alle Arbeitsschritte und Einsätze visualisiert sehen und besser verstehen kann.

Thomas Marchand, der CEO von BIOMODEX, erklärt, dass der 3D-Druck „eine echte Alternative zu chirurgischen Trainingslösungen bietet, die heute nicht mehr zufriedenstellend sind (Training an Patienten, anatomischen Teilen von Kadavern oder Tieren). Dies wirft ethische und logistische Probleme auf). Über eine Web-Plattform kann der Arzt medizinische Bilder seines Patienten aus Scannern, MRT oder Ultraschall hochladen. Ein paar Tage später erhält er in seinem Krankenhaus das synthetische Organ BIOMODEX, auf dem er trainieren kann, den richtigen Zugang, die richtige operative Strategie und die richtige Prothese, die an seinen Patienten angepasst ist (Größe und Positionierung).“ 3D kann der Realität so besonders nahe kommen, was die Genauigkeit und Effizienz chirurgischer Eingriffe erhöht.

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(© Hebei University)

Die additive Fertigung könnte daher helfen, die Anzahl der medizinischen Fehler zu reduzieren, indem die Ausbildung der Chirurgen verbessert wird. Dies würde nicht mehr an Tieren oder Leichen geschehen, was derzeit einige logistische, aber vor allem ethische Probleme aufwirft. Dr. Ahmed Ghazi, Assistenzprofessor in der Abteilung für Urologie an der Universität von Rochester, fasst zusammen: „Chirurgen sind wie Piloten. Ein jeder Pilot muss den Schritt machen, eine Boeing 747 zum ersten Mal alleine zu starten. Für einen Chirurgen ist die Durchführung einer Operation von A nach Z in perfekter Autonomie ebenfalls ein Muss. Die Piloten bereiten sich mit Flugsimulatoren darauf vor, aber die Chirurgen hatten bisher kein gültiges Simulationssystem. „

Biodruck, um Gewebe und Organe zu schaffen

Biodruck, auch Bioprinting gennannt, ist eine Technologie, die in den letzten Jahren stark gewachsen ist. Es ist eine Methode, die es ermöglicht, zelluläre Strukturen durch einen spezifischen 3D-Drucker zu erzeugen, der die Möglichkeit der Organbildung bietet. Obwohl sie auf lange Sicht noch nicht funktionieren, müssen wir jedoch die Fortschritte hervorheben. Das amerikanische Unternehmen Organovo zum Beispiel ist einer der Marktführer auf diesem Gebiet. Sie entwickelten Knochengewebe und transplantierten Lebergewebe durch Bioprinting. Aspect Biosystems hat einen Bio-Drucker namens RXI produziert, der in der Lage ist, physiologisch komplexes menschliches Gewebe zu erzeugen.

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Der Biodrucker von Aspect Biosystems.

Biodruck bietet auch die Möglichkeit, Haut zu erschaffen, um schwere Verletzungen zu behandeln und Patienten bei der Genesung zu helfen. Marc Jeschke, ein Schönheitschirurg, erklärte uns: „Wenn man aus den Zellen eines Patienten synthetische Haut herstellen kann, ändert sich die Situation völlig, weil man schneller operieren kann.“ Das erinnert auch an die Fortschritte der Forscher in Südkorea, die zwei Druckverfahren, Extrusion und Inkjet kombiniert haben, so dass sie Kollagen-basierte Haut mit einer Polycaprolacton-Membran erstellen können. Selbst wenn die Entwicklungen noch in den Kinderschuhen stecken, könnte der Bio-Druck der Haut den chirurgischen Sektor, aber auch den Bereich der Kosmetik, wo mehrere Produkte direkt auf der 3D-gedruckten Haut getestet werden könnten, tiefgeifend revolutionieren.

3D-Druck von Medikamenten

Es ist möglich, dass man in zehn Jahren Medikamente einfach drucken kann. Die Technologie ist da, aber das Problem ist der gesetzliche Rahmen. Die pharmazeutische Industrie ist stark reguliert und viele Anforderungen müssen für den Markteintritt erfüllt sein. Die Firma FabRx scheint jedoch von den Möglichkeiten des 3D-Drucks auf diesem Markt überzeugt zu sein, denn sie produzieren 3D-gedruckte Medikamente. Entwicklungsdirektor Dr. Alvaro Goyanes erklärte uns, dass „die Tatsache, Tabletten oder medizinische Geräte durch einfaches Ändern einer 3D-Datei zu erstellen, viele Möglichkeiten bietet. Am einfachsten ist es, die Größe oder die Zusammensetzung (d.h. den prozentualen Anteil des Materials innerhalb des Objekts) ändern zu können und somit die Masse der Tablette und damit die Dosis des Arzneimittels zu verändern.“

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Die Medikamente von FabRx

Es wäre daher möglich, die Dosis jedes Medikaments entsprechend dem Patienten viel einfacher und schneller einzustellen. Ein besonders interessanter Fortschritt könnte dies in der Pädiatrie mit sich bringen zumindest nach Alvaro Goyanes, denn dort haben Alter und Gewicht des Kindes einen großen Einfluss auf die Art der Verabreichung des Medikaments. Der Arzt fügt hinzu: „Es können dadurch zwei oder mehr Medikamente in einer Tablette kombiniert werden, um die Anzahl der Tabletten zu reduzieren, die eine Person einnehmen muss, was bei älteren Patienten wichtig ist.“

In Bezug auf die verwendete Drucktechnologie scheint FabRx Sinterpulver zu verwenden, in dem das Medikament enthalten ist. Alvaro sagt: „Abhängig von den Materialien, die wir auswählen, können wir eine sehr schnelle und gezielte Freisetzung des Medikaments in bestimmten Bereichen des Magen-Darm-Trakts erreichen.“

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Dr. Alvaro Goyanes

FabRx will einige Krankenhäuser innerhalb von 2 Jahren mit 3D-Druckern ausstatten. Eine der größten Herausforderungen werden die Regularien sein. Der Medikamentenhersteller sagt, er kenne die Schritte des Validierungsprozesses noch nicht. Wenn der 3D-Druck des Arzneimittels als Herstellungsschritt betrachtet wird, unterliegt es einer viel höheren Kontrolle und Regulierung. Wenn es sich dagegen um einen kompositorischen Schritt handelt, wird die Verordnung weniger streng sein.

Die additive Fertigung wird daher für verschiedene medizinische Anwendungen eingesetzt, sei es für die Entwicklung von Medikamenten, medizinischen Hilfsmitteln oder die Schaffung von Geweben. In den nächsten 10 Jahren wird sich der medizinische Bereich dank der rasanten Entwicklung von Technologien weiterentwickelt haben und wir werden vielleicht bis dahin die ersten funktionellen Organe gefertigt mit dem Biodrucker bestaunen können.

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