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3D-gedruckte Implantate: Diese Anwendungen sollten Sie kennen

Auf 1. Oktober 2021 von Ann-Kathrin L. veröffentlicht
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In diesem Ranking stellen wir Ihnen 3D-gedruckte Implantate vor, also jene Elemente, die in einen menschlichen Organismus implantiert werden, um ein Organ zu ersetzen, eine Krankheit zu behandeln oder Knochenteile zu ersetzen, und zwar langfristig. Die additive Fertigung stellt dabei noch eine junge Methode zur Entwicklung der Teil dar. Aber: 3D-gedruckte Implantate sind oft besser an den Patienten angepasst und halten über längere Zeit. Die meisten Implantate werden heute aus Titan hergestellt, einem Metall, das von Medizintechnikern und Ärzten wegen seiner Biokompatibilität geschätzt wird. Der Körper akzeptiert das Material in der Regel auch gut, was eine Schlüsselkomponente für eine erfolgreiche Implantation darstellt. Wir haben einige Beispiele für 3D-gedruckte Implantate zusammengestellt, welche tatsächlich in einen Körper eingesetzt wurden. Natürlich ist diese Liste nicht vollständig, soll Ihnen aber einen Überblick über die Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks für diesen Bereich geben.

Erstes Schlüsselbeinimplantat auf PEEK gedruckt

Im Februar 2019 berichteten wir über einen großen Durchbruch in der Medizin: Der 3D-Drucker-Hersteller IEMAI 3D und das Universitätskrankenhaus Kunming haben erfolgreich ein 3D-gedrucktes Schlüsselbeinimplantat aus PEEK, einem Hochleistungspolymer, der sehr stabil und biokompatibel ist, implantiert. Der Patient, der das 3D-gedruckte Implantat erhielt, war an Krebs erkrankt und musste sich einer Chemotherapie unterziehen, weshalb er kein Metallimplantat erhalten konnte. Bei dem Implantat handelte sich um eine Sonderanfertigung: Dank der additiven Fertigung gelang es, die Anforderungen des Patienten viel schneller und einfacher zu erfüllen. Es scheint, dass PEEK vom Körper des Patienten sehr gut angenommen wurde. Das Implantat wurde auf der MAGIC-HT-M-Maschine von IEMAI 3D gedruckt.

Bild: IEMAI 3D

NEXXT MATRIXX – Wirbelsäulenimplantat

Das US-amerikanische Unternehmen Nexxt Spine spezialisiert sich schon seit einigen Jahren auf die Herstellung von Implantaten für Wirbelsäulenerkrankungen. Mit Nexxt Matrixx ist dem Unternehmen eine weitere Innovation gelungen: die 3D-gedruckten Implantate aus Titan soll die Osteogenese unterstützen, die Oberflächentopographie verbessern und die Produktion von angiogenen Faktoren fördern. Die Namensgebung scheint zuletzt auch vom 75 % porösen Gitter des Implantats inspiriert zu sein, das die Osteointegration und die röntgenologische Visualisierung fördert. Das Unternehmen setzt Geräte von GE Additive in der Herstellung seiner Implantate ein und setzt damit auf das DMLM Verfahren zur Fertigung seiner Titanteile. Andy Elsbury, der Gründer von Nexxt Spine gibt an, dass  Patienten und Kliniken insbesondere von der Festigkeit und Biokompatibilität der Titanimplantate profitieren. 

Auf dem Weg zu 3D-gedruckten Herzklappen

Zu den Implantaten zählen heutzutage nicht nur Knochen, auch wenn diese leichter herzustellen sind und daher häufiger auf dem Markt zu finden sind. In letzter Zeit finden sich auch immer mehr Beispiele für Implantate, die ursprünglich aus organischem Gewebe hergestellt wurden. Ein Beispiel dafür stellt die bioinspirierte Herzklappenprothese dar, die mit Silikon-AM hergestellt wurde. Diese künstlichen 3D-gedruckten Herzklappen wurden in Zusammenarbeit eines Forscherteams der ETH Zürich und dem südafrikanischen Unternehmen Strait Access Technologies entwickelt, um Herzklappen für die alternde Bevölkerung bereitzustellen. Die Forscher haben sich dafür entschieden, die Klappen aus Silikon herzustellen, da dieses Material mit dem menschlichen Körper kompatibel ist. Außerdem können sie durch die Verwendung des 3D-Drucks eine Klappe herstellen, die perfekt auf den Patienten abgestimmt ist. Obwohl die ersten Ergebnisse vielversprechend waren, wird es nach Schätzungen der Forscher noch 10 Jahre dauern, bis diese 3D-gedruckten Herzklappen tatsächlich auf dem Markt erhältlich sein werden.

3D-gedruckte Netzhaut aus Kohlenstoff

Eine weitere Anwendung des 3D-Drucks für Implantate sind Netzhäute. Im folgenden Fall hat ein australischer Ingenieur eine 3D-gedruckte künstliche Netzhaut aus Kohlenstoff entwickelt, die Menschen wieder zum Sehen verhelfen soll. Dr. Matthew Griffith von der Universität Sydney gelang ein Durchbruch, als er erkannte, dass ein Körper im Grunde wie ein Computer nur ein Halbleiter auf Kohlenstoffbasis ist. Mit diesem Wissen konnte er ein Auge nachbilden, indem er ein kohlenstoffbasiertes (und damit vollständig biokompatibles) Gerät schuf, das Licht absorbiert und dann elektronische Ladung erzeugt, genau wie ein Auge. Dank der kostengünstigen Herstellung im 3D-Druck war es ihm außerdem möglich, diese künstliche Netzhaut selbst zu entwerfen. Obwohl das Gerät noch nicht fertiggestellt ist und erst in drei bis fünf Jahren in klinische Studien erprobt wird, hofft Griffith, dass es dies Patienten verhilft wieder Farben zu sehen.

 

Neue Methode zur Herstellung von Knieprothesen

Statistiken zufolge unterziehen sich jedes Jahr fast 1 Million Menschen einer Knie- und Hüftoperation, was sie zu einer der am häufigsten durchgeführten Operationen macht. Dennoch versagen viele der Eingriffe. Erstaunlicherweise hat sich die Technologie für die Gelenkrekonstruktion in den letzten 50 Jahren nicht wesentlich verändert. Das amerikanische Unternehmen Monogram Orthopedics hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, dies zu ändern und entwickelt derzeit eine Produktlösung, die 3D-Druck und Robotik kombiniert, um die massenhafte Personalisierung von orthopädischen Implantaten zu ermöglichen. Diese Implantate sind nach Angaben des Unternehmens so konzipiert, dass sie einen maximalen Kortikaliskontakt und eine maximale Stabilität aufweisen und der ursprünglichen Anatomie des Patienten so nahe wie möglich kommen (dank eines CT-Scans, der eine 3D-Darstellung der ursprünglichen Knochenstruktur ermöglicht, und des 3D-Drucks unter Verwendung einer Titanlegierung). Daraus folgt, dass die Implantate weniger schmerzhaft sind und weniger wahrscheinlich versagen. Obwohl das Produkt noch nicht vermarktet wird, hat das Unternehmen bereits eine Reihe von Erfolgen erzielt und konnte beispielsweise ein Investment von 16,7 Mio. USD erwirtschaften und die erste Knie-Totalendoprothese (TKA) im März 2021 vorstellen.

Brustbeinimplantat aus Titan

Dank additiver Fertigungstechnologien, konnte einem krebskranken Mann aus Australien geholfen werden: Aufgrund seiner Erkrankung, mussten dem Australier Teile des Brustbeins und des umliegenden Gewebes entfernt werden. Diese Art der Operation gleicht also fast schon einer Amputation, weshalb die entfernten Teile ersetzt werden mussten.  Mit einem 3D-gedruckten Titanimplantat für das Brustbein des Mannes, fanden die Ärzte eine innovative Lösung. Der Arzt des Royal North Shore Hospitals, der hauptsächlich an der Entwicklung dieses Implantats beteiligt war, war Dr. Michel Harden. Er hatte über verschiedene Fälle gelesen,  bei denen die additive Fertigung sehr hilfreich zur Behandlung des Patienten war. Also kontaktierte er verschiedene Unternehmen um Optionen für die Behandlung seines eigenen Patienten zu finden. Schlussendlich fand er das Unternehmen Anatomics aus Melbourne einem Spezialisten in diesem Feld.

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Bildnachweis: 7News Australia; Anatomics.

Mittelohrimplantat lässt Mann wieder hören

Hammer, Amboss und Steigbügel sind drei Knochen unseres Ohres und gleichzeitig die kleinsten im menschlichen Körper, weil sie nach der Geburt nicht mehr wachsen. Ihre Form, Größe und Position ist daher ausschlaggebend für das reibungslose Funktionieren des Ohrs. Manchmal brechen diese Knochen jedoch und müssen ersetzt werden. Ein Beispiel kommt aus Südafrika, wo einem Patienten nach einem Autounfall 3D-gedruckte Titanknöchelchen implantiert wurden. Nach einem 3D-Scan seines Mittelohrs konnte das Chirurgenteam, das die Operation durchführte, ein maßgeschneidertes Implantat modellieren, das dann mit einer Laserfusionsmaschine auf einem Pulverbett gedruckt wurde. Das Titan wurde in diesem Fall wegen seiner Biokompatibilität und Festigkeit gewählt.

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Gehörknöchelchen gehören zu den kleinsten Knochen im menschlichen Körper. Auf dem Bild zu sehen ist ein echtes Gehörknöchelchen und nicht das Implantat.

Brustkorb von Renishaw

Der 71-jährige Peter Maggs aus Wales musste sich wegen einer Krebserkrankung in der Brust einer achtstündigen Operation unterziehen, um den Tumor zu entfernen. Bei der Operation wurden drei Rippen und ein Teil des Brustbeins entfernt, so dass die Ärzte nach einer Möglichkeit suchten, die fehlenden Teile zu ersetzen. Um ein hochwertiges, biokompatibles Modell des Brustkorbs zu erstellen, wurde der Metall 3D-Druck eingesetzt, genauer gesagt Maschinen von Renishaw. Die Herz-Thorax-Chirurgin Ira Goldsmith erklärt dazu, dass einer der Hauptvorteile einer 3D-gedruckten Prothese darin besteht, dass sie vollständig individuell und auf den Patienten zugeschnitten werden kann. Und das hat sich bewährt, denn es bot Maggs schnell und effizient Hilfe.

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Kieferimplantat nach Tumorentfernung

Anelia Myburgh, eine Australierin aus Melbourne, konnte dank additiver Fertigungstechnologien ihre Lebensqualität verbessern. Aufgrund eines bösartigen Tumors, der sich in ihrem Kiefer und ihren Zähnen befand, waren die Ärzte gezwungen, diesen zu entfernen, was zu einer Entstellung des Gesichts der Frau führte, da sie mehr als 80 % ihres Kiefers verlor. De Myburghs Fall veranlasste den Kieferchirurgen George Dimitroulis, die Möglichkeiten der additiven Fertigung für die Erstellung individueller Modelle zu erkunden. Er entwickelte ein Kieferimplantat mit einem Titanrahmen, in den Knochentransplantate eingesetzt werden können. Nach einer mehr als fünfstündigen Operation und einer mehrmonatigen Genesungszeit können wir sagen, dass die Operation ein Erfolg war und die Fortschritte in dieser Technologie Anelia ihre Sicherheit und ihr Vertrauen in ihr Leben zurückgegeben haben.

Erstes 3D gedrucktes Rippen-Implantat mit flexiblem Polyamid

Im Jahr 2018 kam Ivaylo Josifov in Bulgarien mit einer Mandelentzündung ins Krankenhaus und verließ es mit einer neuen 3D-gedruckten Rippe. Eine Premiere für das Land. Die Ärzte entdeckten eine Verformung seiner Rippen, die auf seine Lunge drückte, was zu einer sofortigen Operation führte. Um ihn zu behandeln, beschlossen die Ärzte in Zusammenarbeit mit dem polnischen 3D-Druckerhersteller 3DGence, die additive Fertigung einzusetzen. Dazu fertigten sie zunächst einen 3D-Scan des Knochens des Patienten an und druckten ihn anschließend aus flexiblem Polyamid aus. Dank der Operation und der Zusammenarbeit zwischen den 3D-Druckern und den Ärzten geht es Ivaylo Josifov heute gut.

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Bildnachweis: 3DGence

3D-gedruckte Knorpelimplantate zur Bekämpfung von Arthrose und Gelenkschmerzen

Bei Menschen und Hunden schützt eine winzige Knorpelschicht die Gelenkflächen und sorgt dafür, dass die Knochen gut aufeinander gleiten. Leider baut sich dieser Knorpel mit der Zeit ab, was zu Arthrose und damit zu Gelenkschmerzen führt. Um dem entgegenzuwirken, haben Forscher der North Carolina State University ein textilbasiertes Implantat entwickelt, das Knorpel aus patienteneigenen Stammzellen enthält. Diese Art von Implantat, das teilweise in 3D gedruckt wird, konnte erfolgreich an einer Gruppe von Hunden mit Hüftproblemen getestet werden. Die Gruppe wurde in zwei Teile geteilt, von denen ein Teil das Implantat erhielt und der andere nicht. Wie zu erwarten war, erlangten die Hunde, die das Implantat erhielten, 4 Monate nach der Operation ihre volle Funktionsfähigkeit zurück.

Bild: Deposiphoto

Verbesserte Implantierung von Augenimplantaten

Die Augenhöhle ist ein knöcherner Hohlraum, der sich von Mensch zu Mensch unterscheidet und in welchem das Auge eingebettet ist. Chirurgische Eingriffe im Bereich der Augenhöhle sind daher komplex und oft zeitaufwändig, insbesondere wenn es um Implantate geht: Die Ärzte müssen sicherstellen, dass das Implantat richtig positioniert und eingesetzt werden kann. Im Industriezentrum der Polytechnischen Universität Hongkong hat ein Team 3D-Modelle gedruckt, um diese Arbeiten zu erleichtern. Das Team erstellt anhand der CT-Aufnahmen und Röntgenbilder des Patienten ein CAD-Modell. Anschließend drucken sie auf einer Stratasys-Maschine den oberen und unteren Teil einer Form mit einem biokompatiblen Thermoplast und pressen dann eine Titanplatte in die Form, um die Form des Implantats zu schaffen. Es handelt sich nicht um ein 3D-gedrucktes Implantat an sich, aber wir wollten diese Anwendung vorstellen, die die Operationszeiten erheblich verkürzt.

(Links: Gussform, mit der die Form des Implantats erstellt wird; Rechts: ein Modell der Augenhöhle, das den Chirurgen bei ihren Operationen helfen soll/credit: Stratasys)

Ein 3D-gedrucktes Schädelimplantat

Tiffany Cullern ist eine junge Frau aus Großbritannien, die im Alter von 20 Jahren das Schicksal eines Hirntumors ereilte. Es handelte sich dabei um ein Psammomatös Juvenile Ossifying Fibroma, einem gutartigen Tumor, der jedoch schnell entfernt werden musste, damit das Gehirn der jungen Frau keine Schäden davonträgt. Also haben sich die Ärzte dazu entschieden Tiffany einer 6 Stunden Operation zu unterziehen und den Tumor zu entfernen. Obwohl die Operation ansich gut verlief, reagierte das Mädchen zwei Tage später nicht: ihr Gehirn war geschwollen. Um den Druck zu verringern, mussten die Ärzte deshalb einen Teil des Schädels entfernen und die Britin die ersten drei Wochen nach der OP mit 12,7 cm weniger Schädel leben. Dann wurde ihr ein 3D-gedrucktes Implantat implantiert, das aus Titan, Kunststoff und Kalzium gefertigt wurde und seither den fehlenden Teil des Schädels ersetzt.

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Mund-, Kiefer- und Gesichtsimplantate von AB Dental

AB Dental nutzt das Selektive Lasersintern (SLS) zur Herstellung maßgeschneiderter Implantatsysteme und hat die Technologie und die Anwendung im Mund-, Kiefer- und Gesichtsbereich innoviert. Das System des Unternehmens ermöglicht es Ärzten, Zahn- und Gesichtsrestaurationen mit größerer Präzision zu planen als mit herkömmlichen Methoden. Das Unternehmen bietet verschiedene restaurative 3D-gedruckte Implantate für Patienten an, darunter Sinusdach-Augmentationen, Orbitaknochen-Reparatur und ein subperiostales Implantat für resorbierte Kiefer.

„We Print Bone“

Mit dem markenrechtlich geschützten Motto „We Print Bone“ wurde Particle3D 2014 von zwei Medizintechnikstudenten und einem Professor mit dem Ziel gegründet, eine neue Lösung für den Ersatz von zerstörten oder chirurgisch entfernten Knochen zu entwickeln. Heute entwickelt Particle3D patientenspezifische Knochenimplantate auf der Grundlage eines CT/MRT-Scans des Patienten weiter. Das Ergebnis sind 3D-gedruckte Implantate, die eine einzigartige knochenähnliche Architektur mit Mikro- und Makroporen aufweisen – genau wie echte Knochen.

 

NanoHive Medical verbessert Wirbelsäulenimplantate

NanoHive Medical ist ein Pionier auf dem Gebiet der 3D-gedruckten Implantate für die Wirbelsäulenzwischenkörper. Mithilfe der firmeneigenen biomimetischen Soft-Titan-Gittertechnologie bietet das Unternehmen Chirurgen und deren Patienten verbesserte biomechanische Elastizitätseigenschaften, eine präzise diagnostische Bildgebung und die Integration von Osteoblastenzellen. Das führt zu dem Ergebnis, dass der Patient weniger Steifheit oder Unbehagen verspürt und das Implantat im Vergleich zu bestehenden PEEK-Implantaten stabiler ist.

 

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