Wie die Veterinärmedizin von der additiven Fertigung profitiert
Sie gelten als der beste Freund des Menschen und nehmen einen großen Platz in unserem Herzen und manchmal auch auf unserem Sofa ein: die Rede ist von Tieren, im speziellen von Haustieren. Seit Anbeginn der Zeit entschied sich der Mensch mit dem Tier zusammen zu leben und dies hält bis heute auch an. Die beliebtesten Tierarten sind hierbei Hunde, Katzen, Fische und Vögel, wobei die Anzahl an Tieren in einem Haushalt von 2016 im Vergleich zu 2020 deutlich gestiegen ist. Waren es im Jahr 2016 noch 76,8 Millionen Hunde und 58,4 Millionen Katzen, die rund um den Globus adoptiert worden sind, stieg diese Zahl gerade einmal vier Jahre später auf 83,7 Millionen Hunde und 60 Millionen Katzen an. Diese Zunahme ist nicht zuletzt auf die damals beginnende Corona Pandemie und die damit verbundenen weltweiten Lockdowns zurückzuführen, da besonders Arbeitnehmer durch die Home-Office Regelungen mehr Zeit für ein Haustier aufbringen konnten. Allerdings sind nicht nur die Zahlen an Haustieren gestiegen, sondern durch die additive Fertigung konnten somit auch sämtliche für die Veterinärmedizin notwendige Behandlungen und Applikationen für unsere tierischen Freunde ins Leben gerufen werden.
Die additive Fertigung hat bereits in etlichen Wirtschaftszweigen für Verbesserungen von ganzen Industrien gesorgt, dies geschieht ebenso im Bereich der Veterinärmedizin. Beachtet man, dass die Veterinärmedizin einen großen und kontinuierlich wachsenden Anteil der Wirtschaft ausmacht, ist es leicht nachzuvollziehen, weshalb die additive Fertigung ihren Einsatz dort findet. Alleine in den Vereinigten Staaten von Amerika praktizieren derzeit mehr als rund 120.000 Veterinärärzte ihre Tätigkeit um Tieren mit verschiedenen Krankheitsbildern und -verläufen zu helfen. Es ist daher wenig verwunderlich, dass angesichts der steigenden Zahlen an Haustieren auch der Wert der gesamten Branche steigt: laut Bericht der Grand View Research, Inc. wird der globale Markt für tierärztliche Aktivitäten bis zum Jahr 2028 auf voraussichtlich 114,4 Milliarden USD geschätzt. Nun gibt es allerdings nicht nur Tierärzte, die sich mit Einsatz des 3D-Drucks um das Wohlbefinden unserer Tiere kümmern, sondern auch wirtschaftliche Unternehmen entwickeln fleißig neue Applikationen, sodass auch sie in der Lage sind, Tieren helfen zu können. Wo liegen nun aber die Limitationen und Möglichkeiten des 3D-Drucks in diesem Gebiet und wie sieht der typische Ablauf und Implementierung dessen aus?
Der Einsatz der additiven Fertigung findet im wachsenden Markt der Veterinärmedizin einen hilfreichen Einsatz. Hier: Design eines Unterkiefers eines Hundes (Bild: Dr. Johnny Uday)
Der Einsatz der additiven Fertigung bei Tierärzten
Kein Tierhalter ist erfreut, wenn er mit seinem tierischen Freund den Weg in die nächste Tierarzt Praxis antreten muss. Neben bösen gesundheitlichen Überraschungen gibt es aber auch oft noch weitere Schreckensbotschaften wie beispielsweise enorme Kosten, lange Wartezeiten für unter anderem Prothesen oder Orthesen oder auch auch schlichtweg die Tatsache, dass keine Individualisierung von veterinärmedizinischen Produkten für das eigene Tier möglich ist. Diese Innovationen werden durch die Materialentwicklungen auf diesem Markt ermöglicht, denn es gibt mehr und mehr Materialien, die die verschiedenen Bedürfnisse erfüllen. So ermöglichen die Materialien viele Vorteile wie reduzierte Kosten, verkürzte Wartezeiten und auch eine hohe Form der Individualisierung. Allerdings können auch die einzelnen Schritte, die ein tierischer Patient bei einem Besuch beim Tierarzt, der die additive Fertigung einsetzt, durchläuft, durch innovative Ansätze geprägt und vereinfacht werden. In der Regel finden Materialien wie PEEK, PEKK und für chirurgische Aktivitäten Dentalkunststoffe wie beispielsweise Nylon, PLA und PVA ihre Anwendung bei AM-nutzenden Tierärzten.
Konkrete Anwendungen in der Veterinärmedizin
Viele der herkömmlichen Methoden die von Tierärzten bei der Behandlung eingesetzt werden, ähneln jenen der Humanmedizin teilweise bis auf das kleinste Detail. Trotz teilweiser identischer DNA und auch anderen körperlichen Eigenschaften müssen wir uns darauf besinnen, dass manche Behandlungsmöglichkeiten so einfach nicht möglich sind. Oftmals ist der erste Schritt, bevor eine Operation oder eine Prothese angefertigt werden kann, der Scan. Da manche Tiere auf Grund ihrer Gegebenheiten nicht in einen üblichen veterinären CT-Scanner passen und auch Probleme hinsichtlich des ruhig Liegens auftreten können, ereignet sich hier bereits die ersten Herausforderungen. Zwar könnte man hier auf die Möglichkeit der Sedierung – also das Zuführen von Beruhigungsmittel zurückgreifen, um somit die Funktionen des zentralen Nervensystems zu beruhigen – allerdings ist dies auch wieder mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden. Mit dem 3D-Scanning kann man auf der einen Seite nicht nur eine schnelle Durchführung des Scannings umsetzen, was wiederum keine Sedierung erforderlich macht, wie auch eine hohe Präzision an den Tag legt. Durch die Tatsache, dass es sich hierbei um ein tragbares Gerät handelt, ist es möglich, anders als bei herkömmlichen CT-Scan-Maschinen, jegliche Art von Tieren problemlos scannen zu können – spätestens bei gefährlichen Tieren wie einem Alligator oder im Wasser lebenden Tieren hätten klassische CT-Scans bereits versagt.
Was durch den 3D-Scan möglich ist, zeigt das wohl perfekte Beispiel von Mister Stubbs dem Alligator. Im Jahr 2013 in einem Sattelschlepper gefunden, fiel sofort auf: der Alligator hatte keinen Schwanz mehr! Dabei dient der Schwanz nicht nur zur Fortbewegung und zur Steuerung im Wasser, sondern auch Fette werden in der Wurzel des Alligatorschwanzes gespeichert, was maßgeblich zum Gesundheitszustand beiträgt. Unter der Verwendung eines Artec 3D-Scanners konnte durch die Midwestern Universität in Gelandale im Bundesstaat Arizona wurde der Schwanz eines kürzlich verstorbenen Alligatoren gescannt, zwar mussten in weiterer Folge Adaptionen bezüglich der exakten Größe für Mister Stubbs vorgenommen werden, allerdings konnten alle Details des Schwanzes dank 3D-Scans aufgenommen werden und verhilf dem Team somit zu einem neuen Schwanz für Mister Stubbs.
Mittels herkömmlicher Methode wäre ein so genaues Abbild des Schwanzes wohl nicht möglich gewesen (Bild: STAX3D via Artec)
Anwendungen können dank AM individualisiert werden – auch kacke
Tierärzte und Tierkliniken können mit der Verwendung der additiven Fertigung eine Vielzahl an aktiven Vorteilen erzielen, wenn es um die Behandlung von Tieren geht. Diese Spanne reicht von der Herstellung von Prothesen, Orthesen bis hin zu Implantaten, zahnmedizinischen Teilen oder auch individuelle Modelle, die für präoperative Zwecke geeignet sind. Die Vorteile sind groß, bedenkt man doch, dass auf Grund von unterschiedlichen biologischen Gegebenheiten und Bedürfnisse verschiedener Tierarten die Menge an zu beachtender Faktoren ins unermessliche steigt. Alleine die Anatomie innerhalb einer Tierart wie beispielsweise jener von Hunden unterscheidet sich rassespezifisch schon enorm: vergleicht man einen ausgewachsenen Neufundländer mit einem Dackelhund, so ist es mehr als offensichtlich, dass die Individualisierung der Behandlungsform mehr als von Nöten ist.
Einen besonders hohen Einsatz innerhalb der Veterinärmedizin finden 3D-gedruckte Orthesen und Prothesen, die in additiv hergestellter Form bis zu fünf Jahre halten, bevor sie ausgetauscht werden müssen. Die auf dem Körper angebrachten Schienen dienen als orthopädisches Hilfsmittel, sodass Gelenke, Knochen oder sogar Muskeln entweder entlastet, stabilisiert oder richtiggestellt werden können. Auch im Fall der drei Monate alten Katze, die mit einer selten angeborenen Deformation der Brustwand geboren worden ist. Mit dieser teils tödlich endende Deformität der Katze beschäftigte sich auch Doktor der Veterinärmedizin Matteo Zanfabro, der dafür die additive Fertigung einsetzte. Das anschließend aus PETG und mit dem Ultimaker S3 3D-gedruckten Schiene konnte nicht nur individuell auf die Größe und Deformierung des Kätzchen angepasst werden, sondern auch das Wachstum des Tieres konnte hierbei berücksichtigt werden. Um für die nötige Stabilisierung zu sorgen wurde die Schiene mit chirurgischen Drähten verschlossen, wie auch mit einer Polsterung ausgestattet. Und der 3D-Druck hat sich hierbei bezahlt gemacht: nach dem Anlegen der additiv hergestellten Schiene hatte die junge Katze erlitt keine weiteren Bewegungsunverträglichkeiten mehr.
3D-gedruckte Schienen, Prothesen und Orthesen können das Leben der Tiere nicht nur vereinfachen, sondern auch retten (Bild: Matteo Zanfabro via PlayVet)
Ein Forscherteam der slovakischen technischen Universität Košice hat sich im Zuge ihrer Arbeit mit der Frage nach dem Nutzen der additiven Fertigung im Bereich der Veterinärkieferorthopädie auseinander gesetzt. Am Beispiel eines 15 Monate alten Labrador-Hundes, der beim Spielen einen für die Nahrungsaufnahme wichtigen Zahn verlor, zeigten sie auf, was mittels additiver Fertigung möglich war. Da dieser Zahn nicht mehr nachwachsen würde, allerdings auch ausschlaggebend zur Verhinderung einer Unterernährung war, musste eine personalisierte Lösung her. Man scannte den selben, noch bestehenden Zahn im Kiefer des jungen Hundes, um diesen Scan anschließend mittels 3D-Druck aus Metall als Implantat herstellen zu können. Ein Grund, weshalb man sich in diesem Fall für AM entschieden hat, ist die Tatsache, dass auf der einen Seite ein exakter Scan gemacht werden konnte und auf der anderen Seite der Druck sehr präzise sein musste, da der neu angefertigte Zahn perfekt in die bestehende Zahnlücke integriert werden musste. Nach einer Regenerationsphase war der additiv hergestellte Zahn des Labradors sogar noch härter und beständiger als seine natürlichen Zähne.
Dank des 3D-gedruckten Zahns kann der Hund wieder Nahrung aufnehmen (Bild: TU Košice)
In Anbetracht von dentalen Problemen bei Tieren gibt Tierarzt Dr. Johnny Uday, der bereits vor 5 Jahren AM implementiert hat, einen Einblick in weitere möglichen Herausforderungen: „Zahnprobleme sind so häufig und zerstören die Kiefer vieler Haustiere, was zu Frakturen mit Knochenlyse (großen Löchern) führt. Aufgrund der vielfältigen Größen von Hunden können jedoch „Standard“-Platten zu groß oder sperrig sein und mehr Schaden anrichten, als dass sie helfen. Eine gute Anwendung für diese Technologie ist daher die Entwicklung personalisierter Platten, so dass Sie eine perfekte Passform und Größe haben und sogar die Bohrlöcher so planen können, dass Zahnwurzeln, Gefäßbündel, Nerven, das Lymphsystem und andere wichtige Strukturen, die für eine normale Funktion und ordnungsgemäße Heilung wichtig sind, nicht beschädigt werden.“
Außerdem bringt die additive Fertigung innerhalb der Veterinärmedizin auch einen großen Vorteil für die Erstellung von chirurgischen und anatomischen Modellen. Hierbei helfen chirurgische Modelle Tierärzten besonders zur Erzielung von besseren chirurgischen Ergebnissen, die gleichzeitig die Operationszeit deutlich verkürzen können. Konkret handelt es sich hierbei um 3D-gedruckte Schablonen, die exakte Schnittebenen und Löcher des jeweiligen tierischen Patientens beinhalten, sodass Chirurgen bereits im Vorhinein an diesen Schablonen üben können. Dies eignet sich nicht nur für die schwierige und wenig bekannte Operationen, sondern auch für orthopädische Verletzungen wie zum Beispiel Kreuzbandrisse oder auch angeborenen Gliedmaßenproblemen. Auch die anatomischen Modelle, die sich in Akupunktur-, Organ-, Skelett- oder auch Übungsmodelle unterscheiden können, bieten eine große Hilfe für Veterinärmediziner. Diese dreidimensionalen Modelle sind aber nicht nur für Tierärzte ein Vorteil, sondern auch für Studierende und angehende Tierärzte und dient entsprechend zu Lern- und Forschungszwecken.
Wenn die additive Fertigung in der Veterinärmedizin Anwendung findet, dann profitieren meistens Hunde, Katzen, aber auch Hühner oder Kühe davon. Währenddessen ist dies komplizierter mit kleinen Tieren wie beispielsweise Chihuahuas, Fröschen oder Hamster. Grund dafür ist die winzige Anatomie, die sie aufweisen, denn dadurch ist die Herstellung von Schnittführungen wie auch Implantaten erheblich anspruchsvoller, als bei großen Tieren, erklärt uns Dr. Johnny Uday. Allerdings ist die wohl größte Herausforderung wenn es um die Implementierung von AM in den Workflow geht, die Einarbeitung in die Thematik selbst. Hier inkludiert Dr. Johnny Uday die verschiedenen Softwares, wie auch ganz besonders die für den 3D-Druck verfügbaren Biomaterialien.
Wie Unternehmen sich mit additiver Fertigung für Tiere einsetzen
Zwar gibt es bereits eine Reihe an Tierärzten, die sich die additive Fertigung zu Nutze machen, aber auch Unternehmen haben großes Potenzial an diesem Bereich gefunden. So wird die Liste an AM im veterinärmedizinischen Sektor nutzende Unternehmen immer länger: Think3DDD, PlayVet, CABIOMEDE, DiveDesign oder auch Formlabs und Artec3D, um nur einige der Unternehmen zu nennen. Der wesentliche Unterschied, der zwischen den Aktivitäten von Tierärzten und von Unternehmen im Bezug auf AM in diesem Fall besteht, ist in erster Linie der ausbildungstechnische Hintergrund. Während Personen in erster Linie über einen Ingenieurabschluss verfügen, halten Tierärzte – wie sollte es anders sein – einen Abschluss in Veterinärmedizin. Außerdem unterscheiden sich die Hintergründe dessen: während Unternehmen diese Produkte herstellen und verkaufen und somit einen Markt für sich erschlossen haben, um ihre Service- und Produktleistung anzubieten. Im Gegensatz hierzu ziehen Tierärzte AM heran, um effizienter arbeiten zu können, ihren Workflow zu verbessern wie auch AM als Teil eines Ganzen zu nutzen. Die unterschiedlichen Ausbildungswege sind aber keineswegs ein Grund für verschiedene Ziele und zwar: Tieren mit additiver Fertigung das Leben zu retten oder auch zu vereinfachen.
Das in Berlin ansässige Unternehmen Think3DDD, gegründet von Tino Jacobi, erklärt, dass es sich bei der Zusammenarbeit auf Grund der hohen Individualisierung um eine enge Kooperation handelt: „Daher kooperieren wir sehr eng mit den behandelnden Tierärzten. Wir fertigen also mit Angaben der Tierärzte eine geeignete Orthese bzw. Prothese und der Tierarzt begleitet die Behandlung.“ Nichtsdestotrotz gibt es laut Alexander Then, Inhaber von NordicVet3D, immer noch eine Vielzahl an Tierärzten, die sich von dem Einsatz der additiven Fertigung distanzieren. „Ich kann keinen anderen Grund als den wirtschaftlichen sehen, warum diese nicht eingesetzt werden sollten“, erklärt er und geht auf die Vorteile dabei ein: „Wir können zum Beispiel überprüfen, ob die Schrauben und Platten, die wir verwenden wollen, in jedem einzelnen Fall am besten geeignet sind. Dadurch wird das Risiko eines Misserfolgs oder der Notwendigkeit einer erneuten Operation, die mit einer erhöhten Mortalität und Morbidität einhergeht, minimiert. Außerdem verkürzt es nachweislich die Operationszeit und damit die tatsächlichen Kosten des Eingriffs.“
Bei Think3DDD erfolgt erst der Scan via Smartphone, anschließend wird die Datei hergestellt und schließlich in 3D gedruckt (Bild: Think3DDD)
Limitationen der additiven Fertigung im Bereich der Veterinärmedizin
Widmen wir uns mit weiteren Herausforderungen von AM im Bereich der Tiermedizin, so macht Matteo Zanfabro von PlayVet darauf aufmerksam, dass die veterinärmedizinische Arbeit mit so vielen unterschiedlichen Materialien stets eine Herausforderung selbst ist. Wichtig ist zu bedenken, dass je nach Anwendung das Material über Eigenschaften angefangen von sehr hartem Kunststoff bis hin zu kaubaren Materialien enthalten muss. Besonders, da es immer gilt den bestmöglichen Kompromiss zwischen Qualität und Produktionszeit zu finden. Auch die Tatsache, dass „die Herstellerangaben für den 3D-Druck nicht mit dem tatsächlichen Ergebnis übereinstimmen“ führt Matteo Zanfabro als Problematik an, denn deswegen sei man angehalten „jedes Material und jeden Hersteller auszuprobieren, zu testen und zu prüfen, um sicher zu sein, dass das Material für unser Produkt und unseren Prozess geeignet ist.“ Dieser Vorgang kann nicht nur zu einem zeitlichen, sondern auch zu einem kostspieligen Aufwand führen, wobei diese Art der Qualitätsprüfung bis zu mehrere Wochen dauern kann.
Was können wir nun zusammenfassend von der Nutzung der additiven Fertigung im Bereich der Veterinärmedizin festhalten? Dank der additiven Fertigung konnten bereits etliche Tierleben gerettet werden und die Liste dessen wird immer länger! Zwar gibt es sowohl für Unternehmen wie auch Veterinärmediziner einfacher, wie auch schwieriger zu lösende Fälle, nichtsdestotrotz stellen jegliche Herausforderungen auch neue Möglichkeiten für die Verwendung von AM innerhalb der Veterinärmedizin dar.
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*Titelbildnachweis: Allianz
