Einführung in den medizinischen 3D-Druck und 3D-Drucker für das Gesundheitswesen

Personalisierte Präzisionsmedizin ist auf dem Vormarsch. Fortschrittliche Technologien und neue Werkzeuge bringen Ärzte und Patienten näher zusammen und ermöglichen Behandlungen und Geräte, die auf die individuellen Bedürfnisse abgestimmt sind.

Fortschritte in der medizinischen 3D-Drucktechnologie haben in allen Bereichen des Gesundheitswesen entscheidende Beiträge geleistet. Für Patienten bieten neue, mit 3D-Druck entwickelte Werkzeuge und Therapiemethoden mehr Komfort und Individualisierung bei der Behandlung. Für Ärzte bietet die neu erschlossene Technologie ein besseres Verständnis komplexer Fälle sowie neue Werkzeuge, die letztendlich den Qualitätsstandard der Behandlung erhöhen.

Von Modellen zur Operationsplanung über 3D-gedruckte Vaskulatur hin zu Bioreaktoren stellen wir Ihnen 5 Arten vor, wie 3D-Druck die Medizin vorantreibt, und erklären, warum viele Mediziner vom Potenzial dieser Technologie begeistert sind.

1. Patientenspezifische Operationsmodelle

3D-gedruckte Anatomiemodelle erstellt aus Scandaten der Patienten werden immer nützlicher als Werkzeuge in der heutigen personalisierten Präzisionsmedizin. Die Fälle werden immer komplexer. Und bei Routineeingriffen wird die Effizient im OP-Saal immer wichtiger. Deshalb helfen greifbare Anschauungsmodelle viel beim Verständnis und bei der Kommunikation innerhalb des Teams sowie mit den Patienten.

Medizinisches Personal, Krankenhäuser und Forschungsinstitute auf der ganzen Welt nutzen 3D-gedruckte Anatomiemodelle als Referenzen – bei der vorbereitenden Operationsplanung, bei intraoperativen Darstellung sowie für die Größenbestimmung oder Voreinstellung medizinischer Ausrüstung – sowohl bei Routineeingriffen als auch bei höchst komplizierten Prozeduren, wie in Hunderten von Publikation dokumentiert.

Mit 3D-Druck ist die Anfertigung patientenspezifischer Referenzmodelle zum Anfassen aus CT- oder MRT-Scans unkompliziert und erschwinglich. Von Kollegen begutachtete Fachliteratur zeigt auf, wie diese zusätzliche Perspektive Ärzten bei der Operationsvorbereitung hilft. Das wiederum verringert die Kosten und die Operationszeit und erhöht die Zufriedenheit der Patienten, deren Sorgen besser ausgeräumt und Genesungszeiten verkürzt werden. 

Die Lehren aus präoperativen Modellen können sich auch auf den Verlauf der Behandlung auswirken. Diese Erfahrung machte Dr. Michael Eames. Nachdem er die Unterarmknochen eines jungen Patienten nachgebildet hatte, bemerkte er, dass die Verletzung nicht mit seiner ursprünglichen Annahme übereinstimmte.

Dr. Eames entschloss sich für eine neue Weichgewebeprozedur, einen weitaus weniger invasiven Eingriff, der die Genesungszeit verringerte und den Patienten weniger beunruhigte. Mit der gedruckten Nachbildung der Knochen erklärte Dr. Eames dem jungen Patienten und seinen Eltern den Eingriff, die daraufhin einwilligten.

Was war das Ergebnis? Die Operationszeit belief sich auf unter 30 Minuten, anstatt der ursprünglich angesetzten drei Stunden. Diese Verkürzung der Operationsdauer sparte dem Krankenhaus geschätzte 5500 USD und beschleunigte die Genesung des Patienten, der nun weniger Zeit in postoperativer Pflege verbringen musste.

Mit den Worten von Dr. Alexis Dang, eines orthopädischen Chirurgen an der University of California San Francisco (UCSF) sowie dem San Francisco Veteran's Affairs Medical Center: „Jeder einzelne unserer festen orthopädischen Chirurgen und nahezu alle unserer Teilzeitchirurgen am San Francisco VA haben bereits 3D-gedruckte Modelle zur Patientenbehandlung eingesetzt. Wir haben alle festgestellt, dass 3D-Druck am Tag des Eingriffs unsere Arbeit verbessert.“

Neue biokompatible 3D-Druckmaterialien haben außerdem zur Entwicklung neuer Operationswerkzeuge und -techniken geführt, die speziell die klinische Erfahrung während der Eingriffe verbessern. Dazu gehören sterilisierbare Fixierungen, Konturvorlagen und Modelle zur Implantatsgrößenbestimmung, die während der OP oder noch vor dem ersten Schnitt eingesetzt werden. Mit ihnen verringern die Chirurgen die OP-Dauer und erhöhen die Genauigkeit bei komplizierten Eingriffen. 

 

Für Todd Goldstein, PhD, Ausbilder am Feinstein Institute for Medical Research, ist es offensichtlich, welche zentrale Rolle 3D-Drucktechnologie in seiner Abteilung einnimmt. Seinen Einschätzungen zufolge könnte Northwell Health beim Einsatz von 3D-gedruckten Modellen schon für 10-15 % aller Fälle pro Jahr 1 750 000 USD sparen.

„Von Prototypen medizinischen Geräts über komplexe Anatomiemodelle für unser Kinderkrankenhaus bis hin zu unseren Fortbildungsprogrammen und zur Einführung von 3D-gedruckten Bohrschablonen in der Zahnklinik [hat 3D-Drucktechnologie] unsere Möglichkeiten erweitert und dabei die Kosten gesenkt. Ohne unseren SLA-Drucker wäre die Erstellung der Hilfsmittel nahezu unmöglich, mit denen wir die Patienten behandeln", sagt Goldstein.

2. Neue Medizinprodukte und Instrumente

3D-Druck ist fast synonym mit Rapid Prototyping, der schnellen Entwicklung von Prototypen. Die Benutzerfreundlichkeit und die niedrigen Kosten des betriebsinternen 3D-Drucks haben auch die Produktentwicklung revolutioniert. Viele Hersteller medizinischen Geräts und chirurgischer Instrumente setzen bereits auf diese Technologie bei der Entwicklung brandneuer Produkte.

Über 90 Prozent der Medizinproduktfirmen nutzen bereits 3D-Druck, um präzise Prototypen medizinischen Geräts herzustellen sowie Halterungen und Vorrichtung zur Vereinfachung Ihrer Tests.

Mit den Worten von Alex Drew, einem Ingenieur für mechanische Projekte beim globalen Medizinproduktanbieter DJO Surgical: „Bevor DJO Surgical den [3D-Drucker von Formlabs] anschaffte, mussten wir uns für Prototypen fast ausschließlich auf externe Druckanbieter verlassen. Heute betreiben wir vier Formlabs-Geräte und die Auswirkungen sind tiefgreifend. Unsere 3D-Druckrate hat sich verdoppelt, die Kosten wurden um 70 Prozent reduziert und das hohe Druckdetail ermöglicht klare Kommunikation der Entwürfe bei Gesprächen mit orthopädischen Chirurgen.“

3D-Druck beschleunigt den Designprozess, da komplexe Entwürfe innerhalb von Tagen iteriert werden können anstatt von Wochen. Als Coalesce den Auftrag hatte zur Erstellung eines Inhalators, der digital das Atemprofil eines Asthmapatienten misst, hätte das Outsourcing zu einem Dienstleister bei jedem einzelnen Prototypen zu langwierigen Durchlaufzeiten geführt. Die Designdateien hätten über mehrere Iterationen hinweg mühsam verfeinert werden müssen, bevor sie dann außer Haus angefertigt würden.

Stattdessen setzte Coalesce auf SLA 3D-Druck für den Desktop und konnte so den gesamten Prototypenentwicklungsprozess betriebsintern durchführen. Die Prototypen eigneten sich für klinische Studien und sahen aus wie das fertige Produkt. Bei der Vorführung des Geräts hielten sogar die Kunden den Prototypen für das Endprodukt.

Insgesamt verkürzte die betriebsinterne Fertigung die Durchlaufzeit der Prototypen um sagenhafte 80 bis 90 %. Darüber hinaus wurden die Teile in nur acht Stunden gedruckt und konnten innerhalb weniger Tage fertiggestellt und lackiert werden. Bei einem externen Dienstleister hätte der Prozess ein oder zwei Wochen in Anspruch genommen.

3. Erschwingliche Prothesen

Jedes Jahr verlieren Tausende Menschen eine ihrer Extremitäten, doch nur ein Bruchteil von ihnen hat Zugang zu einer Prothese, die deren Funktion wiederherstellt.

Einfache Prothesen gibt es nur in wenigen Größen. Und so müssen die Patienten mit dem zurecht kommen, was gerade am besten passt. Maßgeschneiderte bionische Geräte, die die Bewegung und Funktion echter Extremitäten nachahmen und über die Muskeln im Extremitätsstumpf gesteuert werden, sind derart teuer, dass nur Patienten in Industrieländern mit bester Krankenversicherung sich diese leisten können. Diese Tatsache betrifft insbesondere Prothesen für Kinder. Kinder wachsen und erleben Abenteuer. So wird ihre Prothese unausweichlich irgendwann zu klein oder benötigt teure Reparaturen.

Es mangelt an Fertigungsverfahren, die maßgeschneiderte Teile zu erschwinglichen Preisen herstellen. Doch können immer mehr Prothesenhersteller die Vorteile der oft angepriesenen Designfreiheit im 3D-Druck nutzen, um diese finanziellen Hürden in der Behandlung zu umgehen. 

Bei Initiativen wie e-NABLE kommen weltweit ganze Communitys für 3D-gedruckte Prothesen zusammen. Es bildet sich eine unabhängige Bewegung der Prothesenproduktion, indem Informationen und offene Designs kostenlos online geteilt werden. So erhalten Patienten eine individuell designte und auf sie angepasste Prothese zum Preis von gerade einmal 50 USD.

Andere Erfinder wie Lyman Connor gehen noch einen Schritt weiter. Nur mit einer kleinen Einrichtung aus vier 3D-Druckern für den Desktop konnte Lyman seine erste produktionsreife Prothese fertigstellen und anpassen. Was hat er vor? Er möchte eine individualisierbare und vollständig bionische Hand erstellen, die zu einem Bruchteil der Kosten verkauft werden kann – was bei einer solch fortgeschrittenen Prothese üblicherweise Zehntausende Dollar sind. 

Wieder andere, wie die Forscher vom MIT, haben in 3D-Druck das ideale Mittel entdeckt, um wesentlich bequemere Prothesenverankerungen herzustellen.

Dass sich die niedrigen Produktionskosten dieser Prothesen gepaart mit der Designfreiheit als Offenbarung erwiesen haben, muss man gar nicht erwähnen. 3D-gedruckte Prothesen lassen sich schon in nur zwei Wochen anfertigen und können dann zu wesentlich geringeren Kosten ausprobiert und gewartet werden, als das bei ihren handelsüblichen Pendants der Fall ist. 

Da die Kosten immer mehr sinken und sich die Materialeigenschaften weiter verbessern, wird die Rolle des 3D-Drucks in diesem Bereich des Gesundheitswesens in Zukunft unweigerlich zunehmend wichtiger.

4. Korrigierende Einlagen und Orthesen

Viele der finanziellen Hürden, die man von Prothesen kennt, findet man auch im Bereich der Orthesen und Einlegsohlen. Wie die meisten patientenspezifischen Medizinprodukte haben auch maßgeschneiderte Orthesen oft unerschwingliche Preise und ihre Anfertigung nimmt Wochen oder Monate in Anspruch. Mit 3D-Druck kann das der Vergangenheit angehören.

Dazu fällt uns zum Beispiel die Geschichte von Matej und seinem Sohn Nik ein. Durch Schwierigkeiten bei seiner Frühgeburt in 2011 leidet Nik unter einer Zerebralparese, einer Krankheit, von der weltweit fast 20 Millionen Menschen betroffen sind. Matej wurde inspiriert durch den unablässigen Willen seines Sohnes, sich nicht von seiner Krankheit einschränken zu lassen. Doch stand er bei der Orthese vor der Wahl eines Standardmodells, das für seinen Sohn unzureichend und unbequem gewesen wäre, oder einer teuren Maßanfertigung, die erst nach Wochen oder Monaten geliefert würde und aus der sein Sohn schnell herauswächst.

Er nahm die Sache selbst in die Hand und suchte nach einer neuen Lösung des Problems. Durch die Freiheiten digitaler Technologien wie  3D-Scans und 3D-Druck konnte Matej mit Niks Physiotherapeuten frei experimentieren und einen gänzlich neuen und innovativen Arbeitsprozess für Unterschenkelorthesen (AFOs) entwickeln.

Das Ergebnis war eine maßgefertigte, 3D-gedruckte Orthese, die Nik an den richtigen Stellen Stabilisierung, Tragekomfort und Korrektur bot. So konnte Nik endlich allein seine ersten Schritte tun. Diese individuelle Orthese entspricht den stark angepassten Charakteristika hochwertiger Orthetik – und das zu einem Bruchteil des Preises und ohne zusätzliche Nachkorrekturen.

Fachleute auf der ganzen Welt nutzen 3D-Druck, um bei patienten- und kundenspezifischen Einlagen und Orthesen neue Wege zu beschreiten oder auch bei anderen Hilfsmitteln zur Verbesserung der Physiotherapie. Früher gab es bei der Physiotherapie oft Probleme mit individualisierten Hilfsmitteln. Die Patienten mussten oft sehr lange warten und die Ergebnisse waren nicht selten unbequem. Der 3D-Druck ist im Begriff, diesen Status quo zu verändern. 3D-gedruckte Einlagen und Orthesen haben sich als bessere Mittel erwiesen, bessere therapeutische Ergebnisse geliefert und bieten Patienten mehr Tragekomfort.

5. Bioprinting, Gewebezüchtung, 3D-gedruckte Organe und darüber hinaus

Die konventionelle Behandlung von Patienten mit schwerem Organversagen sieht neben der Transplantation von Spenderorganen Autotransplantate vor, bei denen eigenes Gewebe des Patienten von einem Organ auf ein anderes übertragen wird. Wissenschaftler im Bereich des Bioprinting und der Gewebezüchtung hoffen, dies schon bald zu ändern und auf Anfrage neue Gewebe, Blutgefäße oder Organe erschaffen zu können.

3D-Bioprinting beschreibt die Nutzung additiver Fertigungsverfahren, bei denen als „Biotinten“ bezeichnete Materialien aufgeschichtet werden, um neue gewebeähnliche Strukturen für die Medizin zu erschaffen. Gewebezüchtung oder „Tissue Engineering“ bezieht sich auf die Vielzahl aufkeimender Technologien, bei denen Ersatzgewebe und -organe im Labor gezüchtet werden, um damit Verletzungen und Krankheiten zu behandeln. Darunter fällt auch Bioprinting. 

Mithilfe von hochpräzisem 3D-Druck haben Forscher wie Dr. Sam Pashneh-Tala von der University of Sheffield neue Möglichkeiten der Gewebezüchtung erschlossen.

Um das Zellwachstum zur Bildung des benötigten Gewebes zu steuern, züchtet Dr. Pashneh-Tala die lebenden Zellen im Labor auf einem Zellträger, der die entsprechende Form, Größe und Geometrie vorgibt. Beispielsweise wird eine röhrenförmige Struktur benötigt, um Blutgefäße für Herz-Kreislauf-Patienten zu erstellen. Die Zellen vermehren sich, bedecken den Zellträger und nehmen dabei seine Form an. Der Zellträger zersetzt ich dann zunehmend und hinterlässt die Zellen in der Form des Zielgewebes. Dieses wird dann in einem Bioreaktor kultiviert – einer Kammer, die das wachsende Gewebe aufnimmt und die innere Umgebung des Körpers simuliert, um die mechanische und biologische Leistung des organischen Gewebes auszubilden.

So können Wissenschaftler in Zukunft patientenspezifisches Gefäßgewebe entwerfen, operative Optionen verbessern und eine einzigartige Testplattform für Vaskularmedizinprodukte bieten, um Patienten mit Herz-Kreislauf-Krankheiten zu heilen – der momentan weltweiten Todesursache Nummer eins. Das letztendliche Ziel sind transplantationsbereite Blutgefäße. Da die Gewebezüchtung entnommene Zellen des betroffenen Patienten verwendet, besteht keine Gefahr, dass das Immunsystem das Transplantat abstößt – eine Komplikation, die heutzutage häufig bei Organstransplantationen auftritt. 

3D-Druck stellt sich der Herausforderung synthetischer Blutgefäße und löst die Probleme der exakten Form, Größe und Geometrie der betroffenen Gefäße. Die Möglichkeit der Anpassung der gedruckten Lösung an die Anforderungen der Patienten hat sich als unschätzbar wertvoll erwiesen. 

In den Worten von Dr. Pashneh-Tala: „[Die Erstellung von Blutgefäßen mithilfe von 3D-Druck] öffnet die Tür für verbesserte Operationsoptionen und selbst für an die Patienten angepasste Blutgefäßdesigns. Ohne hochpräzisen, preiswerten 3D-Druck wäre die Erstellung dieser Strukturen nicht möglich.“

Wir haben einige aufregende Durchbrüche bei biologischen Materialien erlebt, die für 3D-Drucker geeignet sind. Forscher entwickeln derzeit neue Hydrogelmaterialien mit derselben Konsistenz wie bei organischem Gewebe des menschlichen Gehirns und der Lungen, die mit verschiedenen 3D-Druckprozessen kompatibel sind. Die Forscher erhoffen sich, dass dies an Organe implantiert werden kann, um als anregendes „Gerüst“ für die wachsende Zellen zu dienen.

Der Biodruck voll funktionsfähiger innerer Organe wie Herz, Niere und Leber klingt noch wie Zukunftsmusik. Jedoch machen hybride 3D-Drucktechniken sehr schnelle Fortschritte. 

Früher oder später, so erwartet man, weist der Bau biologischer Materie mit Labordruckern den Weg zu neuen und vollständig funktionalen 3D-gedruckten Organen. Im April 2019 schufen Wissenschaftler an der Universität von Tel Aviv das erste 3D-Herz mittels biologischer Materialien des Patienten. Die winzige Nachbildung wurde mit den biologischen Materialien des Patienten erschaffen und erzeugte so eine vollständige Übereinstimmung mit dem immunologischen, zellulären, biochemischen und anatomischen Profil des Patienten.

„Derzeit ist unser 3D-Herz klein, nur so groß wie bei einem Hasen. Doch für größere menschliche Herzen bedarf es derselben Technologie“, so Professor Tal Dvir.

Was wartet als Nächstes auf den medizinischen 3D-Druck?

Präzise und erschwingliche 3D-Druckprozesse wie Desktop-Stereolithografie gewähren einer immer breiteren Masse Zugang zu dieser Technologie. So entdecken medizinische Fachkräfte neue klinische Lösungen und fertigen schnell maßgeschneidertes Gerät. Gleichermaßen finden Ärzte auf der ganzen Welt neue Behandlungswege.  

Die 3D-Drucktechnologien und -materialien werden immer besser und so ebnen sie den Weg zu individualisierter Patientenbehandlung und wegweisenden medizinischen Anwendungen.

Weitere Informationen zum 3D-Druck im Gesundheitswesen