Medizinischer 3D-Druck

3D-Drucker helfen dem medizinischen Sektor in dreifacher Hinsicht:

• Verbesserte Patientenergebnisse
• Zeit- und Kosteneinsparungen
• Beschleunigte Forschungs- und Entwicklungszyklen

Die Freiheit, patientenindividuelle Objekte herzustellen, steht im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die auf standardisierte Massenprodukte wie Implantate, Werkzeuge und Prothesen setzen.

Die Herstellung einzigartiger Produkte auf Bestellung ist kein neues Konzept, aber in der Regel unerschwinglich teuer und mit einer langen Vorlaufzeit verbunden (der Zeitraum zwischen Bestellung und Lieferung).

Mit dem 3D-Druck hingegen sind die Kosten für die Herstellung eines Objekts dieselben wie für die Herstellung von Tausenden, unabhängig davon, wie einzigartig oder komplex der Gegenstand ist. Außerdem kann die Produktion näher am Ort der Nachfrage stattfinden, anstatt in einer Fabrik auf einem anderen Kontinent. Dies verkürzt die Vorlaufzeiten erheblich und ermöglicht einen flexibleren, iterativen Fertigungsprozess.  

Der medizinische 3D-Druck verkürzt auch die Forschungs- und Entwicklungszeit, indem er die Zeit zwischen den einzelnen Designverbesserungen verkürzt, so dass mehr Tests im gleichen oder einem kürzeren Zeitraum durchgeführt werden können und potenzielle Probleme früher im Prozess aufgedeckt werden.

Während der Covid-19-Pandemie kam es weltweit zu einer kritischen Verknappung lebenswichtiger medizinischer Güter, da die Nachfrage rasant anstieg und es zu Unterbrechungen in der Produktion und im Transportwesen kam. Die am dringendsten benötigten Artikel waren die, die am knappsten waren, nämlich persönliche Schutzausrüstung (PSA) und Beatmungsgeräte.

Dank der Flexibilität und Schnelligkeit des 3D-Drucks rückte die Technologie in dieser Zeit in den Vordergrund, und viele Organisationen setzten die Drucker ein, um dringend benötigte Gegenstände herzustellen.

Das britische Unternehmen Photocentric war ein solches Beispiel. Das Unternehmen nutzte seine patentierte medizinische 3D-Drucktechnologie, um in kürzester Zeit Millionen von Gesichtsschutzschilden zum Schutz von Mitarbeitern an vorderster Front zu liefern. Das Lager in Peterborough wurde in eine rationalisierte, zweckbestimmte Fabrik umgewandelt, in der eine Flotte von 45 Großformatdruckern täglich mehr als 50.000 Komponenten herstellt.

Einem Sprecher von Photocentric zufolge zeigt der Erfolg, dass der medizinische 3D-Druck nicht länger für die langsame, teure Prototypenherstellung reserviert ist, sondern die benötigte Menge zum richtigen Zeitpunkt, am richtigen Ort und zu einem wettbewerbsfähigen Preis herstellen kann.

Der medizinische 3D-Druck deckt viele Disziplinen ab und bedient ein breites Spektrum von Bedürfnissen. Die vier häufigsten sind:   

• PROTHESEN

Eine schlecht sitzende Prothese kann die Gesundheit und das tägliche Leben eines Patienten stark beeinträchtigen und Schmerzen, Wunden und Blasen sowie ein erhöhtes Risiko für Stürze oder andere Unfälle verursachen. Zusätzliche Konsultationen oder sogar Operationen zur Verbesserung der Passform kosten den Patienten und den Gesundheitsdienstleister zusätzliche Zeit und Geld.

Die Kombination aus hochauflösenden digitalen Scannern und 3D-Druckern ermöglicht die Herstellung einer komfortablen, erschwinglichen Prothese, die perfekt auf die individuelle Anatomie oder Verletzung des Patienten abgestimmt ist.

Dadurch werden manuelle Messungen und die Herstellung von Formen überflüssig, was die Genauigkeit und Effizienz des Prozesses erhöht. Dies ermöglicht eine wesentlich schnellere Entwicklung und Bereitstellung von maßgeschneiderten Lösungen, von einfachen Geräten bis hin zu komplexen, mehrgelenkigen Kreationen.

Der medizinische 3D-Druck wird in erster Linie für die Herstellung von Prothesenteilen verwendet, die in direkten Kontakt mit dem Körper des Patienten kommen oder mit ihm interagieren. Für die Herstellung der anderen Komponenten und Stützstrukturen werden in der Regel herkömmliche Herstellungsverfahren und Materialien verwendet.

• IMPLANTATE (ORTHOPÄDISCHE, KIEFERORTHOPÄDISCHE UND ZAHNMEDIZINISCHE)

Wie bei Prothesen kann sich ein falsch eingesetztes Implantat negativ auf das Wohlbefinden des Patienten auswirken. Mit dem medizinischen 3D-Druck können Chirurgen personalisierte Implantate herstellen, die zum Ersatz oder zur Verstärkung von Knochen und Gelenken verwendet werden.

Die Möglichkeit, komplexe Strukturen mit einem 3D-Drucker zu erstellen, hat das Design orthopädischer Implantate verbessert, indem beispielsweise bessere Knochenbindungsflächen und haltbarere Materialien zur Verfügung gestellt wurden.

Einige Studien haben gezeigt, dass 3D-gedruckte Strukturen und Netze je nach verwendetem Druckmaterial länger halten, besser funktionieren und eine höhere Funktionalität aufweisen als herkömmliche Implantate aus Titan und Zirkoniumdioxid-Keramik.

Zahnimplantate wie Zahnersatz, Kappen und Knochenaufbau sind seit langem ein wichtiger Bestandteil der Zahnmedizin. Wie auch bei anderen Anwendungen ermöglicht der medizinische 3D-Druck Zahnärzten die individuelle Anpassung und Herstellung von Implantaten mit höherer Geschwindigkeit, Genauigkeit und Effizienz sowie einer besseren Passform.

Die Technologie ermöglicht auch eine bessere Kontrolle über die Implantatstruktur, und Zahnärzte können aus widerstandsfähigen Materialien wie Keramik, Polymeren und Verbundwerkstoffen wählen.

• ANATOMISCHE MODELLE

Chirurgen nutzen digitale 3D-Scan- und Bildgebungsverfahren, um chirurgische Eingriffe vor der Durchführung umfassend zu planen. Hochdetaillierte innere Bilder werden routinemäßig von Ultraschallgeräten, Magnetresonanztomographen (MRI) und Computertomographen (CT) geliefert. Diese Bilder werden jedoch in der Regel auf einem 2D-Bildschirm angezeigt, was die Sichtbarkeit und das Verständnis der umliegenden anatomischen Strukturen einschränkt.  

3D-Drucker verwenden diese digitalen Dateien, um ultrarealistische und genaue Modelle eines Organs oder Körperteils im Maßstab 1:1 zu erstellen. Diese Modelle ermöglichen es Ärzten, Maßnahmen besser zu planen und im Voraus zu proben. Dies ist besonders bei komplizierteren Eingriffen oder solchen, die das Operationsteam noch nicht routinemäßig durchgeführt hat, von Vorteil.

Das Üben von Verfahren macht chirurgische Eingriffe sicherer, schneller, genauer und individueller, was zu besseren Ergebnissen für die Patienten führt. Außerdem können diese Modelle bei der präoperativen Beratung gezeigt werden, um den Patienten ihre medizinische Situation und die Behandlung besser zu erklären.  

Modelle bieten auch Medizinstudenten und jungen Ärzten eine umfassendere Ausbildung. Die Möglichkeit, Modelle von realen Tumoren, Frakturen, Anomalien und anderen Verletzungen in der Hand zu halten, zu untersuchen und zu manipulieren, bietet die Möglichkeit, diese besser zu verstehen und zu behandeln.

• CHIRURGISCHE INSTRUMENTE

Schneid- und Bohrschablonen helfen den Chirurgen, Implantate mit größerer Präzision, Effizienz und Sicherheit zu platzieren. Dadurch werden die Eingriffe schneller, weniger invasiv und erfordern eine kürzere Rehabilitationszeit des Patienten.

Der medizinische 3D-Druck ersetzt zunehmend herkömmliche Methoden zur Herstellung dieser Schablonen, da er schneller und einfacher ist, vor Ort durchgeführt werden kann und - was am wichtigsten ist - genau auf die Morphologie des Patienten zugeschnitten werden kann.

Zu den chirurgischen oder medizinischen Instrumenten, die in 3D gedruckt wurden, gehört eine breite Palette von Zangen, Retraktoren, Klemmen und Werkzeuggriffen. Der Hauptvorteil eines 3D-gedruckten Instruments besteht darin, dass es leicht an die Anforderungen eines bestimmten Chirurgen angepasst werden kann, im Gegensatz zu 3D-gedruckten Führungen, bei denen der Hauptvorteil darin besteht, dass sie leicht an einen einzelnen Patienten angepasst werden können.

In einigen Fällen kann ein Arzt Feedback zu einem 3D-gedruckten Instrument geben und noch am selben Tag eine überarbeitete Version in Händen halten.

Bradley wurde mit einem Herztumor geboren und unterzog sich mehreren Operationen am offenen Herzen, bei denen ihm auch ein Defibrillator eingesetzt wurde, um ihn vor dem plötzlichen Herztod zu schützen. Mit 16 Jahren wurde er erneut im Krankenhaus behandelt, um die durch den großen Tumor verursachten elektrischen Störungen zu beseitigen.

Auf der Suche nach zusätzlichen Informationen über die bestmögliche Behandlung seines Tumors wandte sich das Ärzteteam an den 3D-Druckdienstleister Materialise, um aus den Daten seines CT-Scans eine 3D-gedruckte Nachbildung von Bradleys Herz zu erstellen.

Anhand des Modells konnten die Ärzte die komplexe Beziehung zwischen dem Tumor (gedruckt aus einem harten, undurchsichtigen Material) und den umliegenden anatomischen Strukturen (gedruckt aus einem flexiblen, transparenten Material) besser verstehen.

Anhand des Modells konnte das Team zuversichtlich mit der Operation fortfahren, und Bradley und seine Familie konnten seine einzigartige Anatomie besser verstehen.

Durch ständige Forschung entstehen immer neue Anwendungen für den medizinischen 3D-Druck. Zu den Bereichen, für die in den nächsten fünf bis zehn Jahren ein erhebliches Wachstum erwartet wird, gehören:

• PERSONALISIERTE MEDIZIN

3D-gedruckte Medikamente beschleunigen die Abkehr der pharmazeutischen Industrie von der traditionellen Massenproduktion in einer einzigen Größe hin zu einem stärker personalisierten und präziseren Modell.

Der Hauptvorteil des Einsatzes von 3D-Druckern zur Herstellung von Arzneimitteln liegt in der Möglichkeit, kleine Chargen in beliebiger Form und Größe mit für jeden Patienten festgelegten Dosierungen herzustellen. Das Drucken von Arzneimitteln auf Abruf reduziert den Abfall, die Kosten und den Zeitaufwand drastisch, insbesondere bei der Entwicklung neuer Medikamente.

Pfizer schätzt, dass es durchschnittlich 12 Jahre dauert und mehr als 1 Milliarde Dollar kostet, ein neues Medikament auf den Markt zu bringen. Darüber hinaus wird von 10 bis 20 Medikamenten, die im Labor identifiziert werden, nur eines jemals den Patienten erreichen. Die anderen scheitern auf dem Weg dorthin aus einer Vielzahl von Gründen.

Durch den medizinischen 3D-Druck werden klinische Versuche mit Arzneimitteln schneller und erschwinglicher, da die Testchargen in kleinen Mengen und nicht in Massenproduktion hergestellt werden können. In Zukunft könnten 3D-Drucker in Apotheken, Krankenhäusern und Kliniken, insbesondere in entlegenen Gebieten, installiert werden und bei Bedarf personalisierte Medikamente herstellen. 

• MEDIZINISCHE GERÄTE

Laut dem 3D-Druckspezialisten Formlabs verwenden mehr als 90 % der 50 führenden Medizintechnikunternehmen den 3D-Druck, um schnelle und kostengünstige Prototypen von Medizinprodukten sowie Vorrichtungen zur Vereinfachung von Tests zu erstellen.

Über das Rapid Prototyping hinaus wird der medizinische 3D-Druck zur Herstellung von Komponenten und Gehäusen für medizinische Endgeräte und in einigen Fällen für das gesamte Gerät selbst verwendet. Diese Fähigkeit trat im Zuge von Covid-19 in den Vordergrund, als 3D-gedruckte Alternativen zu herkömmlich hergestellten Produkten alltäglich wurden, wie zum Beispiel Nasenabstriche.

Weitere 3D-gedruckte medizinische Geräte sind Inhalatoren, Injektoren, Nadelhalter, chirurgische Werkzeugschalen, Schienen und Testgeräte. Die Technologie verbessert auch herkömmliche Herstellungsverfahren, indem sie maßgeschneiderte Werkzeuge wie Modelle, Muster, Abgüsse und Matrizen für eine Reihe von Form- und Gussmaschinen herstellt.

• BIOPRINTING

Das 3D-Biodrucken ähnelt dem 3D-Drucken mit dem Unterschied, dass Schichten aus lebenden Zellen, die als Biotinte bezeichnet werden, anstelle von Kunststoff oder Metall gedruckt werden. Mit Biotinte werden künstliches Hautgewebe, Knochen, Blutgefäße und möglicherweise ganze Organe hergestellt, die für Transplantationen, Transplantate, Ausbildung oder Forschungszwecke verwendet werden.

Das Bioprinting steckt noch in den Kinderschuhen, da die Reproduktion von lebendem Material, insbesondere von Organen wie Herzen, Lebern und Nieren, sehr komplex ist. Dank der Pionierarbeit von Universitäten, Forschern und Privatunternehmen auf der ganzen Welt sind jedoch Fortschritte zu verzeichnen.

Was sie antreibt, ist die Aussicht, durch den 3D-Druck neuer Organe mit patienteneigenen Zellen den Bedarf an Spenderorganen und das Risiko einer Abstoßung zu eliminieren.

Knochenrekonstruktionsverfahren werden jährlich millionenfach durchgeführt, von angeborenen Knochendefekten über Unfallopfer bis hin zu Krebspatienten. Derzeit erhalten diese Patienten ein entnommenes Knochenstück oder ein Titanimplantat, das für den Rest ihres Lebens im Körper verbleibt.

Das dänische MedTech-Unternehmen Ossiform hat eine bahnbrechende, patentierte Technologie entwickelt, mit der die exakte Anatomie des Patienten durch 3D-gedruckte, patientenspezifische Implantate mit einer natürlichen Knochenporosität rekonstruiert werden kann. Die Implantate bestehen aus natürlichen Biomaterialien, die sich im Laufe der Zeit abbauen und zu echtem, lebendem Knochengewebe umgestalten.

Die P3D-Knochenimplantate können so gestaltet werden, dass sie Zusatzstoffe wie Antibiotika und Chemotherapie abgeben, die über einen kontrollierten und längeren Zeitraum freigesetzt werden können. Dies bietet den Patienten weitreichende Vorteile und eröffnet neue Optionen für die Behandlung von Knochendefekten.

Die Technologie wird auch zur Herstellung eines 3D-gedruckten Forschungs- und Entwicklungsprodukts, der P3D Scaffolds, zur Verbesserung der Knochenforschung eingesetzt. Das erste P3D-Knochenimplantat für den menschlichen Gebrauch wird voraussichtlich in der zweiten Hälfte des Jahres 2022 auf den Markt kommen.

 

• REGULIERUNGSSTANDARDS

Der medizinische 3D-Druck muss denselben Bewertungsprozess durchlaufen wie jede andere Technologie im Gesundheitswesen. Die behördliche Genehmigung ist für Objekte, die dem medizinischen Personal helfen, wie anatomische Modelle, Instrumentensiebe und Werkzeuggriffe, relativ einfach, da diese, wenn überhaupt, nur minimalen Kontakt mit dem Patienten haben.

Für interne Gegenstände wie Knochenimplantate, Arterienstents und Herzklappen gelten strengere Sicherheitsanforderungen. Die Zulassung wird durch das Fehlen eines umfassenden Rechtsrahmens erschwert.

Mehrere Aufsichtsbehörden arbeiten an der Entwicklung geeigneter Standards für den 3D-Druck im Gesundheitswesen, so zum Beispiel die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA). 

Verwirrenderweise erschwert einer der Hauptvorteile des medizinischen 3D-Drucks auch die behördliche Zulassung - und damit seinen breiteren Einsatz -. Im Vergleich zu einem standardisierten Produkt von der Stange sind maßgeschneiderte Geräte viel schwieriger zu genehmigen, da jedes einzelne getestet und zertifiziert werden muss.

• UNEINHEITLICHE QUALITÄT

3D-Drucker drucken nicht jedes Mal perfekte Ergebnisse. Die Fehlerquote hängt von der Maschine, dem verwendeten Material und dem zu druckenden Produkt ab. Auch das Entfernen von Oberflächenunregelmäßigkeiten oder -strukturen kann zusätzliche manuelle Bearbeitungsschritte erfordern, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Die Fehlerquote und die Nachbearbeitung werden sich wahrscheinlich verringern, je besser die 3D-Drucker werden und je vertrauter die Menschen mit dieser Technologie werden.

• GROSSE VOLUMEN

 In vielen Fällen kann der medizinische 3D-Druck einen einzelnen Artikel oder eine kleine Serie von Artikeln schneller und effizienter herstellen als herkömmliche Fertigungsmethoden. Allerdings kann jede Maschine nur eine bestimmte Anzahl von Objekten gleichzeitig drucken, je nach Größe der Maschine und des Objekts, so dass dies möglicherweise nicht die geeignetste oder kostengünstigste Methode für große Produktionsserien ist.