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Datum: Freitag, 24. November 2017

Artikel: Schaffler Verlag, ÖKZ: 58. JG (2017) 11 / Michaela Endemann

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Blätterteig

Für den dreidimensionalen Druck gibt es in der Medizin immer mehr Anwendungsgebiete.

3D-Druck ist aus der industriellen Fertigung längst nicht mehr wegzudenken. Von kleinsten Bauteilen über Designkopfschmuck und Möbel bis hin zu Flugzeugteilen kann so ziemlich alles gedruckt werden, was aus Titan, Kunststoff, Keramik oder Metall besteht. Die Werkstoffe werden z.B. verflüssigt oder liegen als Pulver wie z.B. Metallpulver vor, werden erhitzt, die Objekte Schicht für Schicht aufgetragen und langsam ausgehärtet. Auch 28 Prozent der Unternehmen aus der Medizintechnik und der Pharmazie haben bereits Erfahrungen mit dem 3D-Druck gesammelt. In Graz beschäftigt sich Ute Schäfer, Universitätsprofessorin der Forschungseinheit für Experimentelle Neurotraumatologie an der Medizinischen Universität im Projekt iPrint mit rekonstruktiven Implantaten für die Behandlung von Verletzungen wie Knochenläsionen, Tumoren oder Traumata.

Bisher mussten wir die 3D-gedruckten Implantate extern fertigen lassen, was für Patienten heißt, dass sie zweimal operiert werden müssen. Jetzt stehen wir kurz davor, direkt im OP-Saal das Implantat drucken zu können.

Das Projekt iPrint gewann damit 2016 den Science- 2business Award.

 

Digitale Daten müssen her

Um am Ende ein dreidimensional gedrucktes Produkt zu erhalten, muss der Drucker bzw. dessen Software aber erstmal digitale Daten erhalten. Diese werden entweder durch Einscannen oder, etwa im Falle von Knochenimplantaten, aus CT/MRT- oder Röntgenbildern gewonnen und in das sogenannte StandardTessellation-Language(STL)-Format gebracht. Dieses Standardformat vieler CAD-Programme beschreibt 3D-Körper als kleine Dreiecksfacetten (Englisch: tessellation= „Parkettierung“). Die Schwierigkeit dabei erläutert Beate Schäfer so:

Noch ist der Computer nicht so schlau, dass er automatisch erkennt, was ein Knochen und was ein Gewebe ist. Da braucht man noch medizinisches Wissen und Gespür. In Zukunft soll aber vom CT oder Scan weg das Implantat vollständig automatisiert aus dem Drucker kommen.

3D-Druck ist jedoch nicht nur eine einzige Methode. Je nach Anforderung und Material gibt es unter dem Überbegriff „3DDruck“ eine Vielfalt an Drucktechniken. Alle zusammen zählen zum sogenannten Additive Manufactoring. Im Unterschied zum Fräsen oder Herausschneiden entsteht Schicht für Schicht aufbauend, also additiv, die gewünschte Form. Während z.B. in Graz Polymere geschmolzen und durch die Druckdüsen geschickt werden und so Ebene für Ebene ein fertiges Schädelimplantat entsteht, wird bei der sogenannten Stereolithografie ein Laser über eine Wanne voll lichtaushärtender Kunststoffe wie Acryl-, Epoxid- oder andere Harze geführt. Nach jeder Schicht wird das Werkstück abgesenkt und die nächste Schicht „gedruckt“. In der Wanne entsteht so nach und nach das gewünschte Produkt. Das Verfahren der Stereolithografie bzw. des Digital Light Processing setzt beispielsweise ein österreichischer Hörgerätehersteller bereits seit 2005 ein:

„Früher wurde jedes einzelne Ohrpassstück, jede Otoplastik, ausschließlich per Hand gefertigt, heute wird manuell nur mehr der letzte Schliff gegeben“, erklärt der Vorstandsvorsitzende Lukas Schinko.

Als Vorlage für die Otoplastik dient auch nach wie vor der händisch durchgeführte Abdruck, der eingescannt wird.

 

Vom Drucker in den Mund

Ebenfalls teilweise digitalisiert und automatisiert werden bisher manuell durchgeführte Schritte in der sogenannten CAD/CAMTechnik in der Zahnmedizin. Ein Scanner ersetzt den Abdruck, die Prothesen werden am Computer digital entworfen und dann aus industriell gefertigten Kunststoffrohlingen herausgefräst, was noch ein klassisches subtraktives Fertigungsverfahren ist. Patricia Anca Steinmaßl, Oberärztin der Innsbrucker Universitätsklinik für Zahnersatz und Zahnerhaltung sagt:

 

Im klinischen Alltag angekommen ist der 3D-Druck bisher für die Modellherstellung für Kronen und Brücken sowie für Kunststoffschienen. Ansonsten ist der 3D-Druck in der Zahnmedizin vor allem in Forschung und Lehre relevant. Meine Zukunftsvision wäre es, die Möglichkeiten des 3D-Drucks für die volldigitale, also abdruck- und modellfreie Herstellung von festsitzenden Kronen oder Brücken, aber auch von herausnehmbaren Restaurationen wie Prothesen zu nutzen.

 

Uwe Spetzger, Klinikdirektor und Facharzt für Neurochirurgie am städtischen Klinikum Karlsruhe, und sein Team wenden Titancages aus dem 3D-Drucker mittlerweile erfolgreich in der Versorgung von Halswirbelsäulenproblemen an: „3D-gedruckte Cages ohne individualisierte Oberfläche sind mittlerweile Standard, wir haben bisher über 100 Patienten damit versorgt. Metall- oder Keramikpulver werden dafür in einer Wanne durch den Laserstrahl punktgenau geschmolzen und damit versintert. Sintern bedeutet, dass die Werkstoffe erst durch diese Temperaturbehandlung die endgültigen Eigenschaften wie Härte, Festigkeit etc. erhalten.

„Zunehmend sind auch individualisierte Cages im Einsatz“, sagt Spetzger. Diese im additiven Verfahren hergestellten Platzhalter sorgen dafür, dass eine optimale Umgebung für die Knochenneubildung geschaffen wird und so Knochentransplantationen überflüssig werden.

 

Zahlreiche Einsatzgebiete

Die Einsatzbereiche gehen jedoch weit über gedruckte künstliche Knochen, Cages oder Gehörschutz hinaus. So kommen weltweit auch 3D-gedruckte Modelle von Tumoren oder Organen zum Einsatz, die vorwiegend für Trainingszwecke eingesetzt werden und dem Chirurgen die Operationsplanung erleichtern sollen. Patricia Steinmaßl aus Innsbruck nutzt z.B. 3D-gedruckte Modelle für festsitzende Arbeiten wie etwa Kronen oder Brücken:„Wir haben erstmals die praktische Diplomprüfung anhand dieser 3D-gedruckten Modelle durchgeführt, wodurch es uns möglich war, für alle Studierenden die exakt gleichen Voraussetzungen zu schaffen.“

2016 wurde das erste Medikament aus dem 3D-Drucker von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA zugelassen. Es ist für Epileptiker bestimmt, die oft unter Schluckbeschwerden leiden. Das Arzneimittel ist so konzipiert, dass es bei Kontakt mit Flüssigkeit im Mund sofort zerfällt. Erst mithilfe des 3D-Drucks war es möglich, ein Medikament mit einer so porösen Struktur zu produzieren. Doch Forscher gehen weltweit noch einen Schritt weiter. 3D-Druck könnte auch die oft benötigten und derzeit für Kinder meist nicht vorhandenen Dosierungen herstellen, so ein Forscherteam der Internen Medizin der Wake Forest Universität im US-Bundesstaat North Carolina.

 

Drucken mit lebenden Zellen

Im Jahr 1998 gelang es erstmals, embryonale Stammzellen im Labor zu züchten. Diese Zellen können sich in unterschiedliche Zellen und Gewebe weiterentwickeln und werden daher gerne in der Zellkultur eingesetzt. Cornelia Kasper, Professorin und Leiterin der Abteilung Biopharmaceutical Technology and Products am Department für Biotechnologie an der Wiener Universität für Bodenkultur, forscht an sogennanten Bioreaktoren:

„Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffversorgung und Durchfluss sowie mechanische Stimulierung der Zellen, alles muss stimmen, um möglichst körpernahe Bedingungen für das Wachstum zu bieten.“ Dazu setzen Kasper und ihr Team auch Bestandteile aus dem 3D-Druck als Trägermaterialien ein. „Wir nutzen da z.B. kleine Bauteile, Verbindungsstücke, Schrauben oder Bauteile, in die Knorpelkonstrukte hineingegossen werden können.“

Der neue Hype unter den Forschern ist Bioprinting. Lebende Zellen werden durch die Druckdüsen geschickt, und als Ergebnis entsteht ein funktionsfertiges Organ. Zu futuristisch? Ja, denn so einfach ist das mit lebenden Zellen nun doch nicht, auch wenn Medienberichte das glauben lassen. Als Trägermaterial für die Biotinte dienen z.B. Hydrogele oder Alginate, die als Paste oder Tropfen durch den Drucker geschickt werden. Schicht für Schicht baut sich eine mehr oder weniger stabile, dreidimensionale Struktur auf. Das so gefertigte Teilstück muss danach aber noch in Zellkultur weiter aufbereitet werden. Erste Erfolge konnten mit Hautgewebe z.B. für die Medikamententestung, als Tierversuchersatz sowie Knorpel- und Muskelzellen zwar schon erzielt werden, auch eine Aorta aus dem Drucker wurde schon vermeldet, und es gelang auch schon, unterschiedliche Zelltypen gleichzeitig zu drucken. Doch nach wie vor stellen Nährstoffversorgung, Enervierung und korrektes Zusammenwachsen unterschiedlicher Zelltypen eine Herausforderung für die Forscher dar.

 

Literatur:



1G Medizin aus dem 3D-Drucker bald auch Organe? Die Zeit 18.5.2017. Zugang: www.zeit.de/news/2017-05/18/medizin-medizin-aus-dem-3d-druckerbaldauch-organe-18135616, Zugriff: 6.9.2017.

2First FDA-approved, 3D printed Spritam drug for epilepsy now available. Zugang: www.3ders.org/articles/20160322-3d-printed-fda-approved-epilepsy-drugspritam-now-available.html, Zugriff: 6.9.2017.

3How 3D printed pills are personalizing medicine. Zugang: www.3ders.org/articles/ 20160102-how-3d-printed-pills-are-personalizing-medicine.html, Zugriff: 6.9.2017.

4EU Projekt Hydrozones. Zugang: https://www.hydrozones.eu/welcome-to-the-hydrozonesproject-website/ Zugriff: 6.9.2017.

 

 


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