Redaktion Der 3D-Druck hat viele Funktionen in einer Vielzahl von Branchen, im medizinischen Bereich hat er jedoch vier Hauptanwendungen.
Allie Nawrat fand heraus, wie diese Technologie eingesetzt werden kann, um Organtransplantationen beim Menschen zu ersetzen, chirurgische Eingriffe zu beschleunigen, kostengünstigere Versionen der benötigten chirurgischen Instrumente herzustellen und das Leben von Menschen zu verbessern, die auf Prothesen angewiesen sind.
Die additive Fertigung, auch als 3D-Druck bekannt, wurde erstmals in den 1980er Jahren entwickelt. Dabei wird ein digitales Modell oder eine Blaupause des Themas erstellt, das bzw. die dann in aufeinander folgenden Schichten eines geeigneten Materials gedruckt wird, um eine neue Version des Themas zu erstellen.
Die Technik wurde in vielen verschiedenen Branchen, einschließlich der Medizintechnik, angewendet (und von diesen genutzt). Häufig werden medizinische Bildgebungstechniken wie Röntgen, Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Ultraschall verwendet, um das ursprüngliche digitale Modell zu erzeugen, das anschließend in den 3D-Drucker eingespeist wird.
Es wurde prognostiziert, dass der 3D-Druck im medizinischen Bereich bis 2025 einen Wert von 3,5 Mrd. USD erreichen wird, verglichen mit 713,3 Mio. USD im Jahr 2016. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der Branche soll zwischen 2017 und 2025 17,7% erreichen.
4 wichtige Anwendungen, die die Branche revolutionieren
Im medizinischen Bereich gibt es vier Hauptanwendungen des 3D-Drucks, die mit den jüngsten Innovationen verbunden sind: Herstellung von Geweben und Organoiden, chirurgischen Instrumenten, patientenspezifischen Operationsmodellen und maßgeschneiderten Prothesen. Allgemein ist zu sagen, dass 3D Druck zahlreiche Vorteile für die Medizintechnik bietet und bieten wird.
Bioprinting – Gewebe und Organoide drucken
Eine der vielen Arten des 3D-Drucks, die im Bereich der Medizinprodukte eingesetzt werden, ist das Bioprinting. Anstatt mit Kunststoff oder Metall zu drucken, verwenden Bioprinter eine computergesteuerte Pipette, um lebende Zellen, die als Bio-Tinte bezeichnet werden, übereinander zu schichten, um in einem Labor künstliches lebendes Gewebe herzustellen.
Diese Gewebekonstrukte oder Organoide können für die medizinische Forschung verwendet werden, da sie Organe im Miniaturmaßstab nachahmen. Sie werden auch als billigere Alternativen zu menschlichen Organtransplantationen erprobt.
Das in den USA ansässige medizinische Labor- und Forschungsunternehmen Organovo experimentiert mit dem Druck von Leber- und Darmgewebe, um die Untersuchung von Organen in vitro sowie die Arzneimittelentwicklung bei bestimmten Krankheiten zu unterstützen. Im Mai 2018 präsentierte das Unternehmen präklinische Daten zur Funktionalität seines Lebergewebes in einem Programm zur Behandlung der Tyrosinämie Typ 1, die die Fähigkeit des Körpers, die Aminosäure Tyrosin aufgrund eines Enzymmangels zu metabolisieren, beeinträchtigt.
Das Wake Forest Institute in North Carolina (USA) hat einen ähnlichen Ansatz gewählt, indem es ein 3D-Gehirnorganoid mit potenziellen Anwendungen für die Wirkstoffforschung und die Modellierung von Krankheiten entwickelte. Die Universität gab im Mai 2018 bekannt, dass ihre Organoide eine vollständig zellbasierte, funktionelle Blut-Hirn-Schranke aufweisen, die die normale menschliche Anatomie nachahmt. Es wurde auch an 3D-Druck-Hauttransplantaten gearbeitet, die direkt auf Verbrennungsopfer angewendet werden können.
Operationsvorbereitung mit Hilfe von 3D-Modellen
Eine weitere Anwendung des 3D-Drucks im medizinischen Bereich ist die Erstellung patientenspezifischer Organrepliken, mit denen Chirurgen vor der Durchführung komplizierter Operationen üben können. Es hat sich gezeigt, dass diese Technik die Verfahren beschleunigt und Traumata für Patienten minimiert.
Diese Art von Verfahren wurde erfolgreich bei Operationen durchgeführt, die von einer Vollgesichtstransplantation bis zu Wirbelsäulenoperationen reichen, und beginnt, Routinepraxis zu werden.
„Mithilfe des 3D-Drucks wurden patientenspezifische Organrepliken erstellt, mit denen Chirurgen üben können, bevor sie komplizierte Operationen durchführen.“
In Dubai, wo Krankenhäuser den Auftrag haben, den 3D-Druck großzügig einzusetzen, operierten Ärzte erfolgreich an einer Patientin, die an einem Gehirnaneurysma in vier Venen gelitten hatte, und ermittelten anhand eines 3D-Modells ihrer Arterien, wie die Blutgefäße sicher navigiert werden können.
Im Januar 2018 übten Chirurgen in Belfast erfolgreich eine Nierentransplantation für eine 22-jährige Frau anhand eines 3D-gedruckten Modells der Niere ihres Spenders. Die Transplantation war mit Komplikationen behaftet, da ihr Vater, der ihr Spender war, eine inkompatible Blutgruppe hatte und bei seiner Niere eine potenziell krebsartige Zyste festgestellt wurde. Mithilfe der 3D-gedruckten Replik seiner Niere konnten Chirurgen die Größe und Platzierung des Tumors und der Zyste beurteilen.
3D-Druck von chirurgischen Instrumenten
Sterile chirurgische Instrumente wie Pinzetten, Hämostaten, Skalpellgriffe und Klammern können mit 3D-Druckern hergestellt werden.
Beim 3D-Druck entstehen nicht nur sterile Werkzeuge, einige basieren auf der alten japanischen Origami-Praxis, das heißt, sie sind präzise und können sehr klein ausgeführt werden. Mit diesen Instrumenten können Sie auf winzigen Flächen arbeiten, ohne den Patienten unnötig zu beschädigen.
Einer der Hauptvorteile des Einsatzes von 3D-Druck anstelle herkömmlicher Herstellungsmethoden zur Herstellung chirurgischer Instrumente sind die deutlich geringeren Produktionskosten.
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Maßgeschneiderte Prothetik im 3D-Druck
Mithilfe des 3D-Drucks im medizinischen Bereich können Prothesen hergestellt werden, die individuell auf den Träger zugeschnitten sind. Es ist üblich, dass Amputierte Wochen oder Monate auf dem traditionellen Weg warten, um eine Prothese zu erhalten. Der 3D-Druck beschleunigt den Prozess jedoch erheblich und führt zu viel günstigeren Produkten, die den Patienten die gleiche Funktionalität bieten wie traditionell hergestellte Prothesen.
Der niedrigere Preis dieser Produkte macht sie besonders für Kinder geeignet, die schnell aus ihren Prothesen herauswachsen.
„Mit dem 3D-Druck können individuell angepasste Prothesen hergestellt werden.“
Mit dem 3D-Druck kann der Patient auch eine Prothese entwerfen, die direkt seinen Bedürfnissen entspricht. Beispielsweise hat Body Labs ein System entwickelt, mit dem Patienten ihre Prothese durch Scannen an ihren eigenen Gliedmaßen modellieren können, um eine natürlichere Passform und ein natürlicheres Erscheinungsbild zu erzielen. Außerdem haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology versucht, komfortablere Prothesenpfannen zu entwickeln.
FAQ – Häufige Fragen
Die Vorlaufzeiten für die Herstellung von Werkzeugen, unabhängig davon, ob sie intern oder extern vergeben werden, können lang und kostspielig sein. Der 3D-Druck im Gesundheitswesen bietet Designern und Ingenieuren die Möglichkeit, Entwürfe schnell zu erstellen und zu iterieren und mit realistischen Prototypen effektiver zu kommunizieren.
Das Erstellen von benutzerdefinierten Teilen und Geräten erfordert eine erhebliche Menge an Details. Wenn der Prozess manuell abgeschlossen wird, besteht die Gefahr menschlicher Fehler und dies kann die Kosten und die Zeit für Projekte verringern. Mithilfe des 3D-Drucks konnten Ärzte jedoch vor dem Drucken mehrere Iterationen durchführen, um potenzielle Fehler zu identifizieren und sicherzustellen, dass das Endprodukt perfekt ist.
Aufgrund der Verwendung einiger in der medizinischen Industrie verwendeter Teile ist die Sterilisierbarkeit eine wichtige Materialeigenschaft. Der 3D-Druck kennt viele Materialien, die stark, leicht und sterilisierbar sind, wobei PEEK und Ultem am besten geeignet sind.