ArchivDÄ-TitelSupplement: PRAXiSPRAXiS 3/20143-D-Druck: Organe und Implantate aus dem Drucker?

Supplement: PRAXiS

3-D-Druck: Organe und Implantate aus dem Drucker?

Dtsch Arztebl 2014; 111(38): [12]

Albrecht, Urs-Vito; Franz, Stefan; Viering, Joerg

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Foto: LayerWise NV
Foto: LayerWise NV

Der Einsatz von 3-D-Druckern in der Medizin ist längst keine Seltenheit mehr. An der Herstellung von Zahnersatz, künstlichen Gelenken und Herzklappen aus dem Drucker wird eifrig geforscht.

Bei der derzeitigen Skepsis gegenüber der Organtransplantation wären maßgeschneiderte Organe aus dem 3-D-Drucker eine herbeigesehnte Alternative, doch ist das bislang noch Science-Fiction. Zwar werden bereits Modelle erforscht, die Knorpel, Knochen, Muskelgewebe und andere Biomaterialien entstehen lassen und komplexe Strukturen wie zum Beispiel ein bionisches Ohr (1) „drucken“, doch ist es noch ein weiter Weg bis zum funktionstüchtigen Organ, das seinem natürlichen Vorbild funktionell entspricht (2). Es gibt allerdings bereits realitätsnahe Anwendungen für 3-D-Drucker, die Plastik, Metalle, Kunstharze und Keramik als Baugrundstoff benutzen und nicht auf Stammzellen, Proteine und Wachstumsfaktoren zurückgreifen.

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Beim klassischen dreidimensionalen Drucken handelt es sich um einen Prozess, bei dem aus digitalen Vorlagen schichtweise die gewünschten Werkstücke hergestellt werden (3). Je nach Verfahren lassen sich unterschiedliche Werkstoffe wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle verwenden, aus denen die dreidimensionalen Formen über genau gesteuerte physikalische oder chemische Schmelz- oder Härtungsprozesse additiv aufgebaut werden.

Abbildung 2: Herzklappengerüst aus dem 3-D-Drucker, links die Aorta, rechts die der Herzkammer zugewendete Seite. Foto: Deutsches Herzzentrum Berlin/Cora Lüders
Abbildung 2: Herzklappengerüst aus dem 3-D-Drucker, links die Aorta, rechts die der Herzkammer zugewendete Seite. Foto: Deutsches Herzzentrum Berlin/Cora Lüders

Anfänglich wurden dreidimensionale Druckverfahren vor allem zur Erstellung von Prototypen und Modellen genutzt, beispielsweise im Maschinenbau sowie in der Flugzeug- und Automobilindustrie (3). Sobald der Prototyp den Erwartungen entsprach, wurde das jeweilige Bauteil mit herkömmlichen Methoden gefertigt. Aufgrund der technischen Fortschritte und gesunkener (Geräte- und Material-)Kosten werden 3-D-Druckverfahren inzwischen auch zur Fertigung individuell angepasster Objekte eingesetzt, da sich je nach Anforderung oder Kundenwunsch schnell Anpassungen vornehmen lassen. So können inzwischen auch komplexe Werkstücke auf diese Weise gefertigt werden.

Der Weg dahin war allerdings lang: Erstmals wurde im Jahr 1981 über ein gedrucktes Volumenmodell berichtet (4); den ersten funktionsfähigen 3-D-Drucker präsentierte Charles Hull, der auch einige für den Bereich des 3-D-Drucks relevante Patente hält, im Jahr 1984 (5). Erst in letzter Zeit haben die entsprechenden Techniken einen Stand erreicht, der sie sowohl erschwinglich als auch für vielfältige Einsatzbereiche praktikabel macht.

Einsatzmöglichkeiten in der Medizin

Es sind mehrere Aspekte, die den 3-D-Druck auch für das Gesundheitswesen interessant machen. Vor allem handelt es sich um ein verhältnismäßig kostengünstiges, gut verfügbares, schnelles Verfahren, das viel Raum für Kreativität, Experimente und Innovationen gibt. Die Technologie entwickelt sich rasant, die Bedienbarkeit von Software und Geräten wird immer komfortabler, und das Angebot an Druckern und Verbrauchsmaterialien wächst. Experimentierfreudige medizinische Institute können sich ohne großes finanzielles Risiko 3-D-Drucker leisten und ihre Ideen unkompliziert umsetzen.

3-D-Druckverfahren werden in vielen Bereichen der Medizin erforscht oder bereits eingesetzt (Abbildung 1, 2). Ein Beispiel ist etwa die erfolgreiche Schienung einer Tracheobronchomalazie eines 20-monatigen Kleinkindes, das im Februar 2009 an der University of Michigan mit einer bioresorbierbaren Schiene versorgt wurde. Das Produkt wurde anhand von Computertomographie(CT)-Aufnahmen entwickelt, die als Modellgrundlage zur Anpassung der Schiene am Computer dienten, und mit einem 3-D-Drucker hergestellt (6). Die Operation verlief problemlos, und nach 21 Tagen konnte das Kind ohne künstliche Beatmung entlassen werden.

Auch die prothetische Versorgung nach Amputationen ist ein Einsatzgebiet, das in letzter Zeit wiederholt ins Blickfeld geriet: Die Universität Toronto in Kanada etwa arbeitet zusammen mit der Wohltätigkeitsorganisation Christian Blind Mission Canada an einfachen Methoden zur Erstellung individualisierter Prothesenansätze für beinamputierte Menschen in Uganda und ermöglicht somit eine breite Gesundheitsversorgung, die ohne diese Technologie allein aus finanziellen Gründen nicht möglich wäre.

Beispielhaft sei auch die Versorgung mit einfachen, aber gut einsetzbaren und vor allem kostengünstigen 3-D-gedruckten Handprothesen mit Greiffunktion genannt. Hierbei gibt es unterschiedliche Ansätze, zum Beispiel rein mechanische Prothesen (www.robohand.net), aber auch solche mit anspruchsvolleren Steuerungsmechanismen (www.openhandproject.org). Teilweise werden hier sogar die Baupläne veröffentlicht, um einen einfachen Nachbau der Prothesen zu ermöglichen.

Abbildung 3: Technische Grundausstattung für einen 3-D-Druck nach dem Schmelzschicht-Verfahren: In der Mitte der Drucker, der nach der Objektmodellierung am Computer mittels CAD-Software das Werkstück aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (grüne Rolle) durch schichtweises Auftragen von geschmolzenem Kunststoff aufbaut. Foto: Medizinische Hochschule Hannover
Abbildung 3: Technische Grundausstattung für einen 3-D-Druck nach dem Schmelzschicht-Verfahren: In der Mitte der Drucker, der nach der Objektmodellierung am Computer mittels CAD-Software das Werkstück aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (grüne Rolle) durch schichtweises Auftragen von geschmolzenem Kunststoff aufbaut. Foto: Medizinische Hochschule Hannover

Unterstützt durch bildgebende Verfahren lässt sich der 3-D-Druck aber auch in anderen Bereichen gewinnbringend nutzen, wenn eine Anpassung an die spezielle Anatomie des jeweiligen Patienten nötig ist. Das fängt bei individuell angepassten Implantaten an (6, 7) und reicht bis hin zu Modellen, an denen bei schwierigen Befunden ein Eingriff vorab geplant oder trainiert werden kann (811). Auch der Einsatz für den Druck chirurgischer Instrumente wurde bereits untersucht (12, 13).

Je nach Anwendungszweck stehen unterschiedliche Varianten des 3-D-Drucks zur Verfügung. Welches Verfahren idealerweise eingesetzt wird, hängt unter anderem von der Größe des geplanten Produkts, der zur Verwendung vorgesehenen Materialien, der Gestaltung des Produkts und dessen Einsatzbereich ab, ebenso von den Anschaffungskosten des Druckers. Das Angebot an 3-D-Druckern wächst täglich (14). Webseiten wie www.fabbaloo.com/3d-resources oder www.3ders.org/pricecompare/3dprinters geben einen Eindruck von der Vielzahl vorhandener Systeme.

Im privaten Bereich sind beispielsweise die Schmelzschichtung und die Stereolithografie weit verbreitet. Die technische Grundausstattung für experimentelle Schmelzschichtung, wie sie an der Medizinischen Hochschule Hannover getestet wird, ist in Abbildung 3 dargestellt. Bei dem Verfahren wird schmelzbarer Kunststoff mit einer heizbaren Düse formbar gemacht und über einen beweglichen Kopf auf eine Arbeitsfläche aufgetragen. Beim Abkühlen des Materials erhärtet sich dieses wieder, worauf die nächste Schicht auf das bereits gedruckte Material aufgetragen wird. Schicht für Schicht entsteht so das 3-D-Objekt. Die marktführenden Kunststoffe für diese Form des 3-D-Drucks sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polylactid (PLA). Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Kunststoffen besteht in der besseren Hitzebeständigkeit von ABS. PLA ist sehr verbreitet, da es unter anderem etwas leichter zu verarbeiten ist.

Bei der Stereolithografie wird das gewünschte Objekt aus einem speziellen, flüssigen Kunststoff erzeugt. Dies geschieht, indem eine geeignete Lichtquelle, etwa ein Laser, Schicht für Schicht die Form des Modells in das flüssige Material „zeichnet“. Der Laser härtet den lichtempfindlichen Kunststoff dabei aus und lässt so das Modell entstehen.

3-D-Pulverdruck, selektives Lasersintern

Eher im (semi-)professionellen Bereich finden sich teurere Verfahren, wie der 3-D-Pulverdruck (3DP) und das Lasersintern (SLS). Während beim 3DP pulverartige Materialien gemeinsam mit einem Bindemittel aufgetragen werden, die nach Aushärtung mit einer weiteren Schicht dieses Gemisches zum Aufbau des Werkstücks genutzt werden, wird beim Lasersintern das Pulvermaterial durch einen Laser erhitzt und so benachbarte Partikel verbunden. Auch bei diesem Verfahren wird das Modell schichtweise aufgebaut. Die verbundenen Partikel bilden letztendlich das gewünschte Objekt. Lasersinterverfahren werden im industriellen Bereich bevorzugt, da sie verschiedene Materialien wie Metalle, Kunststoffe oder Keramik verarbeiten können.

3-D-Modelle als Druckvorlage

Um kleine Stückzahlen oder mit wenig technischem Aufwand zu produzieren, ist es möglich, statt einen eigenen Drucker anzuschaffen, auch Dienstleister mit dem Druck zu beauftragen. Solche Dienstleister, siehe zum Beispiel unter www.shapeways.com, bieten den Druck eines beliebigen 3-D-Modells in einer Auswahl an verschiedenen Farben und Materialien an.

Für den Einsatz von 3-D-Druckern, etwa zur Produktion von Gegenständen, sind neben den technischen Aspekten des Druckvorgangs auch die Planung des gewünschten Produkts und die Erstellung der Druckvorlage wesentlich. Bevor gedruckt werden kann, muss das gewünschte Objekt als digitales Modell vorliegen. Je nach Versiertheit des Nutzers ergeben sich hier mehrere Möglichkeiten.

Abbildung 4: Der 3-D-Drucker an der SRH-Hochschule Heidelberg produziert eine Beinprothese. So lässt sich etwa das rechte Bein einscannen, spiegeln und anschließend als Prothese für das linke Bein ausdrucken. Foto: SRH Hochschule Heidelberg
Abbildung 4: Der 3-D-Drucker an der SRH-Hochschule Heidelberg produziert eine Beinprothese. So lässt sich etwa das rechte Bein einscannen, spiegeln und anschließend als Prothese für das linke Bein ausdrucken. Foto: SRH Hochschule Heidelberg

Der Nutzer kann die gewünschten 3-D-Modelle mit professioneller CAD-Software (wie Solid Edge, AutoCAD) selbst modellieren. Klassische Modellierungssoftware für dreidimensionale Modelle ist komplex in der Bedienung und kann nur nach aufwendiger Einarbeitung effektiv benutzt werden. Neben kostenpflichtigen Lösungen gibt es auch einige kostenfreie Varianten solcher Software wie Autodesk 123D (www.123dapp.com) oder SketchUp (www.sketchup.com), die speziell für Einsteiger in der Modellierung auch vereinfachte Bedienkonzepte unterstützen. Webbasierte Anwendungen bieten inzwischen die Möglichkeit, einfache 3-D-Modelle per Drag and Drop zusammenzustellen, siehe zum Beispiel https://tinkercad.com oder http://shapesmith.net.

Für einen klar definierten Anwendungsfall kann auch Spezialsoftware die Modellierung von 3-D-Objekten übernehmen. Im klinischen Bereich können etwa bereits vorhandene Bilddaten, wie CT-Aufnahmen, genutzt werden, um die Maße eines Patienten zu erfassen und ein dazu passendes 3-D-Objekt zu generieren (7, 15). Stehen keine Bilddaten zur Verfügung, können die körperlichen Merkmale eines Menschen auch mit einem 3-D-Scanner aufgenommen werden, um dann auf dieser Basis ein passendes 3-D-Modell zu erstellen (Abbildung 4)

Plattformen mit fertig konstruierten Modellen

Da diese beiden Lösungen mit viel Zeit und Aufwand verbunden sind, entstehen immer mehr Plattformen, auf denen fertig konstruierte Modelle, wie aus einem Katalog, zur Auswahl bereitstehen. Diese Modelle können dann, je nach Lizenz, gratis oder kostenpflichtig heruntergeladen und ausgedruckt werden. Ein Beispiel solcher Kataloge ist www.thingiverse.com, die nach eigenen Angaben größte Plattform zum Teilen von 3-D-Modellen. Auch der schon erwähnte Dienstleister www.shapeways.com verfügt über eine Datenbank, die verschiedene Vorlagen von Schmuck bis zu Wohnaccessoires beinhaltet.

Solche Plattformen fördern den Erfolg von 3-D-Druck im privaten Bereich maßgeblich, da einmal aufwendig erschaffene Modelle einfach wiederverwendet werden können. Einsteiger können so Modelle drucken, die sie mit eigenen Fähigkeiten kaum hätten modellieren können, aber auch professionelle Anwender sparen dadurch viel Zeit. Auch Pläne für Gesundheitsprodukte, wie Schienen oder portable Rampen für Rollstuhlfahrer, sind dort bereits zu finden.

Wir stehen am Beginn eines neuen technischen Evolutionsschritts, der zur Liberalisierung der Produktherstellung führt: Nun sind es nicht mehr nur die großen Firmen, die in der Lage sind, industrieähnliche Produkte in Serie herzustellen. Vielmehr ist es quasi jedem Interessierten möglich, Ideengeber, Entwickler, Produzent, Vertreiber und Nutzer in Personalunion zu sein. Das Vorhalten schwerer und teurer Maschinen ist nicht mehr Bedingung für eine Fertigung. Diese Situation ist bereits Realität – auch im Gesundheitsbereich.

Der Einfluss der Technologie ist bereits zu spüren: Patienten, Organisationen und Institutionen werden Hersteller von Prothesen und anderen Medizinprodukten. Die hiermit verbundenen Verantwortlichkeiten, die mit der Produktion und dem Produkt zusammengehen, sind sicherlich noch nicht in aller Bewusstsein.

Mit dem 3-D-Druck im Gesundheitskontext ergeben sich Fragen, die neben Qualitäts- und Sicherheitsaspekten auch ethische, rechtliche und ökonomische Aspekte berühren, die im jeweiligen Kontext zum Hersteller und Land gesehen und beantwortet werden müssen, um die neue Technologie effizient, gerecht und sicher einzusetzen.

Dr. med. Urs-Vito Albrecht, MPH, Stefan Franz, M. Sc.,
Peter L. Reichertz Institut für Medizinische Informatik der TU Braunschweig und der Medizinischen Hochschule Hannover

Dipl. Ing. Joerg Viering,
Medizinische Hochschule Hannover,
Zentrale Forschungswerkstätten

Anschrift für die Verfasser:
Dr. med. Urs-Vito Albrecht, MPH, PLRI MedAppLab,
Peter L. Reichertz Institut für Medizinische Informatik der TU Braunschweig und der Medizinischen Hochschule Hannover, Medizinische Hochschule Hannover, 30625 Hannover,
albrecht.urs-vito@mh-hannover.de

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4. Kodama H: Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer. Rev Sci Instrum 1981 Nov 1;52(11): 1770–3.
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