Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, wurde erstmals in den 1980er Jahren entwickelt. Dabei wird ein digitales Modell oder eine Blaupause eines Objekts erstellt, das dann in aufeinanderfolgenden Schichten aus einem geeigneten Material gedruckt wird, um eine neue Version des Objekts zu erstellen.
Das Verfahren wurde in vielen verschiedenen Branchen, darunter auch in der Medizintechnik, angewandt (und genutzt). Häufig werden medizinische Bildgebungsverfahren wie Röntgenaufnahmen, Computertomografie (CT), Magnetresonanztomografie (MRT) und Ultraschall verwendet, um das digitale Originalmodell zu erstellen, das anschließend in den 3D-Drucker eingespeist wird.
Es wird prognostiziert, dass der 3D-Druck im medizinischen Bereich bis 2025 einen Wert von 3,5 Mrd. USD haben wird, verglichen mit 713,3 Mio. USD im Jahr 2016. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der Branche soll zwischen 2017 und 2025 17,7 % erreichen.
Es gibt vier Kernanwendungen des 3D-Drucks im medizinischen Bereich, die mit den jüngsten Innovationen in Verbindung gebracht werden: die Herstellung von Geweben und Organoiden, chirurgische Werkzeuge, patientenspezifische chirurgische Modelle und maßgeschneiderte Prothesen.
Bioprinting von Geweben und Organoiden
Eine der vielen Arten des 3D-Drucks, die im Bereich der Medizintechnik eingesetzt werden, ist das Bioprinting. Anstatt mit Kunststoff oder Metall zu drucken, verwenden Bioprinter eine computergesteuerte Pipette, um lebende Zellen, die so genannte Biotinte, übereinander zu schichten und so im Labor künstliches lebendes Gewebe zu erzeugen.
Diese Gewebekonstrukte oder Organoide können für die medizinische Forschung verwendet werden, da sie Organe im Miniaturformat nachahmen. Sie werden auch als kostengünstigere 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 Entwicklung von Medikamenten für bestimmte Krankheiten zu unterstützen. Im Mai 2018 präsentierte das Unternehmen präklinische Daten zur Funktionalität seines Lebergewebes in einem Programm für Typ-1-Tyrosinämie, einer Erkrankung, bei der die Fähigkeit des Körpers, die Aminosäure Tyrosin zu verstoffwechseln, aufgrund des Mangels eines Enzyms beeinträchtigt ist.
Das Wake Forest Institute in North Carolina, USA, verfolgte einen ähnlichen Ansatz, indem es ein 3D-Gehirnorganoid mit potenziellen Anwendungen in der Arzneimittelentwicklung und Krankheitsmodellierung entwickelte. Die Universität gab im Mai 2018 bekannt, dass ihre Organoide über eine vollständig zellbasierte, funktionale Blut-Hirn-Schranke verfügen, die die normale menschliche Anatomie nachahmt. Sie hat auch an 3D-Drucken von Hauttransplantaten gearbeitet, die direkt bei Verbrennungsopfern eingesetzt werden können.
Operationsvorbereitung durch Verwendung von 3D-gedruckten Modellen
Eine weitere Anwendung des 3D-Druckens im medizinischen Bereich ist die Erstellung patientenspezifischer Organnachbildungen, an denen Chirurgen vor komplizierten Operationen üben können. Diese Technik beschleunigt nachweislich die Verfahren und minimiert das Trauma für die Patienten.
Diese Art von Verfahren wurde erfolgreich bei Operationen durchgeführt, die von einer vollständigen Gesichtstransplantation bis hin zu Wirbelsäuleneingriffen reichen, und wird allmählich zur Routinepraxis.
In Dubai, wo Krankenhäuser den 3D-Druck großzügig einsetzen dürfen, haben Ärzte erfolgreich eine Patientin operiert, die ein zerebrales Aneurysma in vier Venen erlitten hatte, und dabei ein 3D-gedrucktes Modell ihrer Arterien verwendet, um herauszufinden, wie die Blutgefäße sicher navigiert werden können.
Im Januar 2018 haben Chirurgen in Belfast erfolgreich für eine Nierentransplantation bei einer 22-jährigen Frau geübt, indem sie ein 3D-gedrucktes Modell der Niere ihres Spenders verwendeten. 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 entdeckt wurde. Anhand der 3D-gedruckten Nachbildung seiner Niere konnten die Chirurgen die Größe und Lage des Tumors und der Zyste beurteilen.
3D-Drucken von chirurgischen Instrumenten
Sterile chirurgische Instrumente wie Pinzetten, Hämostaten, Skalpellgriffe und Klemmen können mit 3D-Druckern hergestellt werden.
Mit dem 3D-Drucken lassen sich nicht nur sterile Werkzeuge herstellen, einige basieren auch auf der alten japanischen Technik des Origami, was bedeutet, dass sie präzise sind und sehr klein gemacht werden können. Mit diesen Instrumenten können winzige Bereiche operiert werden, ohne dass dem Patienten unnötigerweise zusätzlicher Schaden zugefügt wird.
Einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren für chirurgische Instrumente sind die deutlich niedrigeren Produktionskosten.
Maßgefertigte Prothesen im 3D-Druck
Im medizinischen Bereich kann der 3D-Druck zur Herstellung von Gliedmaßenprothesen verwendet werden, die individuell an den Träger angepasst sind. Amputierte müssen oft wochen- oder monatelang warten, bis sie auf herkömmlichem Wege Prothesen erhalten. Mit dem 3D-Druck lässt sich der Prozess jedoch erheblich beschleunigen, und es entstehen wesentlich kostengünstigere Produkte, die den Patienten die gleiche Funktionalität bieten wie herkömmlich hergestellte Prothesen.
Der niedrigere Preis dieser Produkte macht sie besonders geeignet für Kinder, die schnell aus ihren Prothesen herauswachsen.
Der 3D-Druck ermöglicht es dem Patienten auch, eine Prothese zu entwerfen, die direkt seinen Bedürfnissen entspricht. Body Labs hat zum Beispiel ein System entwickelt, mit dem Patienten ihre Prothese durch Scannen auf ihre eigenen Gliedmaßen modellieren können, um eine natürlichere Passform und ein natürlicheres Aussehen zu erreichen. Außerdem haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology versucht, bequemere Prothesenschäfte zu entwerfen.