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Additive Fertigung

5 additive Anwendungsfelder in der Medizintechnik

| Redakteur: Julia Engelke

Additive Fertigung erschließt sich immer neue Anwendungsfelder in der Medizintechnik. Die zunehmende Verbreitung ist kein Zufall, sondern auf vier Vorteile additiver Verfahren zurückzuführen. Wir haben vier spannende Projekte gesammelt, die diese illustrieren. Und zum Schluss eine Branche, in der additive Fertigung schon etabliert ist.

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Tilly Lockey trägt eine 3D-gedruckte Prothese.
Tilly Lockey trägt eine 3D-gedruckte Prothese.
( Bild: OpenBionics )
  • Gestaltungsfreiheit, Individualisierung, Kostenersparnis und Geschwindigkeit sind Vorteile von additiven Fertigungsverfahren
  • 3D-Druck-Projekte: von bionischen Prothesen bis hin zu hyperelastischen Knochen
  • 3D-Druck-Technologien in der Zahntechnik längst etabliert

Additive Fertigungs- und Konstruktionsverfahren haben für medizinische Anwendungen bedeutende Vorteile, die mit herkömmlichen Verfahren nicht denkbar wären:

Gestaltungsfreiheit: Mit additiven Verfahren können nahezu unendlich komplexe Geometrien gefertigt werden. Viele Restriktionen der klassischen Fertigung werden aufgehoben.

Individualisierung: Additive Fertigungsverfahren machen Schluss mit Einheitsprodukten. Patientenspezifische Lösungen oder individuell nach den Wünschen von Chirurgen hergestellte Instrumente sind realisierbar.

Kostenersparnis: Schnellere Produktionszeiten, kürzere Prozessketten und ein geringerer Materialverbrauch bei additiven Fertigungsverfahren verringern in der Regel spürbar Kosten. Hinzu kommt, dass keine Werkzeuge zur Zerspanung erforderlich sind.

Geschwindigkeit: Eine Vielzahl von Prozessschritten klassischer Fertigungsverfahren, die nicht selten Tage oder Wochen in Anspruch nehmen, werden schlichtweg nicht mehr benötigt. Auch kurzfristige Korrekturen sind schnell möglich.

Aber, in welchem Umfang die Anwender von diesen Vorteilen jeweils profitieren können, hängt vom Know-how, der Prozesskette, der eigentlichen Anwendung und den Bedürfnissen ab.

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1. Bionische Prothesen

Raimi Davis mit seinem Hero Arm im Iron-Man-Look.
Raimi Davis mit seinem Hero Arm im Iron-Man-Look.
( Bild: OpenBionics )

Die Prothese von Raimi Davis sieht aus, als würde sie direkt von Iron Man kommen, tatsächlich hat er sie aber über das öffentliche Gesundheitssystem von Großbritannien erhalten. Das englische Startup OpenBionics hat es sich zur Mission gemacht, erschwingliche 3D-gedruckte Prothesen herzustellen. Außerdem sollen die bionischen Arme optisch überzeugen - passenderweise heißen sie Hero Arm. Die Prothesen sollen zukünftig bis zu 30-mal günstiger sein als herkömmliche Produkte. Für die Steuerung setzt OpenBionics detailreiche Sensoren ein, die direkt an der Hand befestigt sind. Diese Sensoren reagieren auf kleinste Muskelbewegungen und koordinieren so Hand und Finger.

Die Leichtbaumethode von Open Bionics verwendet 3D-Druck, um die Hand der Prothese in vier separaten Teilen zu erstellen, welche individuell auf den Patienten zugeschnitten sind. Möglich wird das durch 3D-Körperscans.

2. Operationsunterstützung bei komplexer Knochenkrankheit

Rachel Uwimana kann nach erfolgreichen Operationen wieder lachen.
Rachel Uwimana kann nach erfolgreichen Operationen wieder lachen.
( Bild: 3D Systems )

Die Hoffnung ist jetzt sichtbar im Gesicht von Rachel Uwimana, einer 15-jährigen Ruanderin, die an faseriger Dysplasie litt - einer Knochenerkrankung, bei der sich anstelle des normalen Knochens narbenartiges Gewebe entwickelt. Durch die Krankheit wurde der Orbitalknochen um ihr linkes Auge stark entstellt.

Um Rachel zu helfen, waren zwei komplexe Operationen nötig. Ziel war es, ein passgenaues Implantat in die beschädigten Schädelbereiche einzusetzen. Bei beiden Eingriffen setzte das Team um Dr. Ric Bonnell auf Simulationstechnik und Spezialwerkzeuge von 3D-Systems.

Die Operationen wurden mit 3D-Software virtuell geplant und simuliert. Dieses Vorgehen hat es den Ärzten ermöglicht, verschiedene Ansätze auszuprobieren, bevor sie sich auf den endgültigen Plan festlegen mussten. Außerdem wurde ein 3D-gedrucktes Modell mit Stereolithografie angefertigt, das den Schädel nach Entfernung der Fremdknochen zeigt.

Virtuelle Pläne und ein anatomisches Modell, die zur Oparationsvorbereitung genutzt wurden.
Virtuelle Pläne und ein anatomisches Modell, die zur Oparationsvorbereitung genutzt wurden.
( Bild: 3D Systems )

Bei der eigentliche Operation wurden 3D-gedruckte Positionierungshilfen für Knochenschnitte und für die Platzierung des Implantats verwendet. Da das Implantat direkt an den beweglichen Unterkieferknochen angedockt wurde, war hier absolute Präzision notwendig. Sowohl bei der virtuellen Operationsvorbereitung als auch bei den Positionierungshilfen war die enorme Gestaltungsfreiheit der 3D-Technologien ein entscheidender Faktor für den Erfolg der Behandlung.

3. Maßgeschneiderte Herzklappen aus Silikon

Forscher der ETH Zürich und der südafrikanischen Firma SAT entwickelten eine künstliche maßgeschneiderte Herzklappe aus 3D-gedrucktem Silikon. Dies könnte helfen, den steigenden Bedarf einer alternden Gesellschaft für Ersatz-Herzklappen zu decken.

Unser Herz besteht aus mehreren Kammern und Vorhöfen und jede davon ist mit einer Herzklappe ausgestattet. Diese wirken wie Ventile und sorgen dafür, dass Blut nur in eine Richtung fließt. Sind Herzklappen undicht, verengt, erweitert oder gar eingerissen, läuft das Blut aber in die Kammern oder in die Vorhöfe des Herzens zurück. Dadurch wird das Organ stark belastet. Im schlimmsten Fall kommt es zu Herzrhythmusstörungen oder Herzversagen.

Abhilfe schaffen, je nach Schwere des Klappenfehlers, künstliche Herzklappen. Rund 850.000 Menschen weltweit werden im Jahr 2050 künstliche Herzklappen benötigen. Das neue Vorgehen hat mehrere Vorteile: Die Silikon-Herzklappe ist maßgeschneidert, weil die Forscher zuerst die individuelle Form und Größe der undichten Herzklappe mittels Computertomographie oder Magnetresonanztomografie bestimmen. Dadurch lässt sich eine Herzklappe drucken, die exakt auf einen Patienten passt. Auch ist das Material für den Körper verträglich und der Blutfluss durch die Silikonherzklappe ist genauso gut wie bei herkömmlichen Ersatzklappen. Um eine derartige Klappe mit einem 3D-Drucker herzustellen, benötigen die Materialforscher nur rund eineinhalb Stunden. Eine künstliche Herzklappe in Handarbeit zu erzeugen dauert hingegen einige Arbeitstage.

4. Hyperelastische Knochen

Mehrere Wirbel aus hyperelastichen Knochen
Mehrere Wirbel aus hyperelastichen Knochen
( Bild: Dimension Inx LLC )

Hyperelastische Knochen können einen großen Fortschritt in der Behandlung von Knochendefekten bedeuten. Das synthetische Biomaterial HB besteht zu 90 Prozent aus Hydroxylapatit, dem gleichen Mineral wie im menschlichen Knochen. Dadurch sind die von Dimension Inx entwickelten Knochen flexibel, elastisch und gleichzeitig äußerst stabil. Diese Eigenschaften machen hyperelastische Knochen sehr vielseitig. Zum Beispiel können sie gepresst oder sogar gefaltet werden, um an schwer zugängliche Positionen gebracht zu werden. Sind die neuen Knochen einmal in Position, sollen sie ihre ursprüngliche Form und Größe annehmen.

Der Hersteller gibt an, dass sich die Ersatzknochen aufgrund ihrer Porosität in das umgebende Gewebe einfügen und sich mit der Zeit in natürliche Knochen verwandeln, ohne das Zutun von Stammzellen oder Medikamenten. Durch vorherige CT Scans können die hyperelastischen Knochen individuell an den Patienten angepasst und binnen kurzer Zeit gefertigt werden. Die neuartigen Knochen haben bei der 3D Pionneers Challenge 2019 in der Kategorie Material gewonnen.

In bisherigen Studien sorgten die hyperelastischen Knochen für eine gute Knochenregeneration. Bei CT-Scans waren die gedruckten Knochen nach acht Wochen zu etwa 74 Prozent und nach zwölf Wochen zu 65 Prozent besser eingewachsen als herkömmliche Implantate. Vor einer möglichen Markteinführung muss das Potenzial für die Knochenregeneration noch mit weiteren experimentellen sowie klinischen Studien unter Beweis gestellt werden.

5. Zahnersatz aus dem 3D-Drucker

In der Dentalmedizin ist Additive Fertigung schon länger etabliert.
In der Dentalmedizin ist Additive Fertigung schon länger etabliert.
( Bild: Trumpf )

Kaum eine Industrie integriert 3D-Druck-Technologien so nahtlos und effektiv wie der zahnmedizinische und der zahntechnische Bereich. Im Jahr 2017 wurden etwa zehn Millionen Brücken, Kronen und Zahnteile additiv hergestellt. Gegenüber bisherigen Verfahren (z.B. Fräsen oder Gießen) bietet der 3D-Druck viele Vorteile. Einer der wichtigsten: Er spart Platz. So kann auf engstem Raum genau die Geometrie aufgebaut werden, die der Patient benötigt. Außerdem produzieren herkömmliche Verfahren bis zu 50 Prozent Ausschuss. Ein 3D-Drucker verwendet in der Regel nur so viel Pulver, wie es das Bauteil erfordert. Überschüssiges Pulver kann der Zahntechniker am Ende des Druckvorgangs wiederverwenden. Das spart Geld und schont die Umwelt.

Hinzukommt, dass der 3D-Druck zeitsparender ist. Ein Zahntechniker schafft es, in drei Stunden etwa sechs Zahneinheiten herzustellen. Im gleichen Zeitraum kann ein 3D-Drucker bis zu 70 Teile fertigen. Die genaue Menge ist von den Eigenschaften des Druckers (Bauraum, Verfahren, usw.) abhängig. Nicht nur für die Fertigung bringt der 3D-Druck Vorteile, auch die Vorarbeit geht schneller. Anstelle der Gipsmodelle können Zahntechniker mit digitalen Datensätzen arbeiten. Hierfür muss der Zahnarzt das Gebiss des Patienten mit einem sogenannten Intra-Oral-Scanner erfassen. Die Anfertigung von digitalen Modellen geht in der Regel deutlich schneller und kostet weniger als traditionelle Gipsmodelle.

Obwohl der 3D-Druck für die Zahntechnik viele Vorteile bringt, trifft er auf Widerstände. Viele Dentallabore befürchten, dass ihre Arbeit überflüssig wird. Dabei belegen Zahlen aus der Praxis das Gegenteil. Etwa 20 Prozent der französischen Dentallabore verwenden 3D-Drucker, diese verzeichneten seitdem eine erstaunliche Umsatzsteigerung von 70 Prozent. Ein 2018 veröffentlichter Bericht von Smar-Tech-Publishing prophezeit der additiven Dentalmedizin sogar ein jährliches Wachstum von 35 Prozent auf 9,5 Mrd. Dollar bis zum Jahr 2027.

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Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Schwesterportal Mission Additive.

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