Keine Zukunftsvision: Prothesen aus dem 3D-Drucker

3D-Druck hat nicht viel mit dem heimischen Tintenstrahler zu tun, auch wenn der Begriff das vielleicht nahelegt. Tatsächlich ist das 3D-Drucken, oder genauer, die additive Fertigung, eine hochspezialisierte Präzisionstechnik. Aus digitalen 3D-Modellen lassen sich damit stabile und gleichzeitig sehr leichte Objekte herstellen.

Zur Anwendung kommen dabei verschiedene Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und sogar Metalle – perfekt für den Einsatz in der Endoprothetik! Implantate aus dem 3D-Drucker erfreuen sich sowohl in der Forschung als auch in der Klinik großer Beliebtheit. Immer öfter ermöglichen Ärzte ihren Patienten eine verbesserte Mobilität durch individuell angepasste künstliche Knochen und Gelenke.

Wie funktioniert der 3D-Druck?

3D-Drucker arbeiten nach dem sogenannten additiven Fertigungsverfahren. Die Werkstücke werden Schicht für Schicht von unten nach oben durch das Zufügen von Material aufgebaut. Es unterscheidet sich damit von konventionellen Verfahren, bei denen Werkstücke durch

  • das Abtragen von Material, etwa Fräsen und Bohren
  • Hitzeeinwirkung zur Verformung
  • Guss in vorgefertigte Formen

entstehen.

Um eine größtmögliche Präzision zu ermöglichen, trägt der Drucker beim sogenannten Lasersintern nicht das Material selbst auf. Stattdessen wird zunächst eine dünne Schicht Materialpulver, etwa eine Titanlegierung oder Kunststoff, auf der gesamten Fertigungsplatte abgelagert. Ein starker Laser schmilzt das Pulver nun exakt an den Stellen, die später Bestandteil des Werkstücks sein sollen. Dadurch verfestigt sich das Pulver zu einem stabilen Material. Anschließend wird obenauf eine weitere Pulverschicht aufgetragen und die Umrisse des Objekts gelasert. Diese Schritte wiederholt das Gerät so lange, bis die volle Höhe des Stücks erreicht ist.

Dieses entsteht so, unsichtbar von außen, innerhalb des immer höher geschichteten Pulvers. Erst nach dem Entfernen des überschüssigen Pulvers nach Abschluss der Produktion erscheint das fertige Objekt. Das 3D-Druckverfahren ermöglicht auf diese Weise die Anfertigung sehr filigraner und leichter Werkstücke, die mit konventionellen Methoden nicht herzustellen wären.

Prothese aus dem 3D-Drucker

Warum eignet sich das Verfahren so gut für die Endoprothetik?

Ein Vorteil des 3D-Drucks ist die hohe Präzision. Mithilfe verschiedener Techniken wie der Computertomografie (CT) können heute knöcherne Strukturen innerhalb des Körpers exakt gescannt, vermessen und digital abgebildet werden. Ein medizinischer 3D-Drucker erstellt mithilfe eines Lasers eine genaue Kopie oder passt eine Prothese präzise an den vorhandenen Knochenaufbau an. Dadurch müssen die Chirurgen beim Einsatz der Prothese weniger Knochenmaterial entfernen. Das schont den Patienten und führt zu einer besseren Funktion des künstlichen Gelenks.

Vorteilhaft ist außerdem, dass diese Implantate aus einem Stück bestehen. Es müssen nicht mehrere Teile zusammengesetzt werden, wie das bei konventionellen Verfahren häufig üblich ist. 3D-gedruckte Objekte weisen keine Naht auf und sind daher bruchfester.

Erfolge und Entwicklungen im medizinischen 3D-Druck

Die extrem genauen Anpassungsmöglichkeiten an die vorhandene Knochen- und Gewebesubstanz ermöglichte in der letzten Zeit einige Erfolge. So setzten Spezialisten der HELIOS Klinik Hildesheim Anfang April 2017 einer Patientin einen vollständigen, 3D-gedruckten Beckenknochen ein. Vorige, herkömmliche Hüftprothesen hatten der Frau, deren Hüfte nach der Geburt nicht ausreichend verknöcherte, nicht helfen können. Das exakt auf ihren Knochenbau angepasste Becken aus dem 3D-Drucker ermöglicht ihr nun ein schmerzfreies Bewegen.

Mitte März 2017 stellte eine amerikanische Forscherin ein Wirbelsäulenimplantat vor, dessen Herstellung – zur Anwendung kommt hier ein abweichendes Verfahren – nur wenige Cent kostet. Das kreisförmige Implantat besteht aus einem filigranen, individuell auf die Knochenzelldichte des Patienten angepassten Kunststoffgerüst. Es nimmt Stammzellen des Patienten auf, die sich zu Knochenzellen entwickeln. Nach wenigen Wochen wird das Implantat in die Wirbelsäule eingesetzt. Trotz des filigranen Aufbaus hält das Wirbelsäulenimplantat sehr hohen Belastungen stand.

In der Endoprothetik des Schultergelenks setzen immer mehr Kliniken auf maßgeschneiderte Titanprothesen. Hier ist die Entwicklung bereits weit fortgeschritten, sodass der Prozess von der Einsendung genauer CT-Scans zum Kooperationsunternehmen über die Anfertigung, Rücksendung und Einsatz des Werkstücks standardisiert ist und innerhalb weniger Tage abgewickelt wird.

Günstige Prognosen fürs medizinische 3D-Drucke

Obwohl es noch nicht möglich ist, funktionstüchtige Organe zu drucken, erzielte der 3D-Druck in den letzten Jahren enorme Fortschritte in der Medizintechnik. Durch die erreichte Präzision und Stabilität eignet sich die Technik in besonderem Maße für die Anfertigung von Endoprothesen.

Dementsprechend sehen auch die Prognosen für die Zukunft aus: Mediziner und Forscher erwarten einen großen Anstieg der Nachfrage nach künstlichen Knochen und Gelenken aus dem 3D-Drucker.


von Debora Pape. 08.11.2017