3D-Druck in der Medizin und Zahntechnik optimal nutzen

Ana Carolina Rocha | 27.09.2016 | 7 min read

Wie Sie mit einer Kombination aus bewährten und neuartigen Technologien die Qualität von Sanitätsartikeln erhöhen und Kosten sparen können.

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Bildquelle: ytimg

Die Kosten des Gesundheitswesens sind ein ernsthaftes gesellschaftliches Problem, vor allem in Ländern mit alternder Bevölkerung. Einer der größten Kostenfaktoren in der Medizin und Zahnmedizin sind in Kleinserie hergestellte, individuell auf die Körpermaße von Patienten abgestimmte Artikel. Da diese meist nur einmalig benötigt werden, sind die Produktionskosten entsprechend hoch. Durch die Einführung neuer Technologien wie 3D-Scannen und 3D-Druck lassen sich diese Kosten deutlich verringern. Je mehr Firmen mit diesen Technologien experimentieren, desto breitere Anwendung finden sie und desto mehr Arbeitsabläufe und Werkzeuge werden verfügbar, um diese innovative Technik in die exisitierende fachliche Praxis einfließen zu lassen, mit dem Ergebnis, dass sich Nutzen und Qualität von Sanitätsartikeln erhöhen – bei geringeren Kosten. 

Ein grundlegender Vorteil des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, Daten aus traditionellen Scan-Verfahren wie MRT oder Ultraschall zu nutzen.

In den letzten Jahren haben sich Bildqualität und Genauigkeit dieser Verfahren deutlich verbessert. Wir haben jetzt ein viel genaueres Bild der individuellen Anatomie von Patienten. Jedoch liefert keins dieser Verfahren dem Facharzt ein physisches dreidimensionales Modell.

3D-Druck ist das fehlende Glied in der Kette. Durch geschickte Nutzung existierender Technologien ist es möglich, ohne chirurgische Eingriffe und mit nur minimalem Mehraufwand dreidimensionale Modelle zu erstellen. Die Nutzung von 3D-Druck im Gesundheitswesen erstreckt sich inzwischen auf viele verschiedene Bereiche der medizinischen Praxis.

Wie funktioniert es?

Stellen Sie sich vor, Sie könnten das Gehirn oder Herz eines Patienten in die Hand nehmen und untersuchen. Tumore, Erbkrankheiten und Verletzungen ließen sich im Wortsinn begreifen, bevor eine Operation angesetzt wird.

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Bildquelle: Resin heart, held by Stanford cardiologist Dr. Paul Wang

Aus den Bilddaten, die Verfahren wie Magnetresonanztomografie oder Ultraschall liefern, werden 3D-Modelle erstellt. Da die Technologie auf existierende Arbeitsabläufe zurückgreift, wird sie von vielen Institutionen schnell angenommen. Es können druckbare Modelle mit realistischer Farbgebung, Oberfläche und Konsistenz erzeugt werden. Mit der zunehmenden Verbreitung von Online-Anbietern, darunter solchen, die sich auf medizinische Anwendungen spezialisiert haben, fällt auch die Notwendigkeit weg, einen 3D-Drucker zu beschaffen. Die Modelle dienen dann als Orientierung für Patientengespräche über notwendige Behandlungen oder als präoperative Referenz für Chirurgen, um die Genauigkeit des Eingriffs zu erhöhen. Nach einer von der Stiftungsprofessur für Leberkrankheiten der Mikati-Stiftung  geförderten Studie mit dem Titel „Dreidimensionales Modell einer Leber zur präoperativen Planung von Lebertransplantationen bei lebendem Spender“ (Nizar N. Zein 2013, Onlinelibrary  ist

“der 3D-Druck von Organen […] ein wertvolles Hilfsmittel, um die räumliche Wechselbeziehung zwischen Gefäß- und Gallenanatomie zu begreifen und letztlich Operationen zu erleichtern und operative Komplikationen zu minimieren. Mit einem direkten vergleichenden Prüfverfahren wurde gezeigt, dass diese Modelle sehr genau sind. Die mittleren Abmessungsfehler liegen unter 4 mm für das gesamte Modell und bei weniger als 1,3 mm für Gefäßdurchmesser.“

Materialien

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Bildquelle: 3ders Bioprinters

Eine der nächsten großen Herausforderungen im medizinischen 3D-Druck wird die Herstellung von Implantaten sein. Obwohl in der additiven Fertigung eine Vielzahl von Materialien verwendet wird, ist die Auswahl für medizinische Anwendungen streng reglementiert. Es gibt etliche Firmen, die Metalle, Plastik, Keramik und andere biologisch verträgliche Materialien für verschiedene Aufgabenstellungen entwickeln. Während für niedrig-invasive Eingriffe in der Zahnmedizin und Prothetik regelmäßig Plastik und keramische Materialien verwendet werden, kommt für Knie- und Gelenkprothesen meist eine Kombination aus Plastik und Metall zum Einsatz.

In einem kürzlich von 3D Printing Industry veröffentlichten Bericht zur Hybridpolymerforschung zeigen Lucas Albrecht, Stephen Sawyer und Pranav Soman von der New Yorker  Syracuse University, wie Materialien wie PLA, PCL, PCL+HA und PCL+PLA für den Druck von Gerüsten zur Zellzüchtung und die Herstellung künstlichen Gewebes genutzt werden können.

Für andere Implantate sind inzwischen Titan, Silikon und Apatit sowie weitere biologisch verträgliche Materialien zur Nutzung im menschlichen Gewebe etabliert. Mit zunehmender Einführung des professionellen 3D-Drucks für medizinische Anwendungen werden 3D-Implantate immer preisgünstiger und häufiger in der Medizin anzutreffen sein.

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Bildquelle: Notcot Shapeways Materials

Was 3D-Druck in der ästhetischen Chirurgie bewirken kann

Ästhetik spielt in unserer Gesellschaft eine wichtige Rolle. Mit Hilfe des 3D-Drucks können individuell auf die Anatomie eines Patienten abgestimmte Körperteile wie Arm- und Beinprothesen relativ preisgünstig hergestellt werden. Jüngeren Menschen, besonders Kindern mit körperlichen Behinderungen, können personalisierte 3D-Lösungen helfen, sich weniger ausgeschlossen zu fühlen und in der Schule weniger Zurückweisung oder Hänseleien aufgrund ihrer Andersartigkeit zu erfahren.


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Aber auch Erwachsene sind nicht frei von sozialem Druck und können ebenso von den ästhetischen Möglichkeiten des 3D-Drucks profitieren. Shirley Anderson verlor 2012 seinen Kiefer als Folge einer Krebsbehandlung.


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Bildquelle: aolcdn Indiana University. Foto von Abigail Watson.

Mit Hilfe eines Kleinformat-3D-Druckers erzeugte Dr. Bellicchi ein genaues, auf Andersons Gesicht und Hautfarbe abgestimmtes Abbild des Kiefers und war so in der Lage, eine deutlich realistischere und leichter applizierbare Gesichtsprothese anzufertigen.

“Dieses digital modellierte Implantat ist nicht nur wesentlich leichter, sondern wirkt auch viel natürlicher, mit realistischen Kanten und kleinmaßstäbigen Details wie Hautporen. Das Ergebnis ist so gut, dass Anderson die Prothese ohne weiteres in der Öffentlichkeit tragen kann, ohne merkliches Aufsehen zu erregen.“  (Aolcdn)

Die 3D-Technologie eröffnet Patienten mit schweren Verletzungen oder – wie im obigen Beispiel – degenerativen Schäden durch Krebs an exponierten Körperteilen, neue, qualitativ hochwertige Alternativen.

Komplexität

Additive Fertigung ist im Hinblick auf komplexe Werkstücke extrem effizient. Wenn eine perfekt an Ihre Maße angepasste Prothese genau dasselbe kosten würde wie eine aus Massenproduktion, für welche würden Sie sich entscheiden?

Es ist zu erwarten, dass sich das auf die Gestaltung von künstlichen Herzklappen, orthopädischen Hilfsmitteln, Zahnteilen, aber auch Brillengestellen und – wie schon weit verbreitet – Hörgeräten auswirkt. Und die ohnehin geringen Kosten werden in dem Maße, wie sich die Produktion von traditionellen Methoden hin zu dieser wesentlich kosteneffizienteren verlagert, weiter fallen.


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Bildquelle: 3dprint

Auswirkungen auf Hersteller und Produktpalette der Medizintechnik

Viele medizinische Artikel, wie z.B. Hörgeräte und Zahnkronen, werden heute schon im 3D-Druck hergestellt. Da in 3D-Technologie hergestellte und individuell angepasste Teile immer alltäglicher werden, sind die Hersteller heute in der Lage, auch komplexe Anpassungsprobleme normgerecht und zufriedenstellend zu lösen und gleichzeitig ihre Wettbewerbsfähigkeit in Bezug auf Herstellungskosten und Qualität zu erhalten. Tatsächlich wurden, seit die Technologie sich als machbar erwiesen hat, alle Produzenten einem 500-Tage-Test unterzogen, während dessen sie Gelegenheit hatten, sie am Markt einzuführen. Kurz danach wurden traditionelle Hersteller, die mit der Entwicklung nicht Schritt zu halten vermochten, vom Markt verdrängt.

Für Anbieter von 3D-Druckdienstleistungen eröffnen diese grundlegenden Veränderungen in der Medizintechnik-Branche die Möglichkeit, Schlüsselpositionen einzunehmen. Es ist zu erwarten, dass sich ein spezieller Industriezweig entwickelt, der sich der Entwicklung und Herstellung von Geräten für den Übergang zu additiven Fertigungsverfahren in speziellen Produktionsstätten widmet. Mit zunehmender Vervollkommnung der additiven Fertigung dürften jedoch letztendlich auch komplexere Druckaufgaben durch spezielle Maschinen vor Ort erledigt werden.


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Bildquelle: Dental Printing Conference

3D-Druck in der Medizin- und Zahntechnik in näherer Zukunft

Die 3D-Branche, die schon jetzt um 20% jährlich wächst, wird einen großen Einfluss auf die Entwicklung des Gesundheitswesens haben. Dies beweisen die Anstrengungen chinesischer und japanischer Investoren sowie auch die Steuerpolitik der südkoreanischen Regierung mit dem Ziel, 3D-Druck in ihren Industrien zu verankern. (Mehr...)

3D-Druck ist nicht auf Prothesen und Implantate beschränkt. Schon jetzt wird die Nachbildung menschlicher Organe für Transplantationen sorgfältig untersucht und getestet. (Mehr...) Damit würden Wartelisten für Organempfänger und insbesondere auch das Hauptproblem der Transplantation, die Abstoßung von Organen, entfallen.


 

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