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3D-Druckverfahren im OP


Zu den bedeutenden technologischen Errungenschaften für die medizinische Anwendung gehört der 3D-Druck. Aus der Implantationsmedizin ist die schnelle additive Fertigungsmethode nicht mehr wegzudenken. Auch in der OP-Planung und Vorbereitung, sowie für die Herstellung patientenspezifischer Werkzeuge spielen 3D-Drucker eine zunehmende Rolle.

3D-Drucker stellen aus verschiedenen Materialien in unterschiedlichen Verfahren dreidimensionale Werkstücke her. Welches Verfahren und welches Material zum Einsatz kommt, hängt vom angestrebten Nutzen und dem Einsatzbereich, sowie von der Auflösung des gedruckten Werkstücks ab. Als «Druckertinte» können Metalle, Kunststoffe und sogar Zellen verwendet werden. Die Vorteile des 3D-Druckens gegenüber anderen Herstellungsmethoden bestehen zum einen in der Geschwindigkeit der Fertigung von Einzelstücken sowie in der Dezentralität der Produktion. Ausserdem erlaubt das schichtweise Drucken eines Werkstückes Strukturen und Genauigkeiten, die mit anderen Herstellungsmethoden nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich sind.

Cascade: Eine grafische Benutzeroberfläche bietet dem operierenden Chirurgen eine umfassende Visualisierung der Eingriffsumgebung des Schlangenroboters. Fotonachweis: ZHAW

Ursprünglich dienten die 3D-Drucker der schnellen Herstellung von Prototypen. Längst jedoch werden die Geräte vielfältiger verwendet: Zur Einzelstückanfertigung, zur dezentralen Fertigung kleiner Serien, in Forschung und Entwicklung und in der Kunst. Sie haben die Privathaushalte, ja sogar die Kinderzimmer erreicht. Auch in der Medizin befinden sich die Geräte immer häufiger im Einsatz. Denn die medizinischen 3D-Drucker ermöglichen eine individuellere, schnellere, schonendere und schlussendlich auch kostengünstigere Behandlung von Patienten.

Medizinischer 3D-Druck
Spektakulär sind die Fälle, in denen der medizinische 3D-Druck es in die Schlagzeilen schafft: Anfang 2016 wurde einem Patienten erstmals ein Halswirbel aus einem 3D-Drucker transplantiert, einer thailändischen Patientinein Mittelhandknochen aus Titan. Drei Kinder mit einer schweren Erkrankung der Luftröhre erhielten ein sich selbst auflösendes Implantat, das ihre Luftröhre am Kollabieren hindert, einen sogenannten Luftröhrensplint. Bei einem vierzehnjährigen Mädchen wurde ein solcher 3D gedruckter Luftröhrensplint sogar für den Dauereinsatz erfolgreich eingesetzt.

Vom virtuellen Körpermodell zum realen Artefakt: Kunststoffmodelle aus dem 3D Drucker für die Operationsvorbereitung. Fotonachweis: ZHAW

«Ich bin der Ansicht, dass bald – wohl in den nächsten fünf Jahren – viele Krankenhäuser und Versorgungszentren eigene Produkte für ihre Patienten drucken werden und nicht mehr auf Standardprodukte zurückgreifen», erklärte Dr. Scott Hollister, Professor für Biomedizinische Technik an der Universität von Michigan, laut 3D-Druck.com über die Rolle der additiven Fertigung in der Medizin. Neben der Herstellung von bisher nicht oder nur mit sehr grossem Zeit- und Kostenaufwand möglichen patientenspezifischen Implantaten findet die additive Fertigung ausserdem Anwendung in der Produktion von patientenspezifischem Einwegmaterial, welches bei der Operation verwendet wird, sowie von Geräten, die individuell an die Geometrie eines Patienten angepasst werden müssen. Ein weiteres grosses Anwendungsgebiet des medizinischen 3D-Drucks ist die OP-Vorbereitung. Bei besonders schwierigen Operationen bereiten sich immer mehr Chirurgen mit individuellen Modellen des Patientenorgans auf eine Operation vor. Gerade in der Neurochirurgie, wo es um hochpräzises Arbeiten in stark beengten Platzverhältnissen geht, ist dieses Vorgehen hilfreich.

3D-Modelle mit physikalischen Eigenschaften
Um das physische Modell eines Organs zu drucken, wird zunächst ein virtuelles 3D-Modell benötigt. 3D-Visualisierungen können auf Grundlage von bildgebenden Verfahren wie Computertomographie und Magnetresonanztomographie erstellt werden. Wenn die funktionellen-mechanischen Eigenschaften nicht berücksichtigt werden müssen, reichen diese Modelle als Vorlage für den 3D-Drucker aus. Doch nicht selten sind die Eigenschaften des Gewebes eines Körperteils von entscheidender Bedeutung. An der ZHAW School of Engineering entwickelt ein interdisziplinäres Forschungsteam derzeit eine Methode, visuelle 3D-Modelle um funktionale Eigenschaften wie Festigkeit, Elastizität und Beweglichkeit basierend auf FEM (Finite Elemente Methode) zu ergänzen.

Visualisierung des Sitem-Insel in Bern: Hier werden künftig neue Erkenntnisse und Produkte aus industrieller Entwicklung und Grundlagenforschung in die klinische Anwendung überführt. Fotonachweis: sitem-insel AG

Der Einsatzbereich dieser virtuellen Körpermodelle ist breit. Zum einen lassen sich mit ihnen nun reale Artefakte mittels 3D-Druck herstellen, beispielsweise individuell dimensionierte Implantate oder physische Modelle von Körperteilen für die Operationsvorbereitung. Ausserdem kann die Methode auch zur Ausbildung von angehenden Ärzten eingesetzt werden. Ein Spin-off der ETHZ und der ZHAW, die Firma Virtamed, verwendet diese Simulationsmodelle, um in ihren Virtual-Reality-Simulatoren angehende Ärzte ausserhalb des OPs und ohne eine Gefährdung für Patienten für chirurgische Eingriffe zu trainieren – ein «Flugsimulator» für Ärzte, sozusagen.

Ausblick
Auf dem Areal des Inselspitals in Bern entsteht das Swiss Institute for Translational and Entrepreneurial Medicine (Sitem), in dem künftig Erkenntnisse aus Forschung und Industrie in medizinische Anwendungen «übersetzt» werden – daher der Name des Institutes. Unter anderem werden dort Forscher auch daran arbeiten, mit Hilfe des 3D-Drucks eine Versorgung von Patienten mit individualisierten Gelenken oder massgeschneiderten Zähnen zu entwickeln. Das Sitem-Insel wird bei diesem Vorhaben auch eng mit anderen Forschungsinstituten zusammenarbeiten. Die Berufung eines Professors für medizinische Anwendung des 3D-Printings ist ebenfalls geplant.

Derweil schreitet auch die Grundlagenforschung weiter voran, um immer bessere und genauere 3D-Drucke zu ermöglichen. Forscher an der ETH entwickelten jüngst ein neues Mikro-3D-Verfahren, mit dem sich feinste Strukturen sogar mit Überhängen drucken lassen – ganz ohne umständliche Schablonen. Die Strukturen aus Kupfer und anderen Metallen bewegen sich im Nanometerbereich und ermöglichen die Herstellung von Mikrowerkzeugen für minimalinvasive chirurgische Eingriffe.

Heike Henzmann

Quellenverzeichnis
(1) http://www.t-online.de/lifestyle/gesundheit/id_77050676/mann-lebt-mit-halswirbel-aus-dem-3-D-drucker.html ,zuletzt abgerufen am 24.04.2016
(2) http://www.3-D-grenzenlos.de/magazin/forschung/titanprothese-aus-dem-3-Ddrucker-27153803.html, zuletzt abgerufen am 24.04.2016
(3) http://www.progressth.org/2016/01/3-D-printing-titanium-prosthesis-saves.html#more, zuletzt abgerufen am 24.04.2016
(4) https://3-Druck.com/medizin/3-D-gedrucktes-implantat-fuer-luftroehre-rettet-leben-3533896/, zuletzt abgerufen am 24.04.2016
(5) ETHZ News, «Kupferabscheidungen für winzige 3-D-Objekte», Fabio Bergamin, 20.01.2016, https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/01/kupferabscheidung-fuer-winzige-3-D-objekte.html, zuletzt abgerufen am 24.04.2016
(6) «Der virtuelle Körper als 3-D-Simulationsmodell», ITforHealth www.itforhealth.ch, Prof. Dr. Bernd Heinlein, Dr. Philipp Ackermann
(7) www.virtamed.ch
(8) http://www.bernerzeitung.ch/region/kanton-bern/Forschenfuer-Gelenke-aus-dem-3DDrucker/story/18216981



Best Partner für Kliniken, Spitäler und Heime 2 / 2016

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