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· Übersichtsartikel · 7 Min. · Von Judith Kraushaar

3D-Druck-Technologien erobern die personalisierte Medizin

Sie gelten als eine der herausragenden Errungenschaften für die Medizin des 21. Jahrhunderts. Ermöglicht durch enorme interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsleistungen, können mit 3D-gedruckten Anwendungen bereits heute Verbesserungen der Versorgungsqualität in verschiedenen medizinischen Bereichen erzielt werden. Die prognostizierte jährliche Wachstumsrate des globalen Markts für 3D-Druck-Technologien in der Medizin (1) und der exponentielle Anstieg von entsprechenden Publikationen in medizinischen Fachzeitschriften zu diesem Thema (2) belegen die hohe Relevanz der Technologien für die Herstellung von Arzneimitteln und Medizinprodukten sowie für die klinische Anwendung und Forschung gleichermaßen (vgl. Abbildung unten). Der nachfolgende Artikel gibt einen breiten Überblick zu bereits bestehenden Applikationen und hieraus entstehenden Chancen des 3D-Drucks in der Medizin.

Marktvolumen von 3D-Druck-Technologien im Gesundheitswesen in Mrd. USD für 2018 und prognostiziert für 2026

3D Druck

(eigene Darstellung)

Der 3D-Druck in der medizinischen Anwendung

Als 3D-Druck bezeichnet man ein additives Fertigungsverfahren, das ausgehend von einem digitalen Modell dreidimensionale Objekte durch schichtweisen Materialauftrag erstellt (3). Die ersten Techniken des 3D-Drucks wurden bereits in den 1980er Jahren entwickelt. Die Übertragung in den medizinischen Bereich fand jedoch erst im vergangenen Jahrzehnt statt (2).

Für die Erstellung eines 3D-gedruckten medizinischen Objekts erfolgt zunächst die Definition eines anatomischen Zielgebiets (bspw. Herz). Über den Einsatz eines bildgebenden Verfahrens (bspw. CT oder MRT) werden vom Zielgebiet Bilddaten generiert, die anschließend in ein für den schichtweisen 3D-Druck gültiges Format konvertiert und optimiert werden müssen. Das entstandene digitale Modell zeigt ein dreidimensionales, patientenindividuelles, maßstabsgetreues Abbild des Zielgebiets (3).

Als Druckmaterialien können je nach Einsatzzweck Kunststoff, Keramik, Metall oder synthetische Hydrogele eingesetzt werden. Neben diesen traditionellen Werkstoffen wird verstärkt an sogenannten Bioinks geforscht. Diese „Biotinte“ besteht zumeist aus in Hydrogel eingebetteten lebenden Zellen (4).

Welche Einsatzszenarien ergeben sich für die Medizin?

Die medizinische Anwendung der 3D-Druck-Technologien erstreckt sich im Wesentlichen über die folgenden fünf Bereiche:

Die Implantat- und Prothesenherstellung ist das derzeit am weitesten verbreitete Anwendungsfeld des 3D-Drucks in der Medizin (5, 6). Das Spektrum reicht von etablierten Gelenkimplantaten und Implantaten für die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (4) über zahlreiche neue Knochenersatzimplantate und künstliche Gewebe in der Erprobung (7, 8) bis hin zu Prothesen für Extremitäten (5). Ein großer Vorteil des 3D-Drucks ist die patientenindividuelle Anpassung der Form des Implantats bzw. der Prothese (9). Weiterhin besteht die Möglichkeit, poröse Strukturen zu drucken, die ein Einwachsen von körpereigenem Gewebe begünstigen (4).

Die wohl bekannteste Applikation des 3D-Drucks in der Medizin ist der Gewebe- und Organdruck(Bioprinting). Das Prinzip beruht auf einer Kombination von biokompatiblen Materialien (meistens als Stützstruktur), lebenden Zellen und Wachstumsfaktoren. Bislang konnten die hohen Anforderungen an den Druck lebender Organe (Stabilität, zelluläre Komplexität, Durchblutung) noch nicht vollständig umgesetzt werden (4). Der 3D-Druck von Organen könnte das Transplantationswesen zukünftig wesentlich entlasten (3).

Der Modellbau zur Operationsplanung und Edukation ermöglicht es den Ärzten, komplexe Operationen an patientenindividuellen Modellen besser planen und den Ablauf des Eingriffs im Voraus erproben zu können. Dadurch sollen die eigentliche Operationszeit verkürzt sowie Kosten und Komplikationen gesenkt werden. Weiterhin dienen Modelle der Ausbildung und Unterstützung des medizinischen Fachpersonals, helfen aber zum anderen auch den Patienten beim Verständnis ihrer Krankheit und geplanter operativer Eingriffe (2, 3, 6).

Bestimmte Operationen oder anatomische Besonderheiten können die Herstellung patientenindividueller medizinischer Instrumente und Hilfsmittel wie bspw. Schablonen, Wundhaken oder Haltevorrichtungen erforderlich machen. Mithilfe des 3D-Drucks können diese kostengünstig und mit hoher Genauigkeit produziert werden (4, 6, 9).

Ein weiteres Anwendungsgebiet mit großer Zukunftsperspektive ist diepersonalisierte Arzneimittelproduktion. Der 3D-Druck kann patientenindividuelle Bedürfnisse (z. B. Zusammensetzung, Dosis, Freisetzung, Aussehen) bei der Herstellung berücksichtigen und so die Wirksamkeit und Verträglichkeit von Medikamenten erhöhen (4, 6).

Auf zur vierten Dimension – ein kurzer Ausblick in die Zukunft des 3D-Drucks

Der 3D-Druck hat sich bereits in vielen medizinischen Anwendungsfeldern etabliert. Neben der Weiterentwicklung bestehender Technologien – insbesondere des Bioprintings – wird derzeit auch an neuen Lösungen geforscht: Der 4D-Druck baut zwar auf der Technologie des 3D-Drucks auf, fügt dieser jedoch die Zeit als vierte Dimension hinzu. Die so entstehenden Objekte sind smart – sie passen sich der Umgebung an und verändern sich über die Zeit. Ein hoher Mehrwert entsteht dadurch u. a. in der pädiatrischen Versorgung, wo das Heranwachsen der Patienten bislang den häufigen Austausch von statischen Implantaten notwendig macht (10).

Quellen

  1. Allied Market Research. 3D Printing Healthcare Market 2019. zum Original
  2. Dorweiler B, El Beyrouti H, Vahl CF, Baqué P-E, Ghazy A. Gefäßmedizin in der Zukunft – Möglichkeiten mit 3D-Druckverfahren. Zentralbl Chir. 2019 (EFirst). zum Original
  3. Aimar A, Palermo A, Innocenti B. The Role of 3D Printing in Medical Applications: A State of the Art. Journal of Healthcare Engineering. 2019; 2019: 1-10. zum Original
  4. Ahangar P, Cooke ME, Weber MH, Rosenzweig DH. Current Biomedical Applications of 3D Printing and Additive Manufacturing. Applied Sciences. 2019; 9(8): 1713. zum Original
  5. Raconteur Media Ltd. How 3D printing is transforming healthcare: 2018. zum Original
  6. Ramola M. On the adoption of additive manufacturing in healthcare: a literature review. Journal of Manufacturing Technology Management. 2019; 30(1): 48-69. zum Original
  7. 3Dnatives. TOP 12 3D-gedruckte Implantate: Anwendungsbeispiele: 2019. zum Original
  8. 3D-grenzenlos Magazin. Implantate aus dem 3D-Drucker: 2020. zum Original
  9. Tack P, Victor J, Gemmel P, Annemans L. 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. BioMedical Engineering OnLine. 2016; 15(1): 115. zum Original
  10. Javaid M, Haleem A. 4D printing applications in medical field: A brief review. Clinical Epidemiology and Global Health. 2019; 7(3): 317-21. zum Original

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