Neue medizinische Geräte und Instrumente
3D-Druck ist praktisch zu einem Synonym für Rapid Prototyping geworden. Die Benutzerfreundlichkeit und die niedrigen Kosten des 3D-Drucks im eigenen Haus haben auch die Produktentwicklung revolutioniert, und viele Hersteller medizinischer Werkzeuge haben die Technologie übernommen, um brandneue medizinische Geräte und chirurgische Instrumente zu produzieren.
Über 90 Prozent der 50 führenden Medizintechnikunternehmen nutzen den 3D-Druck, um präzise Prototypen medizinischer Geräte sowie Vorrichtungen zur Vereinfachung von Tests zu erstellen.
In den Worten von Alex Drew, einem mechanischen Projektingenieur bei DJO Surgical, einem weltweiten Anbieter medizinischer Geräte. „Bevor DJO Surgical das System an Bord holte, verließen wir uns für Prototypen fast ausschließlich auf externe Druckanbieter. Heute haben wir vier Formlabs-Geräte im Einsatz, und die Auswirkungen sind gewaltig. Unsere 3D-Druckrate hat sich verdoppelt, die Kosten wurden um 70 Prozent gesenkt, und die Detailgenauigkeit der Drucke ermöglicht eine klare Kommunikation der Entwürfe mit den orthopädischen Chirurgen.“
Medizintechnikunternehmen wie Coalesce nutzen den 3D-Druck, um präzise Prototypen medizinischer Geräte zu erstellen.
Der 3D-Druck kann den Designprozess beschleunigen, indem komplexe Entwürfe in Tagen statt in Wochen iteriert werden. Als Coalesce mit der Entwicklung eines Inhalationsgeräts beauftragt wurde, das das Atemflussprofil eines Asthma-Patienten digital erfassen kann, hätte die Auslagerung an Dienstleister zu langen Vorlaufzeiten für jeden Prototyp geführt. Die Entwurfsdateien hätten in mehreren Iterationen sorgfältig verfeinert werden müssen, bevor sie zur Fertigung ins Ausland geschickt worden wären.
Stattdessen konnte Coalesce dank des Desktop-SLA-3D-Drucks den gesamten Prototyping-Prozess im eigenen Haus durchführen. Die Prototypen waren für den Einsatz in klinischen Studien geeignet und sahen genauso aus wie ein fertiges Produkt. Bei der Präsentation des Geräts verwechselten die Kunden den Prototyp sogar mit dem Endprodukt.
Insgesamt bedeutete die interne Fertigung eine enorme Reduzierung der Vorlaufzeit für Prototypen um 80-90 %. Außerdem dauerte der Druck der Teile nur acht Stunden, und sie konnten innerhalb weniger Tage fertiggestellt und lackiert werden, während derselbe Prozess bei einem externen Auftragnehmer ein oder zwei Wochen gedauert hätte.
Erschwingliche Prothesen
Jedes Jahr verlieren Hunderttausende von Menschen eine Gliedmaße, aber nur ein Teil von ihnen erhält Zugang zu einer Prothese, um ihre Funktion wiederherzustellen.
Einfache Prothesen sind nur in wenigen Größen erhältlich, so dass sich die Patienten mit dem begnügen müssen, was am besten passt, während maßgefertigte bionische Vorrichtungen, die die Bewegungen und Griffe echter Gliedmaßen nachahmen und sich zur Steuerung ihrer Funktionen auf die Muskeln des Stumpfes einer Person stützen, so teuer sind, dass sie nur für Patienten mit den besten Krankenversicherungen in den Industrieländern zugänglich sind. Dies betrifft insbesondere Prothesen für Kinder. Wenn Kinder wachsen und Abenteuer erleben, wachsen sie unweigerlich aus ihren Prothesen heraus und benötigen teure Reparaturen.
Die Schwierigkeit besteht darin, dass es keine Herstellungsverfahren gibt, die maßgeschneiderte Teile kostengünstig produzieren können. Zunehmend können Prothetiker jedoch die viel gerühmte Designfreiheit des 3D-Drucks nutzen, um diese hohen finanziellen Hürden für die Behandlung zu verringern.
Initiativen wie e-NABLE ermöglichen es ganzen Gemeinschaften auf der ganzen Welt, sich um 3D-gedruckte Prothesen zu bilden. Sie treiben eine unabhängige Bewegung in der Prothesenherstellung voran, indem sie Informationen und Open-Source-Entwürfe frei online zur Verfügung stellen, so dass Patienten eine maßgeschneiderte Prothese, die gut an sie angepasst ist, für nur 50 $ erhalten können.
Andere Erfinder, wie Lyman Connor, gehen noch einen Schritt weiter. Mit nur vier Desktop-3D-Druckern war Lyman in der Lage, seine ersten Serienprothesen herzustellen und anzupassen. Sein ultimatives Ziel? Eine anpassbare, vollständig bionische Hand zu schaffen, die zu einem Bruchteil des derzeitigen Einzelhandelspreises von mehreren zehntausend Dollar für solche fortschrittlichen Prothesen verkauft werden kann.
Andernorts haben Forscher am MIT ebenfalls den 3D-Druck als optimales Mittel zur Herstellung komfortablerer Prothesenschäfte identifiziert.
Es erübrigt sich zu sagen, dass die niedrigen Kosten für die Herstellung dieser Prothesen zusammen mit der Freiheit, die mit individuellen Designs einhergeht, eine Offenbarung sind. Mit 3D-Druck hergestellte Prothesen können in nur zwei Wochen fertiggestellt werden und können dann zu viel niedrigeren Kosten als ihre herkömmlichen Gegenstücke getestet und gewartet werden.
Wenn die Kosten weiter sinken und sich die Materialeigenschaften verbessern, wird der 3D-Druck zweifellos eine immer größere Rolle in diesem Bereich der Gesundheitsversorgung spielen.
Korrektive Einlagen und Orthesen
Viele der hohen finanziellen Hürden, die in der Prothetik bestehen, sind auch in Bereichen wie Orthesen und Einlagen zu finden. Wie viele andere patientenindividuelle Medizinprodukte sind auch maßgefertigte Orthesen aufgrund ihrer hohen Kosten oft nicht zugänglich und ihre Herstellung dauert Wochen oder Monate. Mit dem 3D-Druck muss das nicht mehr der Fall sein.
Das Beispiel von Matej und seinem Sohn Nik kommt uns in den Sinn. Nik wurde 2011 als Frühchen geboren und litt aufgrund von Schwierigkeiten bei der Geburt an Zerebralparese, einer Erkrankung, von der weltweit fast zwanzig Millionen Menschen betroffen sind. Matej wurde durch den unerschütterlichen Willen seines Sohnes inspiriert, die Einschränkungen seiner Krankheit zu überwinden, aber er stand vor der Wahl zwischen einer vorgefertigten Standardorthese, die für seinen Sohn unzureichend und unbequem gewesen wäre, und einer teuren Sonderanfertigung, deren Lieferung Wochen oder Monate gedauert hätte, um dann durch ein wachsendes Kind schnell überholt zu werden.
Er beschloss, die Dinge selbst in die Hand zu nehmen und suchte nach neuen Lösungen, um dieses Ziel zu erreichen. Dank der Freiheit, die digitale Technologien wie 3D-Scannen und 3D-Drucken bieten, konnten Matej und Niks Physiotherapeuten ausgiebig experimentieren und einen völlig neuen, innovativen Arbeitsablauf für Knöchel-Fuß-Orthesen (AFOs) entwickeln.
Die daraus resultierende maßgefertigte, 3D-gedruckte Orthese bot Nik genau dort Halt, Komfort und Korrektur, wo er sie brauchte, und half ihm, endlich seine ersten selbstständigen Schritte zu machen. Diese maßgefertigte Orthese bot die hochgradig angepasste Oberfläche von High-End-Orthesen zu einem Bruchteil des Preises und ohne weitere Anpassungen.
Profis auf der ganzen Welt nutzen den 3D-Druck, um patienten- und kundenspezifische Einlagen und Orthesen sowie eine Reihe anderer Hilfsmittel zur Verbesserung der Physiotherapie neu zu erfinden. In der Vergangenheit erwies sich der Ablauf einer Physiotherapie mit maßgeschneiderten Hilfsmitteln als schwierig. Die Patienten mussten oft lange Wartezeiten in Kauf nehmen, und die fertigen Teile führten zu Unannehmlichkeiten. Der 3D-Druck ist auf dem Weg, diesen Status quo zu ändern. 3D-gedruckte Einlegesohlen und Orthesen haben sich als passgenauer erwiesen, führten zu besseren therapeutischen Ergebnissen und boten den Patienten ein höheres Maß an Komfort und Nutzen.
Bioprinting, Tissue Engineering, 3D-gedruckte Organe und mehr
Die konventionellen Mittel zur Behandlung von Patienten mit schwerem Organversagen umfassen derzeit die Verwendung von Autotransplantaten, d. h. Gewebetransplantaten von einer Stelle des Körpers derselben Person auf eine andere, oder Organtransplantate von einem Spender. Forscher in den Bereichen Bioprinting und Tissue Engineering hoffen, dies bald ändern zu können und in der Lage zu sein, Gewebe, Blutgefäße und Organe nach Bedarf zu erzeugen.
3D-Bioprinting bezieht sich auf die Verwendung von additiven Fertigungsverfahren zur Ablagerung von Materialien, die als Biotinten bekannt sind, um gewebeähnliche Strukturen zu erzeugen, die in der Medizin verwendet werden können. Tissue Engineering bezieht sich auf die verschiedenen sich entwickelnden Technologien, einschließlich Bioprinting, um Ersatzgewebe und -organe im Labor zu züchten, die bei der Behandlung von Verletzungen und Krankheiten eingesetzt werden.
Mit Hilfe des hochpräzisen 3D-Drucks haben Forscher wie Dr. Sam Pashneh-Tala von der Universität Sheffield dem Tissue Engineering neue Möglichkeiten eröffnet.
Um das Zellwachstum so zu steuern, dass das gewünschte Gewebe entsteht, züchtet Dr. Pashneh-Tala im Labor lebende Zellen auf einem Gerüst, das eine Vorlage mit der gewünschten Form, Größe und Geometrie liefert. Zum Beispiel wird eine röhrenförmige Struktur benötigt, um ein Blutgefäß für einen Herz-Kreislauf-Patienten zu bilden. Die Zellen vermehren sich, bedecken das Gerüst und nehmen dessen Form an. Das Gerüst zerfällt dann allmählich und hinterlässt die lebenden Zellen in der Form des Zielgewebes, das in einem Bioreaktor kultiviert wird, einer Kammer, die das sich entwickelnde Gewebe enthält und die innere Umgebung des Körpers nachbilden kann, um die mechanische und biologische Leistung des organischen Gewebes zu erhalten.
Eine 3D-gedruckte Bioreaktorkammer, in der eine gewebegeformte Miniatur-Aorta wächst. Das Gewebe wird im Bioreaktor kultiviert, um die mechanischen und biologischen Eigenschaften von organischem Gewebe zu erhalten.
Dies wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, patientenspezifische Gefäßtransplantate zu entwickeln, die chirurgischen Möglichkeiten zu verbessern und eine einzigartige Testplattform für neue vaskuläre medizinische Geräte für Menschen zu schaffen, die an Herz-Kreislauf-Erkrankungen leiden, die derzeit die häufigste Todesursache weltweit sind. Das Endziel ist die Herstellung von Blutgefäßen, die den Patienten implantiert werden können. Da bei der Gewebezüchtung Zellen verwendet werden, die dem zu behandelnden Patienten entnommen werden, wird die Möglichkeit einer Abstoßung durch das Immunsystem ausgeschlossen – ein großes Problem bei herkömmlichen Organtransplantationen.
Der 3D-Druck hat bewiesen, dass er in der Lage ist, die Herausforderungen bei der Herstellung synthetischer Blutgefäße zu bewältigen, indem er die Schwierigkeiten bei der Nachbildung der genauen Formen, Größen und Geometrien der benötigten Gefäße löst. Die Möglichkeit, gedruckte Lösungen genau auf die spezifischen Bedürfnisse von Patienten abzustimmen, hat sich als wegweisend erwiesen.
In Dr. Pashneh-Talas Worten: „Der Druck bietet das Potenzial für verbesserte chirurgische Optionen und sogar auf den Patienten abgestimmte Blutgefäßdesigns. Ohne den Zugang zu hochpräzisem, erschwinglichem 3D-Druck wäre die Herstellung dieser Formen nicht möglich.“
Wir haben aufregende Durchbrüche bei biologischen Materialien erlebt, die für die Verwendung in 3D-Druckern geeignet sind. Wissenschaftler entwickeln neue Hydrogel-Materialien, die die gleiche Konsistenz wie Organgewebe haben, das im menschlichen Gehirn und in der Lunge zu finden ist, und die mit verschiedenen 3D-Druckverfahren kompatibel sein können. Die Wissenschaftler hoffen, sie in ein Organ implantieren zu können, um als „Gerüst“ zu fungieren, auf dem Zellen zum Wachsen angeregt werden.
Während das Bioprinting voll funktionsfähiger innerer Organe wie Herzen, Nieren und Lebern noch futuristisch klingt, schreiten die Fortschritte bei hybriden 3D-Druckverfahren sehr schnell voran.
Es wird erwartet, dass der Aufbau biologischer Materie in Labordruckern früher oder später dazu führen wird, dass neue, voll funktionsfähige 3D-gedruckte Organe erzeugt werden können. Im April 2019 haben Wissenschaftler an der Universität Tel Aviv das erste 3D-Herz aus dem biologischen Material eines Patienten hergestellt. Das winzige Replikat wurde aus den biologischen Materialien des Patienten hergestellt, wodurch eine vollständige Übereinstimmung mit dem immunologischen, zellulären, biochemischen und anatomischen Profil des Patienten erreicht wurde.
„In diesem Stadium ist unser 3D-Herz klein, so groß wie ein Kaninchenherz, aber größere menschliche Herzen erfordern die gleiche Technologie“, sagte Professor Tal Dvir.
Das erste biologisch gedruckte 3D-Herz, geschaffen an der Universität Tel Aviv.
Was kommt als Nächstes auf den medizinischen 3D-Druck zu?
Präzise und erschwingliche 3D-Druckverfahren wie die Desktop-Stereolithografie demokratisieren den Zugang zu dieser Technologie und ermöglichen es Fachleuten des Gesundheitswesens, neue klinische Lösungen zu entwickeln und schnell maßgeschneiderte Geräte herzustellen, so dass Ärzte neue Behandlungen auf der ganzen Welt anbieten können.
Wenn sich die 3D-Drucktechnologien und -materialien weiter verbessern, werden sie den Weg für personalisierte Pflege und hochwirksame medizinische Anwendungen ebnen.
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