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ARZNEIMITTELTHERAPIE

3-D-Drucker

Ersatzteile auf Knopfdruck


Von Carina Steyer / 3-D-Drucker erobern die Industrie, und auch aus der Medizin sind sie kaum mehr wegzudenken. Das Drucken von Kronen, Implantaten und anatomischen Modellen gehört bereits zum Standard. Weltweit arbeiten Forscher intensiv daran, künftig lebende, humane Zellen in einer dreidimensionalen Struktur zu drucken.

 

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Ob Automobilindustrie, Maschinenbau, Architektur oder Medizin – 3-D-Drucker arbeiten immer nach dem gleichen Prinzip. Sie erzeugen anhand eines digitalen Modells einen dreidimensionalen Gegenstand, der schichtweise aufgebaut wird und am Ende eins zu eins der Vorlage entspricht. Den dabei verwendeten Materialien sind kaum noch Grenzen gesetzt. Gips, Keramik, Kunststoffe, Glas, Holzverbindungen, Titan, Gold oder Lebensmittel sind inzwischen auch in Kombination problemlos druckbar.




Foto: Shutterstock/Iaremenko Sergii


In der Zahnmedizin gehört es bereits zum Standard, Kronen, Brücken oder kieferorthopädische Hilfsmittel auszudrucken. Im Vergleich zur konventionellen Herstellung geht Drucken wesentlich schneller, der Materialverbrauch ist geringer und es fallen niedrigere Kosten an. Der 3-D-Drucker arbeitet zudem präziser, individuelle Nacharbeiten lassen sich direkt umsetzen, und bei Bedarf ist eine identische Reproduktion des Produkts jederzeit möglich.

Auch der unangenehme Löffelabdruck, mit dem früher Gipsmodelle des Gebisses erstellt wurden, ist in vielen Zahnarztpraxen überflüssig geworden. Stattdessen wird mithilfe eines 3-D-Scanners ein digitales Bild von Zähnen und Kiefer erzeugt, das anschließend als 3-D-Modell ausgedruckt werden kann. Der Scanner ist nicht größer als andere übliche Zahnarztinstrumente und generiert die Daten direkt im Mund des Patienten. Um Zahnspangen und Schienen anzufertigen, brauchen Kieferorthopäden gar keine Modelle mehr. Sie können sie direkt am Computer berechnen und ausdrucken.

Passgenaue Prothesen

Immer interessanter wird die Technik für die Herstellung von Prothesen und Endoprothesen. Rund 420 000 künstliche Hüft- und Kniegelenke wurden laut Statistischem Bundesamt im Jahr 2016 implantiert. Der Eingriff gehört damit zu den 20 häufigsten Operationen in Deutschland. Und obwohl die Implantate ein hohes technisches Niveau besit­zen, sind etwa 20 Prozent der Patien­ten mit ihrer Endoprothese unzufrieden, weil das Gelenk schlecht beweg­lich oder instabil ist. Weil Endoprothesen nur in sechs Varianten zur Verfügung stehen, muss der Chi­rurg diejenige wählen, die am besten passt. Auf anatomische Besonderheiten eines Patienten kann er so nur begrenzt eingehen.

Seit gut zehn Jahren kommen in Deutschland Endoprothesen aus dem 3-D-Drucker zum Einsatz. Dafür wird zunächst mit einer Computertomographie das Bein des Patienten von der Hüfte bis zum Knöchel gescannt. Aus den Bilddaten werden anschließend 3-D-Modelle erstellt, auf deren Grundlage die Einzelteile und Schablonen für die Operation gefertigt werden. Von den maßgeschneiderten Implantaten profitieren vor allem sehr große oder kleine Menschen sowie Patienten mit leichten X- oder O-Beinen.

Individualprothesen werden jedoch nicht immer eingesetzt. Das liegt an verschiedenen Faktoren. Medizinische Ausschlussgründe für gedruckte Endoprothesen sind zum Beispiel ausgeprägte X- oder O-Beine, starke Band­instabilität und Zweitimplantationen. Die Kosten für eine Individualprothese liegen mit 3500 bis 4000 Euro deutlich über den 1000 bis 1500 Euro teuren herkömmlichen Endoprothesen. Zudem fehlt die Langzeiterfahrung mit gedruckten Implantaten.

Im Prothesenbau kommen derzeit vor allem Hände aus dem 3-D-Drucker. Wer Zugang zum Internet und einem 3-D-Drucker hat, kann sich eine Hand-Prothese sogar selbst ausdrucken. Viele Druckpläne stehen kostenfrei zur Verfügung. Auch für Kinder sehen Forscher Vorteile in der neuen Technik. Sie benötigen in vielen Alltagssituationen keine Hightech-Prothesen, sondern robuste, leichte Hände, die sich gut zum Spielen nutzen lassen. Schweizer Wissenschaftler versuchen, derartige Hände serienmäßig herzustellen, so dass sie schnell und kostengünstig verfügbar sind, wenn eine Prothese zu klein geworden oder kaputt gegangen ist. Andere Entwicklungen zielen darauf ab, möglichst günstige Prothesen zu drucken, um Menschen in Entwicklungsländern damit zu versorgen.

Optimale Vorbereitung

Steht eine komplizierte Operation an, können sich die behandelnden Ärzte das Operationsfeld zur optimalen Vorbereitung als Modell ausdrucken. Da es auf der tatsächlichen Anatomie des Patienten beruht, werden anatomische Besonder­heiten vorab greifbar, Komplikationen vorhersehbar und der Behandlungsansatz kann optimiert werden, bevor die Arbeit im Operationssaal beginnt. Verwendet der Chirurg transparente Materialien, ermöglichen ihm diese eine ungehinderte Sicht auf sonst verdeckte Blutgefäße. Einige Materialien lassen sich schneiden, und der Eingriff kann bereits geübt werden. Zusätzlich kann der Chirurg dem Patienten anschaulich erklären, was er vorhat.

Als Schlüsseltechnologie, um Gewebe und ganze Organe zu erzeugen, gilt das 3-D-Bioprinting. Gedruckt wird mit sogenannten Bio-Tinten, die aus biokompatiblen Polymeren, biologischen Molekülen aus der natürlichen Gewebematrix und Zellen für die Rekons­truktion von biologischen Geweben bestehen. Die Technik erlaubt es, ­lebende humane Zellen in einer dreidimensionalen Struktur anzuordnen.




Ganze Organe aus dem Drucker – das bleibt erstmal ein Traum.

Foto: Shutterstock/Scharfsinn


Als wesentliches Problem des Bioprintings gilt derzeit die Entwicklung geeigneter Druckmaterialien. Die richtige Kombination aus Biokompatibilität und guten Druckeigenschaften zu finden, beschäftigt zahlreiche Wissenschaftler. Das Material muss sich für das Ausspritzen aus Düsen eignen, gleichzeitig die aufzubauende Struktur tragen und für den Praxiseinsatz ausreichend fest werden. Zudem unterliegen Bio-Tinten als Medizinprodukte strengen nationalen und internationalen Richtlinien. Das alles führt dazu, dass es bisher keine kommerziellen, zellulären Druckerpatronen auf dem Markt gibt.

Weltweit arbeiten Forschungsgruppen an möglichen klinischen Anwendungen des 3-D-Bioprintings. Als besonders beliebt und erfolgversprechend gilt, Knorpel zu erzeugen. Bereits etabliert hat sich die Versorgung von Knie- oder Sprunggelenksverletzungen mit im Labor gezüchteten, körpereigenen Knorpelzellen. Ein wesentlicher Nachteil der gezüchteten Zellen besteht darin, dass sie keine neue Knorpelmasse, sondern nur narbenähnliches Gewebe aufbauen können, weil ihnen die räumliche Information fehlt. Diese Lücke sollen gedruckte Knorpeltransplantate schließen.

Das Drucken und Implantieren von Ohrmuscheln und Nasen könnte in Zukunft Realität werden. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Knorpeltechnologie und -regeneration am Departement für Gesundheitswissenschaften der ETH Zürich haben es zum Beispiel geschafft, eine Nase zu drucken. Dafür verwendeten sie acht verschiedene Suspensionen, die während des Druckens von Spritzdüsen auf eine hin- und herfahrende Plattform abgegeben wurden. In der Praxis soll diese Form des Bioprintings die Möglichkeiten der Rekonstruktionschirurgie erleichtern und erweitern. Patienten, deren Nase nach einem Unfall nicht oder nur teilweise wiederhergestellt werden kann, würden künftig körpereigene Knorpelzellen entnommen, im Labor vermehrt und mit einem Biopolymer vermischt. Daraus würde die Nase gedruckt und dem Patienten implantiert. Das Biopolymer dient anfangs der Formgebung und wird später durch Knorpelzellen ersetzt. Ein ­großer Vorteil insbesondere für junge Patienten besteht im Mitwachsen des körpereigenen Implantats.

Im Gegensatz zur Herstellung von Knorpel verhält es sich mit dem Drucken ganzer Organe wesentlich komplizierter. Organe müssen sofort mit Blut und Sauerstoff versorgt, Kapillaren für die Versorgung müssen mitgedruckt werden und die unterschiedlichen Zellen müssen miteinander kommunizieren. Das kann die Technik derzeit noch nicht bieten. Obwohl immer wieder verkündet wird, dass Wissenschaftler ein Herz oder Nieren gedruckt hätten, handelt es sich dabei immer nur um Prototypen, die nicht funktionsfähig sind und binnen kürzester Zeit wieder absterben. Das Drucken und Implantieren von Organen bleibt erstmal ein Traum, der nicht so bald in Erfüllung gehen wird. /



Beitrag erschienen in Ausgabe 11/2018

 

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