3D-Drucker
Hochwertige 3D-Drucker
Kaum eine Wissenschaft hat in der Geschichte der Menschheit solch stetige Fortschritte gemacht wie die Medizin. Vom Aderlass als allgemeingültiges Heilmittel und wahnwitzigen Therapieansätzen wie beispielsweise das 30-stündige Sitzen in einem verrottenden Wal zur Heilung von Rheuma (das ist kein Scherz!), über die Eiserne Lunge und dem geradezu inflationären Verschreiben von Methamphetaminen bis zum heutigen Tage, an welchem hochkomplexe Gehirnoperationen und Herztransplantationen durchgeführt werden können.
Dieser Fortschritt ist noch lange nicht beendet. Immer wieder gibt es Durchbrüche bei der Heilung von bis dato unheilbaren Krankheiten, wie Krebs und HIV, und neue non-invasive Operationsverfahren, welche die Gefahr für den Patienten während der Operation minimieren.
Die Additive Fertigung findet immer mehr ihren Platz in diesem Fortschritt. Egal ob Fortschritt bei der Patientensicherheit und dem Patientenwohlergehen, Fortschritt bei der Operationsvorbereitung und der Vereinfachung von Operationen für Chirurgen oder Fortschritt bei passgenauen Implantaten und Organen – der 3D-Druck steht an vorderster Front.
Dabei beschränkt sich die Additive Fertigung nicht nur auf einen Teilbereich der Medizin. Zahnmedizin, Neurochirurgie, Veterinärmedizin, ja gar die Forensik nutzt inzwischen den 3D-Druck und dessen Vorteile.
Diesen Blogpost möchte ich den größten Vorteilen des 3D-Drucks innerhalb der Medizin widmen. Da ich kein Mediziner bin, werden meine Beschreibungen von medizinischen Verfahren allenfalls laienhaft sein. Nichtsdestotrotz hoffe ich, dass ich akkurat über die Möglichkeiten der Additiven Fertigung innerhalb der Medizin berichten kann.
Nun aber, nach diesem langen Vorwort, zu den Vorteilen!
Implantate
Hohe Kosten und lange Wartezeiten – die Probleme von Implantaten
Implantate, egal welcher Art, sind teuer. Schon uniforme Implantate können in der Herstellung Tausende Euro kosten. Werden individuelle Implantate benötigt, steigen die Kosten schnell an.
Zusätzlich zu den Kosten kommen teilweise lange Wartezeiten. Sind einheitliche Implantate noch schnell zu bekommen, werden bei individuellen Implantaten Wartezeiten von mehreren Wochen bis zu mehreren Monaten eingeplant.
Für viele Patienten sind diese Wartezeiten mit großen Schmerzen verbunden. In Notfallsituationen werden dann häufig einheitliche Implantate verwendet, um die Wartezeit zu überspringen – was jedoch im schlimmsten Fall zu Komplikationen und damit zu weiteren Schmerzen beim Patienten führen kann.
Wie die Additive Fertigung diese Probleme lösen kann
Die Additive Fertigung schafft Abhilfe für diese Probleme. Durch sie wird eine weitaus schnellere und kostengünstigere Herstellung von Implantaten ermöglicht. Diese Herstellung kann auch direkt in Krankenhäuser verlagert werden, um lange Lieferzeiten zu vermeiden. Dadurch können Notfalloperationen mit passgenauen Implantaten weitaus schneller durchgeführt werden, was Patientenleben retten kann.
Zumeist wird für Implantate Titan verwendet. Das Metall bietet eine ausgezeichnete Festigkeit, Langlebigkeit und Biokompatibilität. Davon abgesehen gibt es dank der großen Materialauswahl jedoch viele weitere Werkstoffe, aus welchen Implantate gefertigt werden können. So können inzwischen auch PEEK und Silikon verwendet werden, um Implantate herzustellen.
Der 3D-Druck eignet sich für eine Vielzahl von verschiedenen Implantaten. Zähne, Kniegelenke, Kreuzbänder sowie Teile des Beckenknochens und des Brustbeins zählen inzwischen zu den Standardanwendungen für die Additive Fertigung im Bereich der Implantate.
Darüber hinaus sind inzwischen auch Kiefer- und sogar Schädelimplantate mit Hilfe der Additiven Fertigung möglich. So wurde erst vor einigen Monaten im Universitätsklinikum Salzburg einem Patienten erfolgreich ein PEEK-Schädelimplantat transplantiert.
Auch für die Tierwelt schaffen Implantate aus dem 3D-Druck neue Möglichkeiten. Von Beinprothesen bei Hunden bis hin zu einem neuen Schnabel für Papageien – die Additive Fertigung eröffnet auch in der Veterinärmedizin neue Möglichkeiten.
Mehr Anwendungen und Materialien – Was die Zukunft birgt
Implantate werden immer wichtiger. Das Durchschnittsalter steigt, die Menschen werden älter und so auch ihre Knochen, Zähne und Gelenke. In den letzten 20 Jahren ist allein die Anzahl der benötigten Zahnimplantate von ca. 380.000 auf ca. 1,3 Millionen angestiegen. Im Jahr 2021 gab es insgesamt 172.011 Knieimplantate in deutschen Krankenhäusern und selbst die Anzahl der unter 60-Jährigen mit Knieimplantaten steigt stetig.
Die schnelle und kostengünstige Herstellung von Implantaten aller Art wird also in Zukunft immer wichtiger werden. Zeitgleich wird sich die Additive Fertigung weiterentwickeln, um der Medizin mehr Materialien, mehr Zwecke und mehr Möglichkeiten zur Verfügung zu stellen.
Eine Entwicklung, die ich besonders in den Fokus stellen möchte, ist die Forschung zu Materialien mit antimikrobiellen, ergo infektionsbekämpfenden, Eigenschaften für die Additive Fertigung. Forscher an der britischen University of Bath, in Zusammenarbeit mit der Ulster University, haben Anfang April eine Pressemitteilung veröffentlicht, in welcher sie ihre neuesten Ergebnisse zu dieser Forschung präsentierten.
Kurz zusammengefasst: Das Material schafft es, selbst bei einer hohen Konzentration von aggressiven E. coli-Bakterien, 70% der Bakterien in gerade einmal 15 Minuten abzutöten.
Solch ein antimikrobielles Material kann das Infektionsrisiko drastisch senken, wodurch einerseits Behandlungszeit und -kosten reduziert werden, da weniger aufwändige Nachfolgeoperationen aufgrund einer Infektion entstehen, und andererseits das Wohlbefinden des Patienten erhöht wird.
Neben der Senkung von Kosten und Zeit ermöglicht die Additive Fertigung also auch die Erhöhung der Patientensicherheit. Allerdings nicht nur in Hinsicht antimikrobiellen Materials. Ein wichtiger Aspekt der Patientensicherheit ist die Vorbereitung der Chirurgen auf eine Operation – und auch hier kann die Additive Fertigung Hilfe leisten.
Operationsvorbereitung
Kleine Fehler mit drastischen Folgen
Die dritthäufigste Todesursache in den Vereinigten Staaten sind medizinische Fehler. So fortgeschritten die Technologie auch werden mag, solange Operationen nicht vollständig von Robotern übernommen wurden, wird es immer menschliche Fehler in der Medizin geben, welche Patienten das Leben kosten.
Bei einer Operation benötigt es keine großen Aussetzer, es reicht ein kleiner Moment der Unachtsamkeit oder eine unvorhergesehene Blutung, um eine lebensbedrohliche Komplikation hervorzurufen.
Der 3D-Druck kann natürlich nicht die Fehlerquote magisch auf Null setzen. Er kann niemals dafür sorgen, dass alle Ärzte zu aller Zeit für alle möglichen Schwierigkeiten gewappnet sind. Aber die Additive Fertigung kann die Vorbereitung und sogar die Ausbildung von Chirurgen erleichtern und realitätsnaher gestalten.
Mehr Realität in der Übung bedeutet weniger Fehler in der Praxis
Durch den 3D-Druck können chirurgische Modelle mit hoher Geschwindigkeit und Präzision hergestellt werden. Die erhöhte Geschwindigkeit hilft dabei, Chirurgen mehr Zeit zur Vorbereitung zu geben, während die gesteigerte Präzision die Vorbereitung realitätsnäher gestaltet, was Fehler reduziert und Chirurgen die Möglichkeit gibt, Unvorhergesehenes eher zu antizipieren.
Diese chirurgischen Modelle können in vielen Fällen sogar direkt an die Eigenheiten des Patienten angepasst werden. Größe, Form, Gewicht und viele weitere Faktoren dieser Modelle, ob nun Organe, Gelenke oder Knochen, können auf Basis von CT-Scans als digitales Modell nachgebildet und daraufhin auf einem 3D-Drucker ausgedruckt werden.
Realitätsnahe Modelle helfen aber nicht nur bereits praktizierenden Chirurgen - auch Chirurgen im Studium profitieren von ihnen. Bisher wurden für Studenten vor allem Organe, Gelenke, Knochen etc. von Verstorbenen verwendet, welche allerdings sehr teuer und schwer zu beschaffen waren. Der 3D-Druck ermöglicht die schnelle, präzise und kostengünstige Replikation von all diesen Übungsmodellen, um Studenten weiterhin ein realitätsnahes Studium zu bieten, jedoch ohne die bisher damit verbundenen horrenden Kosten.
Zu guter Letzt helfen diese Modelle auch den Patienten und Angehörigen vor der Operation. Anhand dieser Modelle können Chirurgen ihren Patienten detailgenau vorzeigen, wie die Operation ablaufen wird, was für Probleme auftreten könnten und wie diese Probleme überwunden werden können. Manchen Patienten und Angehörigen kann dieses Vorzeigen vor der Operation Sicherheit geben – auch wenn andere, wie ich zum Beispiel, schon allein beim Vorzeigen in Ohnmacht fallen würden.
Mehr Details und Feinheiten – Was die Zukunft birgt
Die Additive Fertigung wird immer detailreicher, präziser und schneller. Neue Technologien werden entwickelt, neue Drucker kommen auf den Markt, neue Materialien werden hergestellt – dauerhaft.
Für Chirurgen, ob nun praktizierend oder angehend, bedeutet dies, einen höheren Detailgrad mit kleinsten Feinheiten für die Übung und Vorbereitung. Und umso näher an der Realität das Übungsmodell ist, desto wahrscheinlicher können Fehler verhindert werden.
Schon heute nutzen viele Kliniken und Krankenhäuser den 3D-Druck zur Operationsvorbereitung. Vom Universitätsklinikum Leipzig über das Hôpital Marie-Lannelongue in der Nähe von Paris bis zum Seattle Children’s Hospital – der 3D-Druck hilft schon vielen Chirurgen auf der gesamten Welt.
Mit der Zeit wird sich diese Technologie weiter ausbreiten und dadurch noch mehr Chirurgen die Möglichkeit geben, ihre Operationen an realitätsgetreuen Modellen vorzubereiten, wodurch weltweit Patientenleben gerettet werden können.
Vielleicht, eigentlich sogar hoffentlich, schafft es die Additive Fertigung sogar die Statistik der Todesursachen drastisch zu verändern, indem sie medizinische Fehler massiv verringert. Vorhersagen kann ich es zwar nicht, aber es ist ohne Zweifel möglich.
Medizinische Instrumente
Lebensrettend und teuer
Medizinische Instrumente sind essenziell in jedem Krankenhaus. Skalpelle, Bohrschablonen, Wundhaken, Küretten und was es nicht alles für wundersame Gerätschaften gibt, um operative Eingriffe zu ermöglichen.
Diese Instrumente werden zumeist in sehr geringer Anzahl hergestellt. Dies liegt vor allem an den verschiedenen Maßen, in welchen all diese Instrumente benötigt werden. Durch diese geringe Herstellungsanzahl sind die Instrumente häufig relativ teuer - ein einziger Wundhaken kann beispielsweise über 15 Euro kosten - und durch die vielen verschiedenen Maße werden insgesamt trotzdem viele einzelne Instrumente benötigt, was die Kosten vervielfältigt.
Neben den Kosten kann jedoch auch die Verfügbarkeit ein Problem werden. Während der Corona-Pandemie gab es einige Knappheiten bei medizinischen Instrumenten, da deren Produktion zum größten Teil nach Asien ausgelagert wurde, und in Entwicklungsländern fehlen medizinische Instrumente auch ganz ohne weltweite Pandemie.
Die Additive Fertigung kann beide Probleme zwar nicht in Luft auflösen – aber sie kann dabei helfen, sie zu vermindern!
Individuellere Instrumente ermöglichen präzisere Arbeit
Bevor wir zu den Kosten und der Verfügbarkeit kommen, möchte ich einen weiteren, enormen Vorteil der Additiven Fertigung von medizinischen Instrumenten hervorheben – die erhöhte Individualität.
Mit der Additiven Fertigung werden neue Geometrien ermöglicht, die mit der konventionellen Herstellung unmöglich wären. Dadurch können gewisse Instrumente verfeinert, andere Instrumente verbunden und beinahe alle Instrumente an den Arzt und den Patienten angepasst werden. Dies ermöglicht für Ärzte und Chirurgen mehr Möglichkeiten, um ihre Instrumente perfekt den Umständen anzupassen, ohne dabei massive Mehrkosten zu verursachen.
Die Kosten von medizinischen Instrumenten, ob nun individuell oder universell, können durch die Additive Fertigung massiv reduziert werden. In einem 3D-Drucker können mehrere unterschiedliche Komponenten in einem einzigen Druckvorgang hergestellt werden, ergo auch verschiedene Maße vom gleichen Instrument. Dies verringert neben den Kosten auch die Zeit zur Herstellung enorm.
Die Senkung der Herstellungszeit ist ebenfalls wichtig, um die Verfügbarkeit zu erhöhen. So können bei möglichen Engpässen die benötigten Instrumente einfach selbst hergestellt werden, wodurch auch Lagerkapazitäten eingespart werden.
Diese Eigenherstellung kann auch Krankenhäusern in Entwicklungsländern helfen. Anstatt lange Wartezeiten für die Lieferung und sehr hohe kumulative Kosten, reicht eine einmalige Investition in eine 3D-Druckanlage aus, um Instrumente schnell, einfach und günstig selbst zu produzieren.
Schnellere Reaktionen und komplexere Instrumente – Was die Zukunft birgt
Auch wenn die Corona-Pandemie inzwischen in der Vergangenheit zu sein scheint, sollten wir unsere Lehren aus ihr nicht vergessen. Eine der wichtigsten Lehren ist ohne Zweifel, dass die Produktion in Notsituationen schnellstmögliche Reaktionsfähigkeit benötigt!
Masken, Teststäbchen, Schutzausrüstung und vieles mehr war von einem Tag auf den nächsten knapp. Da die Produktion dieser medizinischen Ausrüstung zum größten Teil nicht mehr in Europa stattfindet, waren die weltweiten Reiseeinschränkungen, gerade zu Beginn der Pandemie, verheerend.
Die Additive Fertigung kann die Wiederholung solcher Situationen in Zukunft sehr effektiv eindämmen. Schon zu Coronazeiten wurden beispielsweise Teststäbchen und Masken mit Hilfe der Additiven Fertigung hergestellt, um Lieferausfälle zu kompensieren.
In diesen 3 Jahren, ja es ist tatsächlich schon so lange her, dass die Corona-Pandemie begonnen hat, hat sich der 3D-Druck, mitunter auch wegen der Pandemie, stark ausgebreitet. Weitaus mehr medizinische Einrichtungen nutzen inzwischen einen 3D-Drucker, um ihre Herstellung von medizinischen Instrumenten zu unterstützen.
Durch diese weite Verbreitung kann die Additive Fertigung in Notsituationen weitaus mehr Hilfe leisten, um Lieferengpässe zu umgehen. Natürlich wäre es einfach besser, keine Notsituationen mit Lieferengpässen zu haben - aber derzeit geht sowieso alles drunter und drüber, also lieber einmal zu häufig unnötig vorbereitet als am Ende eine fehlende Vorbereitung zu bereuen. Besonders in der Medizin.
Auch die immer größer werdende Komplexität von Komponenten, die per 3D-Druck hergestellt werden können, wird in der Zukunft von medizinischen Instrumenten eine große Rolle spielen. Dadurch können immer mehr verschiedenartige Instrumente durch die Additive Fertigung hergestellt werden. Auch die Entwicklung vollständig neuer Instrumente durch die Additive Fertigung und deren großer Designfreiheit wird in der Zukunft mit Sicherheit eine Rolle spielen.
Worauf das Augenmerk vieler Forscher und Mediziner jedoch noch viel mehr gerichtet ist, was die Zukunft angeht, ist die Herstellung vollständig funktionsfähiger Organe durch den 3D-Druck. Was in manchen Ohren weiterhin wie ferne Zukunft klingt, wird schon lange ausgiebig erforscht und entwickelt und die Ergebnisse sind wahrlich erstaunlich.
Organe
8.500 warten – 869 spenden
Laut einer Pressemitteilung der Deutschen Stiftung Organtransplantation (DSO) ist die Anzahl der Organspender im Jahr 2022 zurückgegangen. Waren es im Jahr 2021 noch 933, sind es 2022 64 Personen weniger. Zeitgleich warten ungefähr 8.500 Menschen auf ein Spenderorgan, welches ihr Leben mindestens verbessern, in vielen Fällen auch retten kann.
Die Organspenderaten sind viel zu niedrig, um allen Bedürftigen helfen zu können. Letztes Jahr konnte 2.695 Menschen durch die Transplantation eines oder mehrerer Organe geholfen werden. In Korrelation zu den Zahlen auf der Warteliste offensichtlich zu wenig.
Es gibt verschiedene Gründe für Menschen, um sich gegen die Organspende zu entscheiden. Und selbst wenn sie sich dafür entscheiden, müssen für die Organspende viele Anforderungen erfüllt werden - die wichtigste davon ist, dass der Patient auf der Intensivstation sterben muss, da er weiter beatmet werden muss, um die Organe weiterhin mit Sauerstoff zu versorgen.
Auch für die medizinische Forschung sind Organspenden essenziell. An solchen Organen können Tests für Medikamente durchgeführt werden, welche den Zulassungsprozess für effektive Heilmittel beschleunigen.
Es fehlen Spender, es fehlen Organe. Gegen die fehlenden Spender kann die Additive Fertigung leider nichts tun - gegen die fehlenden Organe schon, zumindest in der Zukunft.
Von Science Fiction in die Realität
Das 3D-Drucken von Organen klingt in vielen Ohren surreal – wahrscheinlich sogar zurecht. Ein vollständig funktionsfähiges Organ maschinell herstellen zu lassen wirkt nach einem kreativen Einfall eines Science-Fiction-Autors. Doch die Forschung, um das 3D-Drucken von Organen Realität werden zu lassen, schreitet in großen Schritten voran.
So hat die Boston University bereits eine Miniaturnachbildung eines menschlichen Herzens entwickelt, welches sich mit Hilfe die Additive Fertigung herstellen lässt. Dieses als miniPUMP bekannte Miniaturherz, welches aus menschlichen Herz- und Stammzellen sowie mikroskopisch kleinen, 3D-gedruckten Acrylteilen besteht, kann dank seines lebenden Gewebes eigenständig schlagen – ganz wie ein echtes menschliches Herz.
In Brasilien wurden wiederum Miniaturnachbildungen einer Leber vollständig additiv hergestellt. Diese, aus menschlichen Blutzellen bestehenden, Mini-Organe sind laut den Forschern in Lage, alle für den Menschen nötigen Funktionen zu erfüllen.
Auch in Bezug zur Additiven Fertigung von Nieren wird aktiv geforscht. So arbeiten beispielsweise das US-amerikanische Unternehmen United Therapeutics und das in Israel ansässige Biotechnologieunternehmen CollPlant zusammen, um durch den 3D-Druck perfekte Rekonstruktionen von Nierengewebe zu ermöglichen. Im ersten Schritt könnte solch ein Nierengewebe Menschen mit Nierenversagen die Dialyse ersparen, im zweiten Schritt könnte es vollständige Nachbildungen von Nieren ermöglichen.
Leere Wartelisten und bessere Forschung – Was die Zukunft birgt
Die Forschung zur Additiven Fertigung von Organen befindet sich noch am Anfang einer langen Reise. Bis wir das erste vollständig funktionsfähige Organ transplantieren können, wird noch einige Zeit vergehen.
Nichtsdestotrotz geben die bereits bestehenden Projekte, von welchen es noch viel mehr gibt, als ich aufgezählt habe, Hoffnung. Hoffnung darauf, die verfügbaren Organe zu vervielfachen, um sowohl die medizinische Forschung als auch die Organspendestatistiken grundlegend zu verändern.
Wann genau es so weit sein wird, steht allerdings noch in den Sternen. Die Schätzungen, wann dieses Ziel erreicht werden kann, gehen weit auseinander. Von einigen Jahren bis hin zu mehreren Jahrzehnten. Aber egal wie lange es auch dauern mag – die Hoffnung bleibt.