Eines der vielversprechendsten Anwendungsgebiete für 3D-Druck ist die Medizinbranche, die anpassbare, biokompatible und sterilisierbare Kunststoff- und Metallkomponenten benötigt. Obwohl additive Fertigung wie Science-Fiction erscheinen mag, werden jedes Jahr immer mehr medizinische Anwendungen entwickelt, die diese Technologie nutzen.
Durch den Einsatz von 3D-Druck können Patienten effiziente und erschwingliche maßgeschneiderte Implantate, Prothesen und Geräte erhalten; es bietet Ärzten neue Werkzeuge, um ihre Arbeit effektiver zu erledigen; und es ermöglicht Herstellern medizinischer Geräte, bessere Produkte schneller zu entwerfen. Es wird sogar erforscht, wie lebende Gewebe und Organe in 3D gedruckt werden können!
Vorteile des 3D-Drucks für medizinische Zwecke
Warum ist 3D-Druck im medizinischen Bereich so nützlich? 3D-Druck passt in vielerlei Hinsicht gut zu den Möglichkeiten der modernen Medizin.
Es ist notwendig, Implantate, Prothesen, Geräte, anatomische Modelle und sogar Werkzeuge entsprechend den spezifischen Bedürfnissen jedes Patienten zu gestalten. Der Anpassungsprozess ist bei traditioneller Technologie zeitaufwendig und teuer. Im Gegensatz dazu kann der 3D-Druck kleine Serien von maßgeschneiderten Teilen ohne zusätzliche Kosten und ohne Werkzeug- oder Rüstzeiten produzieren. Menschliche Körper gehören zu den am meisten individualisierten Produkten, und die additive Fertigung zeichnet sich in diesen Anwendungen aus.
Es ist üblich, dass medizinische Geräte komplexe Designs, interne Geometrien oder organische Formen aufweisen. Betrachten Sie beispielsweise die Spiralen und Hohlräume eines Hörgeräts oder eines Herzens! Traditionell wären diese Formen schwer oder gar unmöglich herzustellen.
Mit 3D-Druck können Einzelform-Geometrien präzise in Kunststoff oder Metall produziert werden. Dies kann zu verbesserten Designs sowie zu reduzierten Kosten und Produktionszeiten führen. Neben der erleichterten Sterilisation macht das Beseitigen von Ritzen und Spalten zwischen mehreren Teilen die Geräte schwieriger für Bakterienwachstum.
Die Materialien eines Geräts sind genauso wichtig wie sein Design, wenn es um medizinische Geräte geht. Das Drucken von 3D-Materialien bietet mechanische, chemische und thermische Eigenschaften, die sie ideal für den Einsatz in biokompatiblen und sterilisierbaren Materialien machen. Sie können 3D-gedruckte Komponenten herstellen, die starr oder flexibel und glatt oder strukturiert sind. Fast jede Anwendung kann von 3D-gedruckten Materialien profitieren.
Im Vergleich zu anderen Technologien bietet 3D-Druck auch unvergleichliche Produktionsgeschwindigkeiten. Die Behandlung von Patienten ist da keine Ausnahme. Aufgrund der langen Zeiträume für traditionelle Fertigung müssen Patienten oft Monate warten, bevor sie ihr Behandlungsprogramm beginnen können oder mehrere Ärzte aufsuchen und zahlreiche invasive Verfahren durchlaufen, um ihre medizinischen Geräte zu tragen und erneut zu tragen. Der Patient ist beeinträchtigt und kann bestenfalls zusätzlichen Unkomfort erleben. Der Zustand des Patienten kann sich verschlechtern oder sogar tödlich sein, wenn es zu Verzögerungen bei der Behandlung kommt.
Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass 3D-Drucker es medizinischen Fachkräften ermöglicht haben, Gipsabdrücke zu ersetzen, indem sie 3D-Scans und Röntgenbilder verwenden, um schnell 3D-Modelle zu erstellen, wodurch die Notwendigkeit entfällt, unzählige physische Gipsabdrücke zu lagern. Neben dem Platzersparnis reduziert dies auch das Potenzial für Schäden durch unsachgemäße Handhabung oder Alterung. Ein 3D-Modell ist ein genaues, dauerhaftes Modell, das überall abgerufen werden kann, was Zeit und Geld für medizinische Fachkräfte spart.
Einsatz von 3D-Druck im medizinischen Bereich
3D-gedruckte Prothesen
Die Prothetik erfordert eine intensive Anpassung, was die Herstellung von Prothesen zeitaufwendig und teuer macht. Da diese Geräte und ihre Schalen strengen Anforderungen ausgesetzt sind, ist eine perfekte Passform entscheidend, um eine zuverlässige, komfortable und funktionale Prothese für den Patienten zu schaffen. All diese Gründe und mehr haben zur Revolution im Bereich der 3D-gedruckten Prothesen beigetragen.
In der Regel sind mehrere Abformungen und Nachuntersuchungen erforderlich, um die Passform der Prothese zu optimieren. Patienten, die möglicherweise sensibel auf ihren Zustand reagieren, empfinden dies oft als mehr als nur eine Unannehmlichkeit: Ein Gipsabdruck kann unangenehm sein, und die vielen Anpassungen können invasiv sein. Ganz zu schweigen davon, dass die Zeit, die für Anpassungen und erneute Anpassungen aufgewendet wird, die Zeit ohne eine richtig sitzende Prothese darstellt.
Durch den Einsatz von 3D-Druck müssen Patienten keinen physischen Gipsabdruck mehr tragen. Als Alternative können Techniker 3D-Scanner verwenden, um schnell ein 3D-Modell des Restglieds zu erstellen. Basierend auf diesem 3D-Scan kann eine 3D-gedruckte Schale hergestellt werden, die sowohl genau als auch kostengünstig ist und typischerweise nur eine einzige Anpassung erfordert.
Geräte und Implantate, die für jeden Patienten individuell angepasst werden
Anpassungen beschränken sich nicht nur auf den Bereich der Prothetik. Geräte (wie Hörgeräte) und Implantate (wie künstliche Gelenke, Schädelplatten und sogar Herzklappen) setzen zunehmend auf 3D-Druck aufgrund seiner Flexibilität und Geschwindigkeit.
Die traditionelle Methode zur Anpassung von Hörgeräten und Herzklappen umfasste umfassende, handwerkliche Anpassungen über eine Woche oder länger. Vom Abformen bis zur Anpassung benötigte ein Hörgerät neun Schritte vor der 3D-Druck-Technologie. Hörgeräte können jetzt an einem einzigen Tag mithilfe von 3D-Scans gescannt und gedruckt werden.
Es gibt auch Designvorteile: 3D-gedruckte Silikon-Herzklappen bieten eine exakte Passform, die starren, traditionell hergestellten Herzklappen einfach nicht bieten können. Implantate wie künstliche Gelenke aus Titan oder Schädelplatten können mit komplexen, porösen Oberflächen gedruckt werden, die weniger wahrscheinlich vom Körper der Patienten abgelehnt werden.
Kieferorthopädie und Zahnmedizin
Kieferorthopädische Geräte und Zahnimplantate erfordern umfangreiche Anpassungen mit hoher Präzision. Zahnprothesen, Kronen, Implantate und Retainer müssen langlebig, präzise und komfortabel sein, da unsere Zähne täglich stark beansprucht werden. Darüber hinaus müssen sie aus biokompatiblen Materialien wie Kobalt-Chrom und Porzellan hergestellt werden.
Durch den Einsatz von 3D-Druck können Zahnärzte und Kieferorthopäden all dies schneller und kostengünstiger erreichen als mit traditionellen Methoden wie der Bearbeitung. Zahnmedizinische Geräte können schnell und einfach mit 3D-Scans und Röntgenbildern anstelle von Abformungen oder Vorrichtungen produziert werden.
Im Fall von Geräten wie Zahnspangen oder Expander, die keine 3D-gedruckten Komponenten erfordern, können 3D-gedruckte Modelle aus sterilisierbaren Kunststoffen verwendet werden, um Form und Passgenauigkeit zu überprüfen, wodurch die Notwendigkeit für Patientenanpassungen oder wiederholte Besuche entfällt.
Entwicklung medizinischer Geräte
Forschung, Entwicklung und Zertifizierung von medizinischen Geräten sind äußerst zeitaufwendig und ressourcenintensiv. Oft wird der hohe Preis medizinischer Geräte nicht durch die Herstellungskosten verursacht, sondern durch teure Produktentwicklung. Da der 3D-Druck eine Vielzahl von biokompatiblen und sterilisierbaren Materialien bietet, ermöglicht er Entwicklern medizinischer Geräte, funktionale Prototypen in einem Bruchteil der Zeit zu produzieren und zu testen, was zu besseren Produkten und niedrigeren Kosten führt.
Die Vorteile der additiven Fertigung für die Produktentwicklung umfassen die schnelle Durchlaufzeit, die einfache Änderung und die niedrigen Kosten für sehr kleine Stückzahlen. Dies kann Unternehmen Hunderttausende von Dollar und Monate in der Produktentwicklung sparen. Medizinische Geräte müssen einen rigorosen und langwierigen Zertifizierungsprozess durchlaufen, daher sind diese Zeit- und Kosteneinsparungen besonders wertvoll.
Maßgeschneiderte chirurgische Instrumente
Präzision und Effizienz sind im Operationssaal entscheidend. Die einzigartigen Herausforderungen jeder Operation können nicht genug betont werden – der Körper jedes Patienten ist anders, ebenso wie die Hände jedes Chirurgen. Wenn feine Kontrolle unerlässlich ist, warum sollten sich Chirurgen dann auf Werkzeuge beschränken, die nur eine Einheitsgröße bieten?
Durch den Einsatz von 3D-Druck können personalisierte chirurgische Werkzeuge schnell und kostengünstig hergestellt werden, die auf die speziellen Bedürfnisse jedes Chirurgen und jeden Eingriffs zugeschnitten sind. Diese Werkzeuge bestehen aus sterilisierbaren und biokompatiblen Kunststoffen und Metallen. Die Werkzeuge können so schnell hergestellt werden, dass Krankenhäuser keinen großen Vorrat an Instrumenten halten müssen, sondern sie nach Bedarf bestellen können.
Instrumente, die an die Größe und Form der Hände jedes Chirurgen angepasst sind, zusammen mit maßgeschneiderten Funktionen für jede Anwendung, können die Ergebnisse und die Effizienz erheblich verbessern. Darüber hinaus können chirurgische Führungen, die speziell für jeden Patienten hergestellt werden, die Genauigkeit erhöhen und gleichzeitig die Zeit im Operationssaal verkürzen, indem sie die Notwendigkeit von Diagrammen und Assistenten beseitigen.
Modelle der maßgeschneiderten Anatomie
Anatomische Modelle sind teuer und selbst die besten bieten nur eine begrenzte Auswahl an Optionen. Fachleute und Studenten verwenden Modelle regelmäßig für Bildung, Ausbildung, Operationsvorbereitung und um Patienten visuelle Hilfsmittel zu bieten.
Der 3D-Druck kann medizinischen Fachleuten und Pädagogen helfen, erschwingliche maßgeschneiderte anatomische Modelle zu erstellen. Chirurgen können schwierige Operationen mit patientenspezifischen Modellen üben, die genau das wiedergeben, was sie während der Operation antreffen werden.
Bioprinting
Wäre es nicht interessant, wenn 3D-Drucker Zellen und organisches Material anstelle von Kunststoff und Metall verwenden könnten? Das ist das grundlegende Konzept des Bioprintings – die neueste Entwicklung des 3D-Drucks in der Medizinbranche.
Obwohl die meisten Bioprinting-Technologien und -Anwendungen noch in den Kinderschuhen stecken, haben Forscher erfolgreich Knochen, Haut und Knorpel gedruckt. Eines Tages könnten wir sogar funktionierende Organe in 3D drucken.
Bioprinting funktioniert ähnlich wie andere 3D-Druck-Techniken: Material wird in aufeinanderfolgende Schichten aufgetragen oder verfestigt, um 3D-Objekte zu erstellen. Beim Bioprinting werden jedoch die Zellen aus Gewebeproben oder Stammzellen gezüchtet. Ein Bindergel oder Kollagengerüst hält die Zellen zusammen.
Bioprinted Körperteile und Organe würden es ermöglichen, dass das eigene Gewebe des Patienten über die 3D-gedruckten Teile wächst und schließlich die Zellen durch eigene ersetzt werden. Auch wenn wir wahrscheinlich nicht so schnell funktionierende bioprinted Organe sehen werden, hilft die Technologie bereits dabei, Forschungen an lebendem Gewebe durchzuführen, ohne es von einem lebenden Organismus entnehmen zu müssen.
3D-gedruckte medizinische Materialien
Nicht alle Materialien sind gleich, wenn es um medizinische Produkte geht. Da Mikroorganismen lebensbedrohliche Infektionen verursachen können, müssen medizinische Geräte und Implantate sterilisierbar sein. Ein Produkt, das mit Gewebe in Kontakt kommt, muss auch biokompatibel sein, was bedeutet, dass es keine schädlichen Reaktionen in einem biologischen System auslösen darf. Insbesondere müssen Implantate aus Materialien bestehen, die wahrscheinlich vom Körper der Empfänger akzeptiert werden. Die Flüssigkeiten in unserem Körper sind überraschend korrosiv über die Zeit, weshalb Korrosionsbeständigkeit ebenso wichtig ist. Um einer intensiven Langzeitanwendung standzuhalten, müssen Implantate stark, langlebig und leicht sein.
Moderne 3D-Drucker sind mit einer Reihe von Kunststoffen und Metallen kompatibel, die diese Anforderungen erfüllen. Im Folgenden sind einige der am häufigsten verwendeten 3D-gedruckten Materialien für die Medizinbranche aufgeführt.
Nylon PA-12
Kunststoffe wie dieser sind leicht, korrosionsbeständig, langlebig und können mit Dampfsternilisatoren sterilisiert werden. Nylon PA-12 ist flexibel und chemisch beständig. Zudem gehört es zu den schnellsten und kostengünstigsten medizinischen Materialien zum Drucken und ist mit Multi Jet Fusion-Druck und SLS kompatibel. Das Nylon PA-12 ist USP Klasse I-VI und ISO 10993 zertifiziert.
PC-ISO
FDM 3D-Druck verwendet PC-ISO, ein biokompatibles Polycarbonat (PC) Ingenieur-Thermoplast. Das Material hat eine geringere Oberflächenqualität als Nylon PA-12, wird jedoch häufig für chirurgische Führungen, Prototypen und Formen verwendet. Das PC-ISO kann gamma- oder EtO-sterilisiert werden und ist USP Klasse I-VI und ISO 10993 zertifiziert.
ABS M30i
ABS M30i ist ein weiteres biokompatibles Ingenieur-Thermoplast für FDM, genau wie PC-ISO. Funktionale Prototypen, Passformtests und Endverbrauchsteile sind ideal für FDM-Druck. ABS M30i kann gamma- oder EtO-sterilisiert werden und ist USP Klasse I-VI und ISO 10993 zertifiziert.
Titan
Das beliebteste Material für medizinische Implantate ist Titan, der König der biokompatiblen Metalle. Alle Arten von Ersatzgelenken, Herzschrittmachern, Schädelplatten, Zahnimplantaten und mehr bestehen aus Titan. Titan ist ein starkes, leichtes, korrosionsbeständiges und nicht reaktives Metall. DMLS, eine der teuersten 3D-Drucktechnologien, kann verwendet werden, um es zu drucken.
Kobalt-Chrom
Kobalt-Chrom zeigt ebenfalls hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität, ähnlich wie Titan. Es weist zusätzliche Festigkeit und Härte im Vergleich zu Titan auf und wird häufig für Ersatz-Zähne sowie stark beanspruchte Gelenke wie Hüften, Knie und Schultern verwendet. DMLS wird auch verwendet, um Kobalt-Chrom in 3D zu drucken.
Edelstahl
Edelstahl ist stark, sterilisierbar und biokompatibel; jedoch bietet er nicht die gleiche langfristige Korrosionsbeständigkeit wie Titan oder Kobalt-Chrom. Daher wird Edelstahl häufiger in chirurgischen Werkzeugen und vorübergehenden Implantaten wie Knochen-Schrauben verwendet. Der direkte Materialdruck ermöglicht es, Edelstahlteile zu einem viel niedrigeren Preis als andere Metalle zu drucken. Die Festigkeit, Steifigkeit und chemische Beständigkeit der verschiedenen Edelstahltypen variieren.
Silikon
Kunststoffe wie Silikon haben eine breite Palette von Anwendungen in der Medizin- und Lebensmittelindustrie. Für die Biokompatibilität kann es als Klasse V oder Klasse IV zertifiziert werden. Silikon kann für sowohl kurzfristige als auch langfristige Implantate verwendet werden. Silikon findet sich häufig in Kathetern, Atemmasken, medizinischen Schläuchen und Dichtungen.
Während Silikon 3D-Drucker noch in den Kinderschuhen stecken, ist die Silikon-Gießerei mit 3D-gedruckten Formen eine schnelle, kostengünstige Möglichkeit, hochwertige Teile und Produkte herzustellen.
Die Zukunft des 3D-Drucks in der Medizin
Aufgrund der einzigartigen Bedürfnisse jedes Patienten und Körpers erfordern medizinische Geräte oft die meiste Anpassung aller Produkte in allen Branchen. Aufgrund der hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten der Werkzeugherstellung für die traditionelle Fertigung waren diese Geräte historisch gesehen teuer und langsam in der Produktion. Mit der Fähigkeit, kleine Serien von hochgradig maßgeschneiderten Teilen herzustellen, definiert der 3D-Druck neu, was in der Medizin möglich ist.
Die Anpassung medizinischer Lösungen an Patienten und Ärzte verbessert die Ergebnisse und reduziert Kosten und Produktionszeiten, was die Zugänglichkeit erhöht. Maßgeschneiderte medizinische Geräte, Implantate und Werkzeuge sind jetzt zugänglicher als je zuvor. Da die 3D-Drucktechnologien weiterhin fortschreiten, werden Gesundheitsdienstleister und Forscher weiterhin neue Anwendungen erforschen, von Implantaten und chirurgischen Werkzeugen bis hin zu Geweben und funktionierenden Organen.