Die Anwendung des 3D-Drucks in der Medizin revolutioniert die personalisierte Präzisionsmedizin und trägt in verschiedenen Bereichen des Gesundheitswesens entscheidend dazu bei. Von patientenspezifischen chirurgischen Modellen bis hin zu 3D-gedruckten Medizinprodukten eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Behandlung und Versorgung von Patienten.
Individualisierbare Gewebezüchtung mit 3D-gedruckten Isolationskammern
Bei schwerwiegenden Weichteilverletzungen stellt die Gewebetransplantation oft die einzige Option dar. Dieser Eingriff ist jedoch für den Patienten mit erheblichen Belastungen verbunden. Eine vielversprechende Alternative bietet die Gewebezüchtung im Körper des Patienten mithilfe von 3D-gedruckten Isolationskammern.
Ein Forscherteam der Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP und für Lasertechnik ILT sowie der BG Klinik Ludwigshafen hat Isolationskammern entwickelt, die unter die Haut implantiert und individuell an die Wundgeometrie angepasst werden können. Diese Kammern, die auf der Medizintechnik-Messe MEDICA in Düsseldorf vorgestellt wurden, ermöglichen das Nachwachsen von fehlendem Gewebe direkt im Patientenkörper.
Funktionsweise der Isolationskammern
Wenn beim Patienten Strukturen wie Knochen, Gefäße oder Sehnen freiliegen, ist eine Gewebetransplantation mit durchblutetem Gewebe oft unumgänglich. Die Wissenschaftler entwickeln gewebeschonende Methoden zur Erzeugung durchbluteter Gewebetransplantate, um Haut und anderes Gewebe gezielt zu ersetzen.
Dabei werden mit Kollagen ausgekleidete Isolationskammern aus Teflon unter die Haut vernäht. In diese Kammern wird eine Arterie bzw. eine Vene schlaufenförmig hineingelegt. Durch Zelleinwanderung und Einwachsen von Gefäßen wird das Kollagen innerhalb von zwei bis vier Wochen in ein transplantationsfähiges Gewebe umgebaut.
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Im Gegensatz zu gezüchtetem Gewebe aus der Petrischale ist das in der Kammer entstehende Gewebe vollständig vaskularisiert, also mit Kapillaren durchsetzt und somit durchblutet. Es entsteht ein lebhaftes Bindegewebe, das die Form der Isolationskammer annimmt und für eine Transplantation geeignet ist, ohne dass gesundes Spendergewebe geopfert werden muss. Da das Gewebe vom Körper des Patienten hergestellt wird, werden Abstoßungsreaktionen vermieden.
Personalisierung durch 3D-Druck
Im BMBF-geförderten Projekt FlexLoop evaluieren und optimieren Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IAP diese Technik gemeinsam mit dem Fraunhofer ILT und der BG Klinik Ludwigshafen. Dr. Wolfdietrich Meyer, Projektleiter am Fraunhofer IAP, betont, dass die Form der Isolationskammern erstmals an die Form des Weichteildefekts des Patienten angepasst werden kann, was die Personalisierung und Individualisierung der Medizin weiter vorantreibt.
Der 3D-Druck ermöglicht es, das bisherige Fräsen der Kammern zu ersetzen. Da sich das herkömmliche Kammermaterial Teflon nicht drucken lässt, setzen die Experten vom Fraunhofer ILT auf Photoharze. Andreas Hoffmann, Projektleiter am Fraunhofer ILT, erklärt, dass der 3D-Druck nicht nur den Vorteil bietet, die Form des Gewebes vorgeben zu können, sondern auch Kammerdesigns entwickelt wurden, die eine Gewebezüchtung möglichst komfortabel für Patientinnen und Patienten gestalten und eine einfache Handhabung bei der Operation ermöglichen.
Biokompatibilität und mechanische Eigenschaften
Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IAP testen sowohl das Material an sich als auch die verschieden geformten Isolationskammern. Dabei wird sichergestellt, dass die Isolationskammer keine Abbauprodukte in den Körper des Patienten abgibt oder zu Abstoßungsreaktionen führt. Auch die mechanischen Eigenschaften spielen eine wichtige Rolle, da die Kammern mit dem umliegenden Gewebe vernäht oder an einer defektnahen Stelle unter die Haut implantiert werden. Hierbei dürfen sich für eine sichere Anwendung in der Kammer keine Risse ausbilden.
Die Medizinerinnen und Mediziner an der BG Klinik Ludwigshafen untersuchen, ob das nachwachsende Gewebe auch komplex geformte Isolationskammern vollständig ausfüllen kann. Dr. med. Florian Falkner, Assistenzarzt für Plastische und Rekonstruktive Chirurgie an der BG Klinik Ludwigshafen, erklärt, dass sie vor allem zeigen möchten, dass in den 3D-gedruckten Kammern formbares Gewebe gezüchtet werden kann, das wie ein Puzzleteil einen komplexen Weichteildefekt vollständig verschließen kann. Zusätzlich wird die biomechanische Qualität des gezüchteten Gewebes genau untersucht.
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Weitere Anwendungsbereiche des medizinischen 3D-Drucks
Der medizinische 3D-Druck hat sich zu einem vielversprechenden Feld entwickelt, das über die Gewebezüchtung hinaus zahlreiche Anwendungen bietet. Einige Beispiele sind:
Anatomiemodelle für die Operationsplanung
3D-gedruckte Anatomiemodelle, die aus Scandaten der Patient*innen erstellt werden, erweisen sich in der personalisierten Präzisionsmedizin als äußerst nützlich. Sie helfen beim Verständnis komplexer Fälle und verbessern die Kommunikation innerhalb des Teams sowie mit den Behandelten. Medizinischem Personal, Krankenhäusern und Forschungsinstituten dienen diese Modelle als Referenzen bei der Operationsplanung, der intraoperativen Darstellung sowie für die Größenbestimmung oder Voreinstellung medizinischer Ausrüstung.
Die Anfertigung patientenspezifischer Referenzmodelle aus CT- oder MRT-Scans ist mit 3D-Druck unkompliziert und erschwinglich. Studien zeigen, dass diese Modelle medizinischen Teams bei der Operationsvorbereitung helfen, Kosten und Operationszeit verringern und die Patientenzufriedenheit erhöhen.
Chirurgische Werkzeuge und Bohrschablonen
Neue biokompatible 3D-Druckmaterialien haben zur Entwicklung neuer Operationswerkzeuge und -techniken geführt. Individualisierte Bohrschablonen unterstützen chirurgische Fachkräfte dabei, die individuelle Patientenanatomie und die Pathologie zu verstehen, Risiken zu analysieren, Ansätze zu planen und sich mit dem Fall vertraut zu machen, noch bevor sie den OP betreten. Gut geplante Bohrschablonen verringern den Zeitaufwand für einzelne Fälle und verkürzen die Dauer, während derer intraoperative Navigationssysteme von Behandelnden benutzt werden, was zu einer geringeren Strahlungsbelastung von Patient*innen und einer kürzeren Operationsdauer führt.
Implantate und Prothesen
Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer Implantate und Prothesen, die eine bessere Passform und Funktionalität bieten als Standardmodelle. In der Orthopädie werden 3D-gedruckte Implantate bereits bei Krebspatienten eingesetzt, denen Körperteile oder Knochen bei der Tumoroperation entfernt werden mussten. In der Zahnmedizin ermöglicht der medizinische 3D-Druck nicht nur, Prothesen und Implantate materialsparend herzustellen, sondern sie bieten auch eine deutlich feinere Struktur als beim klassischen Gussverfahren.
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Auch die Herstellung von Prothesen für Arme und Beine profitiert vom 3D-Druck. Maßgeschneiderte Prothesen, die Bewegung und Funktion echter Extremitäten nachbilden, sind extrem teuer. Der medizinische 3D-Druck eröffnet diesen Menschen neue Möglichkeiten, indem er die Herstellung erschwinglicher und individualisierter Prothesen ermöglicht.
Rapid Prototyping und Produktentwicklung
Der 3D-Druck hat auch die Produktentwicklung im medizinischen Bereich revolutioniert. Über 90 Prozent der Medizinproduktfirmen nutzen bereits 3D-Druck, um präzise Prototypen von Medizinprodukten oder Halterungen und Vorrichtungen zur Vereinfachung ihrer Tests herzustellen. Dies beschleunigt den Designprozess, da komplexe Entwürfe innerhalb von Tagen iteriert werden können anstatt von Wochen.
Bioprinting: Die Zukunft der Organtransplantation?
Das Bioprinting, eine Unterform des medizinischen 3D-Drucks, verwendet biologisches Material wie menschliche Zellen, um im Labor funktionierendes Gewebe zu erzeugen. Obwohl es noch nicht gelungen ist, im Körper funktionierende Organe zu drucken, die die Transplantationsmedizin wesentlich vereinfachen würden, gibt es vielversprechende Fortschritte.
Herausforderungen und Perspektiven
Zu den größten Herausforderungen beim Bioprinting gehören die hohen Entwicklungskosten sowie nach wie vor fehlendes Wissen. Es ist noch nicht möglich, die Wirksamkeit und Sicherheit solcher Organe in Studien zu testen. Dennoch haben Miniaturmodelle aus menschlichem Gewebe bereits eine wichtige Funktion: Sie erlauben es, zu verstehen, wie beispielsweise das Herz im menschlichen Körper funktioniert oder wie das Herzgewebe durch Krankheiten angegriffen wird.
In Zukunft soll aus solchem Gewebe dann ein funktionsfähiges Ersatzorgan entstehen. Gedruckte Ohrmuscheln und Nasen sollen Krebspatientinnen und -patienten oder Brandopfern ersparen, mit Narben oder Verstümmelungen zurechtkommen zu müssen. Und funktionsfähige Eierstöcke aus dem 3D-Drucker könnten unfruchtbaren Frauen den Kinderwunsch ermöglichen.
Verschiedene Bioprinting-Techniken
Es gibt verschiedene Bioprinting-Techniken, die sich in ihren Verfahren und Anwendungen unterscheiden:
- Inkjet-Biodruck: Ähnlich dem traditionellen Tintenstrahldruck werden Tropfen von Biotinte Schicht für Schicht auf einen Hydrogelträger oder eine Petrischale aufgebracht.
- Extrusions-Biodruck: Eine Lösung aus Biomaterialien und Patientenzellen wird Schicht für Schicht extrudiert, um das gewünschte Modell oder Gewebe zu drucken.
- Laserunterstützter Biodruck: Ein Laser wird als Energiequelle genutzt, um die Biomaterialien in eine Substanz zu deponieren.
- Stereolithografie: Ein Photopolymer wird durch die Bestrahlung mit Licht verfestigt.
- Biodruck durch akustische Wellen: Akustische Pinzetten werden verwendet, um individuelle Zellen zu manipulieren und zu einer 2D- oder 3D-Struktur zusammenzufügen.
Die SWIFT-Technik
Eine neue Biodruck-Technik namens SWIFT (Sacrificial Writing Into Functional Tissue) ermöglicht den Biodruck von Blutgefäßen mit lebenden Geweben. Dabei werden Gefäßkanäle in lebende Matrizen gedruckt, die aus von Stammzellen abgeleiteten Organbausteinen (OBBs) bestehen.