Additive Fertigung in Humanmedizin und Zahnmedizin

Dieser Artikel zielt darauf ab, etwas Licht auf die aktuellen Fortschritte der Additive Fertigung in den Bereichen der Humanmedizin und Zahnmedizin zu werfen.
Medical objects 3D printing applications

In den Bereichen der Human- und Zahnmedizin hat jeder Patient einzigartige Probleme mit ebenso einzigartigen Lösungen. Deshalb sind oft tiefgreifende Anpassungen und Präzision bei der Behandlung notwendig. Und wenn es um maßgeschneiderte Lösungen und Behandlungen geht, dann ist keine andere Fertigungstechnologie so gut wie die Additive Fertigung.  Tatsächlich bietet der 3D-Druck lokale Optionen, Lösungen und Werkzeuge in einer Welt, die zum Beispiel die Probleme einer COVID 19 – Pandemie ertragen muss.

Warum gerade additive Fertigungsmethoden für die Human- und Zahnmedizin? 

Biokompatibilität

Es gibt viele biokompatible Materialien, die für den 3D-Druck zur Verfügung stehen. Das bedeutet, dass sie nicht reagieren, wenn sie mit biologischen Systemen in Kontakt kommen, was überaus wichtig dafür ist, wenn es um Implantate, Prothesen, Zahnersatz usw. geht, die mit menschlichem Gewebe in Kontakt kommen.

Der Internationale Standard für die Prüfung von Geräten, ISO 10993, bietet Informationen darüber, wie biokompatible Materialien getestet und im Rahmen einer weitreichenden Risikomanagement- und Risikominderungsstrategie verwenden werden können. Das Bestehen dieser Prüfung stellt sicher, dass von den Materialien keine Gefährdung ausgeht, wenn sie mit menschlichem Gewebe in Kontakt kommen, und sie zum Beispiel nicht giftig sind oder keine Hautirritationen verursachen.

Biocompatible materials in 3D printing

Sterilisierbarkeit 

Sterilisation befreit ein Bauteil von Bakterien, Viren usw. und viele Materialien wie ABS 30i sind auf viele Arten, wie Gammastrahlung und Alkoholsterilisation, sterilisierbar. Das macht die additive Fertigung zum besten und gleichzeitig günstigsten Weg, um sterile und sterilisierbare Produkte herzustellen.

Bio-Anwendbarkeit

Neben der Biokompatibilität müssen ersetzende Elemente wie Prothesen, Zahnersatz oder Implantate physikalische Eigenschaften aufweisen, die denen der ursprünglichen Körperteile entsprechen. Zum Beispiel muss der Ersatz für einen Knochen oder ein Gelenk in der Lage sein, großen Kompressionskräften und Ermüdung standzuhalten. Viele Materialien,  die für die medizinische Industrie geeignet sind, wie zum Beispiel Titan, dienen genau diesem Zweck und werden mithilfe der AF auf den Patienten maßgeschneidert.

Anpassung

Keine zwei Patienten sind gleich. Zum Beispiel sind selbst bei einem einzelnen Patienten das linke und rechte Ohr unterschiedlich groß und haben eine unterschiedliche Form. Es gibt keine einzelne Größe von Hörgeräten, die bei allen passt und bequem sitzt. Das zeigt, dass ein Bedarf für die Anpassung besteht, was den großen Vorteil der AF ausmacht. Carbon DLS ist zum Beispiel in der Lage extrem genaue Teile zu erzeugen, die aus weichen Elastomeren bestehen, die wiederum genau in das Ohr des Patienten passen.

Prototypisierung

Die Additive Fertigung ist bekannt für die schnellen Kapazitäten bei der Prototypenfertigung und wird intensiv in der Human- und Zahnmedizin verwendet. So kann es zum Beispiel das Modell des Kieferknochens eines Patienten sein, mit dem den Ärzten ein lebensgroßes Modell für die Besprechung der Behandlung zur Verfügung steht, und sie sich nicht nur auf zweidimensionale Röntgenaufnahmen oder die Abbildungen von anderen Bildgebungsverfahren verlassen müssen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Patientendaten in Form eines CAD Modells gespeichert werden können. Das hilft immens bei der Vorbereitung patientenspezifischer Implantate und insbesondere in der Zahnmedizin, indem die exakte Form und Größe der Zähne repliziert werden kann.

Anwendungen des 3D-Drucks in der Human- und Zahnmedizin 

Kostengünstige und somit bezahlbare Prothesen und Orthesen

In einem einzelnen Jahr geschehen viele Unfälle und viele Menschen verlieren als Folge dieser Unfälle Gliedmaßen. Aber, auch wenn der Bezug einer Prothese an sich einfach ist, so ist sie dennoch sehr teuer. Der Aufstieg der AF in diesem Bereich macht die teure Aufgabe der Gestaltung einer passenden Prothese und die darauf folgende Fertigung deutlich bezahlbarer und leichter zugänglich.

Der 3D-Druck machte die Analyse, das Design und die Herstellung einer patientenspezifischen Prothese deutlich einfacher und er ist inzwischen für viele Menschen zum Retter in der Not geworden. Das trifft ebenso auf die Zahnmedizin zu, in der es deutlich einfacher ist, einen Kiefer und die Zähne zu analysieren und sie mit CAD, und darauf folgendem 3D-Druck, neu zu erschaffen.

Example of a revolutionary prosthetics created by Prosfit
Beispiel für eine revolutionäre Prothese von Prosfit (Bildrechte: HP)

Inhouse Druck und schnelle Prototypisierung

Ein 3D-Drucker in einem Krankenhaus oder einer Forschungseinrichtung hilft dabei, Innovationen anzukurbeln und Verbesserungen bei der Behandlung durch häufigere Iterationen beim Design und dem Druck schneller und günstiger zu ermöglichen. Es ist gerade für Auszubildende und Studenten der Human- und Zahnmedizin deutlich einfacher einen Sachverhalt an einem tatsächlichen Modell statt einer zweidimensionalen Abbildung zu verstehen und damit ihr Wissen zu vergrößern.

3D-Bioprinting und Tissue Engineering

Falls ein Organ beschädigt wurde und behandelt werden muss, so kann dies mithilfe von Spenderorganen, Autotransplantaten oder Transplantaten geschehen, bei denen Gewebe aus einem anderen Körperteil entnommen und an der beschädigten Stelle eingesetzt wird. Dies ist Teil des sogenannten Tissue Engineering (Gewebezüchtung).

In der Zukunft kann das 3D-Bioprinting diesen Vorgang revolutionieren, indem die Transplantationsmethode durch das Drucken mit kompatiblen Materialien ersetzt wird, was viele Leben retten kann. Von einfachen Zellstrukturen bis hin zum Ersatz des Schädelknochens, gibt es einen sehr großen Spielraum in diesem Bereich, und die Forscher arbeiten daran, es zu einer realistischen Option mit großem Potenzial für die Zukunft zu machen.

The concept of 3D bioprinting
Das Konzept des 3D-Bioprintings (Bild: Science Direct)

Überblick der Additiven Fertigungsverfahren in der Human- und Zahnmedizin

Anwendung Verfahren Material Eigenschaften Beispiele
Prothesen SLS, MJF Nylon PA 12 Zäh, flexibel, hohe Zugfestigkeit Arm- und Beinprothesen
Medizinische Ausstattung FDM ABS M30i Biokompatibel, sterilisierbar, hohe Schlagfestigkeit Prothesen, detaillierte anatomische Modelle
Gussformen &
Prototypen
FDM PC ISO, ULTEM 1010 Hitzebeständig, schlagfest Gussformen für Körperteile, individuelle chirurgische Leitfäden
Schwerlast & große Hitze FDM PPSF Hitzebeständig, chemikalienbeständig Prothesen, Prototypen
Tragbare Ausstattung & Geräte Carbon DLS SIL 30 Hitze- & reißfest, flexibles Elastomer Atemmasken, Implantate
Angepasste orthopädische Implantate DMLS Titan (Ti6Al4V) Fest, korrosions- und hitzebeständig, nicht reaktiv Ersatz für Kniegelenke und Knochen
Ortho- & Zahnimplantate DMLS Kobalt-Chrom (CoCr28Mo6) Hitze-, korrosions-, chemikalien- und abnutzungsbeständig Zahn-, Gelenk- und Knochenersatz
Chirurgische Werkzeuge DMLS Edelstahl (17-4PH) Günstig, hitzebeständig Tabletts, Skalpelle, Werkzeuge

Fazit

Bei Xometry Europe bieten wir schnelle, verlässliche und extrem genaue 3D-Druckdienste für Thermoplastik, Elastomere und Metalle an, die einen immensen Vorteil für die Medizinindustrie darstellen. Wir bieten außerdem verschiedene Nachbehandlungsschritte an, um die bestmögliche Qualität zu gewährleisten.

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