Additive Fertigung

Was der 3D-Druck in der Medizin ausrichten kann

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Details eines individuellen Organs – wie hier das Herz – lassen sich vor einer Operation am Modell betrachten. Auch das ist eine der Anwendungen des 3D-Drucks in der Medizin Bild: Ireneus Henning, Universität Duisburg
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Additive Fertigung | In der Medizin hat sich der 3D-Druck schon länger für die Produktion von Zahnersatz etabliert. Doch auch für andere Anwendungen scheint die Technik vielversprechend zu sein – bis hin zur Herstellung künstlicher Organe . Ob sie sich überall durchsetzt, ist aber offen. Unter anderem muss sich zeigen, inwieweit sie wirtschaftlich ist und wo die technischen Grenzen liegen.

Tim Schröder
Wissenschaftsjournalist in Oldenburg

Mit dem 3D-Druck ist es ein wenig wie beim Phönix aus der Asche. Wie aus dem nichts, wächst ein Gegenstand in die Höhe. Statt Teile aus einem Klotz zu fräsen oder aus heißem Metall zu gießen, werden sie beim 3D-Druck nach einem im Computer hinterlegten Modell langsam aufgebaut, indem man sie Schicht für Schicht wachsen lässt. Es ist mehr als 30 Jahre her, dass das US-Unternehmen 3D-Systems die ersten Objekte per 3D-Druck aus flüssigem Polymerharz erschuf. Schicht für Schicht wurde das Polymerharz an den entsprechenden Stellen von einem Laser ausgehärtet. Das Verfahren, die Stereolithographie, wird bis heute eingesetzt.

Bei der Stereolithographie wird flüssiges Polymerharz mit einem Lichtstrahl ausgehärtet. Schicht für Schicht entsteht das Teil – das von oben in die Flüssigkeit getaucht wird (Bild: Ireneus Henning, Universität Duisburg)

Inzwischen ist der 3D-Druck aber in vielen Varianten und mit verschiedenen Verfahren etabliert. Auch Gegenstände aus Metall lassen sich zum Bespiel erzeugen, indem man mit einem Elektronenstrahl oder Laser Metallpulver gezielt aufschmilzt und wieder erstarren lässt. Experten sprechen dabei vom selektiven Laserschmelzen. Unternehmen in der Industrie nutzen den 3D-Druck heute unter anderem, um Bauteile individuell für einen Kunden anzufertigen. Und in den Instandhaltungsdepots für Eisenbahnen geht man inzwischen dazu über, Fahrzeugkomponenten zu drucken, um die Ersatzteillager verkleinern zu können. Es gibt sogar Bausätze für Bastler. Meist wird in deren Geräten, die leicht auf dem Schreibtisch Platz finden, ein Kunststofffaden über eine computergesteuerte Heißklebepistole geschmolzen und aufgetragen.

Man könnte aus dieser kurzen Zusammenfassung den Eindruck gewinnen, dass der 3D-Druck vor allem ein Werkzeug für die Industrie und weniger für die Medizin ist. Doch auch in manchen Medizinsparten gehört er längst zum Alltag. „Der 3D-Druck ist vor allem dann gefragt, wenn Komponenten individuell für Patienten angefertigt werden“, sagt Prof. Gerd Witt, Leiter des Lehrstuhls für Fertigungstechnik an der Universität Duisburg und Experte für die additive Fertigung, so der Fachbegriff für den 3D-Druck. „Eines der ersten Einsatzgebiete in der Medizin war vor etwa 15 Jahren die Herstellung von Ersatzteilen für zerstörte Knochen, etwa am Schädel.“

Bei großflächigen Fehlstellen am Schädelknochen hilft ein gedrucktes Modell, eine Metallplatte vor der Operation anzupassen. Auch die „Ersatzteile“ selbst können gedruckt werden (Bild: Ireneus Henning, Universität Duisburg)

Oftmals würden diese aus Titan gefertigt. Doch weil Metall Kälte und Wärme sehr gut leitet, müssen Menschen, die ein solches Teil implantiert bekommen, eine Mütze tragen. Alternativ werden deshalb heute auch andere Materialien wie etwa Kunststoffe eingesetzt.

Mit dem 3D-Druck in acht Stunden zum Zahnersatz

Vor allem in der Zahnmedizin sei der 3D-Druck angekommen, bei der Herstellung von Kronen aus Metall etwa. Insbesondere die jüngeren Kollegen seien der neuen Technik gegenüber aufgeschlossen. Fertigte früher der Zahntechniker die Krone nach dem Abdruck an, so genügt es heute, vom Gebiss eine 3D-Aufnahme zu machen und die Bilddateien an den Hersteller zu schicken. „Innerhalb von acht Stunden ist der Zahnersatz dann fertig und geht mit der Post auf die Reise zur Zahnarztpraxis“, sagt Gerd Witt. „Da dauert der Versand länger als die Produktion.“

Viele verschiedene Zahnkronen werden in einem Durchgang additiv aus Metallpulver gefertigt (Bild: Ireneus Henning, Universität Duisburg)
Beim Lasersintern verschmilzt der Laserstrahl Metallpulver Schicht für Schicht zu den gewünschten Strukturen (Bild: mai1408/Fotolia)

Technisch wäre noch vieles andere möglich. „Doch die große Hürde für den 3D-Druck in der Medizin sind heute eher die Regularien, die den Einsatz erschweren“, konstatiert Prof. Peter Pott, Leiter des Instituts für Medizingerätetechnik an der Universität Stuttgart. „3D-Komponenten für die Allgemeinheit müssen erst aufwendig geprüft und zertifiziert werden. Hier geht es um Aspekte wie den sterilen Druck oder die Verträglichkeit der Materialien im Körper.“

Weniger kompliziert ginge es bei der Herstellung individuell gefertigter Komponenten zu. „Das ist ein wenig wie bei Medikamenten. Rührt der Apotheker allein für mich die Medizin an, darf er sie an mich verkaufen. Um aber ein Medikament auf dem Massenmarkt zu verkaufen, braucht man klinische Studien.“ Doch wo beim 3D-Druck die Einzelanfertigung aufhört und die Massenproduktion beginnt, sei noch nicht abschließend geregelt, sagt Peter Pott – ein Graubereich. Nicht zuletzt, weil der 3D-Druck nicht nur bei der Einzelanfertigung, sondern auch bei Kleinserien seine Stärken ausspielen könne. Kunststoffteile werden heute häufig in Spritzgussmaschinen gefertigt. Doch die Herstellung der Negativformen, in die der flüssige Kunststoff bei diesem Verfahren eingespritzt wird, ist sündhaft teuer. Diese kosten leicht mehrere Zehntausend Euro. Der 3D-Druck kleiner Stückzahlen ist da deutlich billiger und daher auch dort interessant, wo Teile eben nicht mehr patientenindividuell sind.

Entwicklung neuer Werkstoffe

Aktuell arbeiten viele Forscher an der Entwicklung neuer Materialien für den 3D-Druck, die für den Einsatz am Menschen geeignet sind: Peter Pott etwa an resorbierbaren Werkstoffen, die sich nach und nach im Körper auflösen. Diesen Ansatz verfolgt auch Prof. Mirko Schaper, Leiter des Lehrstuhls für Werkstoffkunde an der Universität Paderborn. Er entwickelt Speziallegierungen, also Metallmischungen, die sich für Schrauben oder Platten eignen, mit denen der Arzt gebrochene Knochen zusammenfügt, so genannte Osteosyntheseplatten.

Solche Platten kommen beispielsweise bei Brüchen des Schulterblattes zum Einsatz. Heute werden diese Platten oftmals in einer zweiten Operation entfernt, sobald der Knochen verheilt ist. Der Patient kommt also ein weiteres Mal unter das Messer. Mit Platten und Schrauben, die sich auflösen, ließe sich das vermeiden. „Mit dem 3D-Druck kann man die Geometrie und Feinstruktur der Platte sehr genau einstellen“, sagt Mirko Schaper. „So, dass sie besonders leicht ist und auch so, dass sie nach und nach unter der Belastung zerbröselt.“ Während der Knochen heilt, zerfällt die Platte also langsam von selbst in immer feinere Bruchstücke.

Um die richtige Zusammensetzung neuer Werkstoffe zu finden, finden umfangreiche Tests statt (Bild: DMRC Uni Paderborn)

Damit diese Fragmente restlos verschwinden, braucht es eine Legierung, die sich im Körper auflöst. Mirko Schaper experimentiert unter anderem mit einer Mischung aus Eisen und Silber. „Die Metalle kann man mit anderen Verfahren kaum verarbeiten, weil sie sich schlecht mischen“, sagt er. „Beim 3D-Druck aber kann man in das geschmolzene Eisenpulver kleine Silberinseln einschmelzen.“ So erhalte man einen Werkstoff, bei dem das unedle Eisen nach und nach ganz wegkorrodiert.

Was Mediziner über den 3D-Druck denken

Trotz solcher Anwendungen hält Mirko Schaper den 3D-Druck nicht für ein Allheilmittel. „Erst kürzlich haben Mediziner auf einer Tagung betont, dass sie auf 3D-Druck nur dann umsteigen, wenn der Mehrwert ganz klar ist.“ Ein Beispiel: Knieprothesen werden heute wie ein Schuh in diversen Standardgrößen für Frauen und Männer angeboten. Manche Hersteller bieten alternativ 3D-gefertigte Prothesen an, die exakt nach dem CT-Bild eines individuellen Knies angefertigt werden. Diese sind um ein Vielfaches teurer. Mirko Schaper: „Die Medizinerkollegen sagen mir ganz deutlich, dass es bei einer solchen Operation sehr viel stärker auf die Genauigkeit der Operation und die Positionierung der Prothese ankommt, als darauf, den letzten Zehntelmillimeter aus der Prothese herauszukitzeln.“

Gerd Witt von der Universität Duisburg hält dagegen, weil sich Prothesen mittels additiver Fertigung noch in anderer Hinsicht verbessern lassen: „Damit können gezielt winzige Poren in der Oberfläche geschaffen werden, sodass Knochenzellen besser einwachsen.“ Auch ließen sich in die Oberfläche der 3D-Prothese kleine Widerhäkchen einarbeiten, mit denen die Prothese sicher im Knochen verankert wird. Denn lockert sich eine Prothese, bildet sich der Knochen zurück. Eine zweite Operation wird fällig.

Die Frage des Organersatzes aus dem Drucker

Gerd Witt und sein Mitarbeiter Ireneus Henning haben noch andere Anwendungen im Blick. Seit einiger Zeit arbeiten sie daran, additiv gefertigte Ersatzteile für das Herz zu entwickeln. Der Physiker Ireneus Henning etwa entwickelt mit Kollegen künstliche Herzklappen, so genannte Mitral- oder Segelklappen. Solche Klappen sitzen an der Vorkammer des Herzens und verhindern wie ein Ventil, dass das Blut bei der Kontraktion der Hauptkammer in die falsche Richtung strömt. Das Herz eines jeden Menschen wächst im Laufe des Lebens immer weiter – aber die Klappen wachsen nicht mit. Irgendwann sind sie zu klein, und damit öffnet sich zwischen ihnen ein winziger Spalt. Sie schließen nicht mehr perfekt, sodass das Blut zum Teil durch die Klappen zurückströmt. Viele Menschen kommen damit zurecht und merken nichts. Andere aber entwickeln eine Herzklappeninsuffizienz. Das Herz pumpt nicht mehr ausreichend.

Eine Herzklappe aus Silikon war die Basis dafür, die Strömungsverhältnisse in diesem Umfeld genau zu beschreiben (Bild: Ireneus Henning, Universität Duisburg)

Vor kurzem ist es Ireneus Henning und seinem Team gelungen, per 3D-Druck exakt nachgebaute Herzklappen aus Silikon zu fertigen. „Das ist die erste Stufe“, sagt Henning. „Mithilfe der Silikonklappen konnten wir erstmals die Strömungsdynamik an den Herzklappen vermessen, das war bislang ein Buch mit sieben Siegeln.“ In Nachfolgeprojekten sollen dann nach und nach Herzklappen aus echten Körperzellen aufgebaut werden – um sie hoffentlich irgendwann Patienten implantieren zu können.

Damit nähern sich die Duisburger wie viele andere Forscher dem Bioprinting an – dem 3D-Druck lebender Zellen, einem Hype-Thema. Man hofft, künftig ganze Organe per 3D-Druck nachbauen zu können, um den Mangel an Spenderorganen auszugleichen. Doch Organe bestehen aus vielen verschiedenen Zelltypen, die perfekt angeordnet sein müssen. Zudem benötigt ein Organ Blutgefäße, über die es versorgt wird.

Mit Bioprinting sollten auch Blutgefäße herstellbar sein

Gerd Witt glaubt, dass sich mit dem Bioprinting einiges erreichen lassen wird. „Mit der additiven Fertigung könnte man selbst winzige Blutgefäße formen, eine Versorgung mit Nährstoffen ist also grundsätzlich denkbar.“ Und verschiedene Zellen ließen sich durch den Einsatz so genannter karziomer Zellen herstellen. Dabei handelt es sich um immortalisierte Zellen, also Zellen, die so gezüchtet wurden, dass sie unsterblich sind. Sie bieten damit grundsätzlich das Potenzial, per 3D-Druck komplex gebaute Organe mit unterschiedlich ausdifferenzierten Zellen zu erzeugen.

Doch noch stehe man damit ganz am Anfang, sagt Gerd Witt. Noch seien viele Hürden zu überwinden. Karziome Zellen etwa können zu Krebszellen entarten. Hier wäre es wichtig, zuverlässige Verfahren zu entwickeln, mit denen die karziomen Zellen aus dem fertigen Ersatzorgan restlos ausgespült werden. „Um so weit zu kommen, braucht es vor allem eines“, resümiert Gerd Witt: „Interdisziplinäre Teams aus Ingenieuren, Medizinern und anderen Experten. Denn keine Fachdisziplin allein kann additive Fertigungsverfahren für die Medizin entwickeln. Dafür ist das Thema einfach zu komplex.“

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