Organe aus dem 3D-Drucker

Wie Mediziner den 3D-Drucker nutzen

Das Bild zeigt ein Hüftimplantat, das aus einem 3D-Drucker stammt. Die Schrauben verbinden das Hüftimplantat mit der Hüftpfanne.

Das Bild zeigt ein Hüftimplantat, das aus einem 3D-Drucker stammt. Die Schrauben verbinden das Hüftimplantat mit der Hüftpfanne.

BONN. Der Bau künstlicher Herzen ist noch nicht möglich, neue Hüftgelenke und Kiefer-Implantate aber durchaus. Ein Blick darauf, wie Mediziner den 3D-Drucker bereits nutzen.

Die Wellen der Begeisterung schlugen hoch, als vor einiger Zeit neue Erfolgsmeldungen über die Arbeit mit 3D-Druckern verkündet wurden. Erst war ein Herz per 3D-Druck hergestellt worden, dann hatten amerikanische Forscher Blutgefäße per 3D-Druckverfahren geformt. Die Hoffnung keimte auf, dass Menschen, die auf Transplantationen angewiesen sind, bald auch mit Hilfe der neuen Technik überleben können.

Doch wie es bei solchen Hypes ist: Die Realität gießt alsbald Wasser in den Wein. Gerade für die Innere Medizin (etwa die Kardiologie) oder im operativen Fach der Herzchirurgie ist es noch Zukunftsmusik, Venen, Arterien oder ein komplett neues Herz in den menschlichen Organismus einzubauen, betonen die Professoren Georg Nickenig und Hendrik Treede von der Bonner Universitätsklinik. Nur für die Planung der operativen Eingriffe wird das Verfahren derzeit genutzt.

Immerhin: Präzise Implantate können bereits in der Chirurgie für Orthopädie und Kieferhöhlen eingesetzt werden. „Wenn die Standardrevisionsimplantate für ein künstliches Hüftgelenk nicht mehr ausreichen, sind individuelle Modelle aus dem 3D-Druckverfahren die optimale Lösung“, sagt Dr. Rolf Becker, Departmentleiter für Revisionsendoprothetik am Eduardus-Krankenhaus in Köln. Das „tritt ein, wenn sich die Pfannenböden am Hüftgelenk durch verschiedene Aspekte geweitet haben“.

Voraussetzung für so ein Vorgehen sind ein CT, optimalerweise ein 3D-CT des Patienten, sowie die Aufnahme der Daten wie Größe und Gewicht. Die Hersteller der 3D-Implantate geben in der Regel Schichten von 1,5 bis 2 Millimeter vor. Mittels einer 3D-CT-Rekonstruktion und präoperativer Planung können entweder die knöchernen Defekte, oder aber das „verrenkte“ Implantat dargestellt werden. Dieses lässt sich per Computer entsprechend berechnen.

Die Formung des Implantats dauert bis zu sechs Wochen

Aus diesen Datensätzen entwickeln Techniker, Ingenieure und Operateure das neue Implantat. Hergestellt wird es dann nach der EBM-Technologie (Electron Beam Melting). Dabei wird eine Mischung aus geschmolzenem Titan und Plasma nun Schicht für Schicht in einer 3D-Druckmaschine aufgebaut – ein Prozess, der bis zu sechs Wochen dauern kann.

Eine 3D-Hüftprothese wird in einer etwa vierstündigen Operation eingesetzt. In der Regel ist das nach der CT-Rekonstruktion angefertigte patientenindividuelle Sonderimplantat formschlüssig. Teilweise ist es nötig, ergänzendes, entmineralisiertes Spender-Knochenmaterial anzulagern, welches sich durch „Einbluten“ verbindet. Noch sind die Kosten viel höher als bei einer Standardprothese.

In der Herz- und Gefäßchirurgie sowie in der Kardiologie funktioniert dies noch nicht. „Es ist aber die Zukunft“, betont Georg Nickenig. Nicht mehr wegzudenken ist die Anwendung des 3D-Drucks für die Entwicklung neuer OP-Verfahren. „Ohne 3D-Druck wären wir noch nicht da, wo wir jetzt sind“, bestätigt Hendrik Treede. Die Mediziner nutzen dabei den Vorteil, dass sich an Modellen aus dem 3D-Drucker gut kontrollieren lässt, wie sich Implantate ins Herz des konkreten Patienten einfügen: „Da erlebt man bei dem operativen Eingriff weniger Überraschungen“, so Treede.

Auch minimal-invasive Katheter-Verfahren lassen sich so verbessern. Allerdings ist der Experte skeptisch, was die etwaige Herstellung von menschlichen Organen im Drucker angeht. „Dass bei der letzten Zelle Sauerstoff ankommt, halte ich zunächst noch für unwahrscheinlich.“

Professor Bernhard Dorweiler von der Uniklinik Mainz erwartet in drei bis vier Jahren Fortschritte bei der Entwicklung von Venen und Arterien. „Die räumliche Komplexität gerade der Gefäßabgangsregionen wird viel besser dargestellt.“ Aktuell haben Forscher in einem neuen 3D-Verfahren weiche Blutgefäße und Luftwege wie in einer Lunge hergestellt.

Eine wichtige Rolle bei diesem neuen Ansatz spielt der künstliche Farbstoff Tartrazin. Er ist für den Menschen ungefährlich – anders als vergleichbare Substanzen, die bislang beim 3D-Druck genutzt werden und bei denen noch nicht geklärt ist, ob sie möglicherweise Krebs oder Erbgutschädigungen herbeiführen.

Ein weiteres Anwendungsfeld: Die Lippen-Kiefer-Gaumenspalte

Auch die Kieferhöhlenchirurgie profitiert von der Weiterentwicklung des 3D-Bioprintings, also der Formung organischer Substanzen. Etwa bei der Behandlung von Lippen-Kiefer-Gaumenspalten. Von dem Patienten wird dazu eine dreidimensionale Bildgebung der Kieferspalte erstellt. Auf Basis dieser Daten kann dann aus Knochenzement, Hydrogel und zuvor kältekonservierten Knochen- und Gefäßzellen eine Art „lebendes Knochentransplantat“ gedruckt werden.

Ein weiteres Verfahren heißt „3D-Plotten“: Mit ihm lassen sich hohle Stränge erzeugen, die als „Leitschienen“ für das Einwachsen von Gefäßen fungieren und damit die Blutversorgung der künstlichen Gewebe sicherstellen. Dadurch wird den meist jungen Patienten die lästige, oft schmerzhafte Gehbehinderung erspart, die daraus entsteht, dass ihnen Knochensub-stanz aus dem Beckenbereich entnommen werden muss.

Die Poliklinik für Kieferorthopädie der Uniklinik Bonn von Professor Andreas Jäger nutzt dreidimensionale, digitale Anwendungen bereits regelmäßig. Bei der Behandlungsplanung werden Kiefermodelle im Computer analysiert und vermessen.

„Wir visualisieren das angestrebte Behandlungsziel schon vorab, indem wir das 3D-Modell im Computer segmentieren und die Zähne virtuell in die korrekte Stellung bewegen“, erklärt Dr. Nikolaos Daratsianos, leitender Oberarzt an der Poliklinik. „Dieser Prozess wird genutzt, um geeignete individualisierte Apparaturen herzustellen, mit denen wir Kieferorthopäden in der Lage sind, die geplante virtuelle Zielposition der Zähne mit hoher Präzision zu erreichen.“