3D-Druck

Veröffentlichungsdatum : 03 October 2024

Verfasst von : Ipseeta Dash

Der 3D-Druck ist kein neues Konzept. Seine Ursprünge reichen bis in die 1980er-Jahre zurück. Er hat nicht nur die Fertigungsindustrie revolutioniert, sondern auch andere Branchen wie das Bauwesen, die Raumfahrt und das Gesundheitswesen beeinflusst. Im medizinischen Bereich wird der 3D-Druck in der Orthopädie, Pädiatrie, Radiologie, Onkologie und anderen Fachbereichen umfassend zur Herstellung von Prothesen, Ersatzorganen und medizinischen Geräten eingesetzt.

Was ist 3D-Druck? Wie funktioniert er?

Gesundheitsbranche im Sturm?

Der 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem anhand einer digitalen Vorlage ein dreidimensionales Objekt Schicht für Schicht aus Materialien wie Metallen, Kunststoffen und Keramik aufgebaut wird.

Während einige 3D-Druckunternehmen diese Objekte in großem Maßstab herstellen, erfolgt die bedarfsgerechte Produktion von Medizinprodukten direkt am Patientenbett – die sogenannte patientennahe Fertigung. Diese Produkte werden individuell nach den körperlichen und persönlichen Bedürfnissen des Patienten gefertigt. Sie sind leichter, stabiler und sicherer als Produkte aus herkömmlichen Herstellungsverfahren. Ihre Produktion ist deutlich schneller – was früher eine Woche dauerte, ist heute in weniger als einem Tag erledigt.

Die Zahl der Krankenhäuser mit eigener 3D-Druckanlage steigt stetig. In den USA erhöhte sich diese Zahl laut Statistiken der American Hospital Association (AHA) von 5754 im Jahr 2010 auf 6093 im Jahr 2020 (siehe Abbildung 1). Auch die FDA genehmigt regelmäßig Medizinprodukte, die mithilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt werden.

3D-Drucktechnologie

Anwendungen, Trends und Herausforderungen

Implantate und Prothesen

Der 3D-Metalldruck trägt zur Herstellung langlebiger Implantate mit besserer Passform und Leistungsfähigkeit für Knie, Wirbelsäule, Hüfte und Schädel bei.

Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird Metall mithilfe eines Elektronenstrahls Schicht für Schicht aufgeschmolzen, wodurch präzise Implantate entstehen. Diese Implantate ahmen die Elastizität von Knochengewebe nach und integrieren sich so in die Knochenstruktur. Onkologische Prothesen aus dem 3D-Druckverfahren werden hingegen häufig von Onkologen eingesetzt, um verschiedene Körperteile zu rekonstruieren, die durch die Krebserkrankung beeinträchtigt sind.

Prothesen sind überall in vordefinierten Größen erhältlich, doch eine individuelle Anpassung auf herkömmlichem Wege kostet Tausende von Dollar und ist sehr zeitaufwendig. Dies betrifft Kinder, die aus ihren Prothesen herauswachsen und maßgefertigte Ersatzteile benötigen.

Im Jahr 2016 entwickelten Lyman Connor und Eduardo Salcedo die Mano-matic-Prothese von Lyman. Diese bietet 3D-gedruckte bionische Prothesen für Patienten, die sich herkömmliche Prothesen nicht leisten können. Sie sind kostengünstiger und schneller herzustellen.

Digitale Zahnmedizin

In der Zahnmedizin wird der 3D-Druck zur Herstellung von Zahnprothesen, Bohrschablonen, Brückenmodellen und unsichtbaren Zahnschienen eingesetzt. Früher wurden diese transparenten Schienen in einem aufwendigen Verfahren aus manuellen und Fräsprozessen gefertigt. Die 3D-Drucktechnik hat den Prozess beschleunigt, da individuelle Abdrücke anhand digitaler Scans von Patienten erstellt werden können.

Berichten zufolge wird die Branche der 3D-gedruckten Zahnimplantate bis Ende 2027 einen Umsatz von fast 8,8 Milliarden US-Dollar erreichen, wobei jährlich über 450 Millionen zahnärztliche Geräte und Restaurationen hergestellt werden.

Anatomische Modelle

Mithilfe von 3D-Druckern können Spezialisten anhand von MRT- und CT-Scans exakte Nachbildungen von Körperteilen, wie beispielsweise einen 3D-gedruckten Daumen, herstellen. Dies ermöglicht es Chirurgen, sich im Vorfeld auf komplizierte Operationen vorzubereiten. So musste 2016 ein Junge in Irland operiert werden, um die Rotation seines Unterarms zu verbessern. CT-Scans und Röntgenaufnahmen zeigten eine Knochendeformität. Der Chirurg entschied sich jedoch, ein 3D-Modell des betroffenen Bereichs auszudrucken, um die Ursache genauer zu untersuchen. Er fand heraus, dass nicht die deformierten Knochen, wie in den Scans dargestellt, die Armrotation behinderten. Nachdem die wahre Ursache gefunden war, dauerte die Operation weniger als 30 Minuten, anstatt der ursprünglich geplanten vier Stunden für die Osteotomie. Der Patient erreichte innerhalb von vier Wochen eine 90%ige Armrotation. Die Genesungszeit, die Schmerzen und die Narbenbildung reduzierten sich deutlich.

Ein Bericht aus dem Jahr 2020 bestätigte den Einsatz von 3D-Anatomiemodellen als chirurgische Hilfsmittel und stellte fest, dass sich dadurch die Operationszeit um mehr als 60 Minuten auf 2,5 Stunden verkürzte, was zu Einsparungen von rund 3.500 US-Dollar pro Operation führte.

Medizinprodukte

Die überwiegende Mehrheit der 50 größten Medizintechnikunternehmen nutzt 3D-Druck, um präzise Prototypen ihrer Medizinprodukte herzustellen. Diese Technologie spielt eine entscheidende Rolle bei der schnellen Bereitstellung von Medizintechnik und trägt so zur Überwindung von Lieferkettenproblemen bei.

Chirurgische Instrumente wie Skalpellgriffe, Pinzetten und Klemmen werden je nach Bedarf des Chirurgen im 3D-Druckverfahren aus Rohmaterialien wie Edelstahl, Nylon, Titanlegierungen oder Nickel hergestellt. Diese Instrumente tragen dazu bei, dass Ärzte Operationen effizienter und präziser durchführen können.

Die deutsche Medizintechnikfirma Endocon GmbH nutzt einen 3D-Metalldrucker zur Herstellung von chirurgischen Instrumenten für die Hüftgelenksentnahme. Bisher wurde dieser Eingriff mit einem Meißel durchgeführt, was zu Gewebe- und Knochenschäden führen konnte. Das aus einer Edelstahllegierung gefertigte endoCupcut-Instrument von Endocon ermöglicht einen präziseren Schnitt entlang der Hüftgelenkspfanne in nur drei Minuten.

Im Kampf gegen die Covid-19-Pandemie

Der Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung verschiedener medizinischer Einwegartikel war signifikant hoch. Mithilfe der 3D-Drucktechnologie und medizinischer Kunststoffe wurden unterschiedliche Produkte für medizinisches Fachpersonal und Patienten hergestellt (siehe Abbildung 2). Der Markt für 3D-Druck im Gesundheitswesen erlebte während der globalen Pandemie ein drastisches Wachstum, da medizinische Einrichtungen unter enormem Druck standen, persönliche Schutzausrüstung (PSA) und medizinische Geräte schnell bereitzustellen.

Ein Team der Oregon Health & Science University reagierte auf den weltweiten Mangel an Beatmungsgeräten, indem es kostengünstige Beatmungsgeräte entwickelte, die mithilfe der 3D-Drucktechnologie schnell hergestellt werden konnten.

Regenerative Medizin

Weltweit steigt die Zahl der Patienten, die auf ein Spenderorgan angewiesen sind, während gleichzeitig ein Mangel an Spenderorganen herrscht. Die regenerative Medizin zielt darauf ab, mithilfe von Gerüsten, Biomaterialien oder Zellen Organe für Transplantationen herzustellen und so die Abhängigkeit von Organspendern zu verringern.

Im Jahr 2019 schufen Wissenschaftler der Universität Tel Aviv das erste dreidimensionale Herz aus biologischem Material eines Patienten. Das winzige Modell hatte die Größe eines Kaninchenherzens. Sie gehen davon aus, dass sich mit derselben Technologie auch größere menschliche Herzen herstellen lassen.

Obwohl noch viele Hindernisse überwunden werden müssen, um komplexe Organe wie Herz oder Leber mittels 3D-Biodruck herzustellen und zu transplantieren, wurden Organe wie die Harnblase bereits seit Beginn des 21. Jahrhunderts entwickelt und transplantiert.

Präzisionsmedizin

3D-Drucker in Apotheken und Krankenhäusern ermöglichen es Apothekern, Ärzten und Pflegekräften, die Dosierung und das Verabreichungssystem von Medikamenten individuell an Gewicht, Alter, Lebensstil und Geschlecht des Patienten anzupassen. Spritam von Aprecia Pharmaceuticals, ein Medikament gegen Epilepsie, ist das erste von der FDA zugelassene, 3D-gedruckte Medikament.

Patienten mit mehreren Erkrankungen müssen verschiedene Medikamente zu unterschiedlichen Tageszeiten einnehmen, was die Einhaltung eines festen Einnahmeplans erschwert. 3D-gedruckte Polypillen enthalten mehrere Wirkstoffkammern mit unterschiedlichen Freisetzungsprofilen und können verschiedene Medikamentendosierungen sowie Wechselwirkungen zwischen den Medikamenten verarbeiten. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer festen Einnahmeplanung und engmaschigen Überwachung.

Optimierte Forschung und Entwicklung, wodurch Tierversuche überflüssig werden

Die Pharmaindustrie investiert jährlich über 55 Milliarden US-Dollar in Forschung und Entwicklung. Mithilfe des Bioprintings können Forscher Organe und andere Teile des menschlichen Körpers nachbilden, um die Wirksamkeit eines Medikaments zu testen, ohne Tierversuche durchführen zu müssen. Biogedruckte Gewebe und Organe werden bereits häufig eingesetzt, um die Erfolgsquote klinischer Studien zu erhöhen, Tierversuche zu reduzieren und den gesamten F&E-Prozess zu beschleunigen und effizienter zu gestalten.

Künstliche Intelligenz im 3D-Druck

Die Integration von KI in den 3D-Druck führt zu einem grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie Unternehmen ihre Fertigungsprozesse steuern. Von der Produktentwicklung über die Herstellung bis hin zur Nutzung kann KI-Technologie die gesamte Lieferkette optimieren. Durch die Automatisierung des Druckprozesses minimiert KI das Risiko menschlicher Fehler.

Rolle der FDA bei der Regulierung

3D-Drucktechnologie im Gesundheitswesen

Die US-amerikanische Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde (FDA) reguliert die mittels 3D-Druck hergestellten Produkte, nicht aber die 3D-Drucker selbst. Der regulatorische Umfang hängt von der Art des gedruckten Produkts, den verwendeten Materialien (siehe Abbildung 3), dessen Verwendung und den damit verbundenen Sicherheitsrisiken ab.

Der 3D-Druck birgt aufgrund der dezentralen Fertigung individualisierter Produkte, wie beispielsweise medizinischer Implantate, durch Organisationen oder Einzelpersonen, die möglicherweise nur über begrenzte Kenntnisse der FDA-Vorschriften verfügen, Herausforderungen für die Aufsicht. Die FDA setzt sich intensiv dafür ein, dass Hersteller ethische Fertigungspraktiken einhalten und die Produkte den Sicherheitsstandards entsprechen. Erfolgt der 3D-Druck jedoch direkt am Behandlungsort, gestaltet sich die Aufsicht schwierig.

Herausforderungen bei der Kostenerstattung

Ein von der FDA zugelassenes, 3D-gedrucktes Wirbelsäulenimplantat kann erstattungsfähig sein, die vor der Operation gedruckten 3D-Modelle der Patientenanatomie jedoch möglicherweise nicht. Diese fehlende Erstattung kann für Krankenhäuser, die 3D-Drucklabore einrichten wollen, ein erhebliches Hindernis darstellen. Glücklicherweise bemühen sich Gesundheitsorganisationen, den Status quo zu ändern. Die American Medical Association (AMA) hat kürzlich vier CPT-Codes (Current Procedural Terminology) der Kategorie III genehmigt, die die Erstattung für 3D-gedruckte anatomische Modelle und personalisierte 3D-gedruckte Schneid- oder Bohrwerkzeuge regeln.

Globale Aussichten für den 3D-Druck

Technologie im Gesundheitswesen

Das Wachstum des 3D-Drucks im Gesundheitswesen wird voraussichtlich durch die weltweit steigende Nachfrage nach Implantaten und Prothesen sowie den wachsenden Bedarf der Gesundheitsdienstleister an Kostensenkungen getrieben (siehe Abbildung 4). Da Entwickler Produkte bedarfsgerecht herstellen, werden die Lagerbestände drastisch sinken. Beispielsweise produzieren US-amerikanische Krankenhäuser jährlich über 2,2 Millionen Tonnen medizinischen Abfall. Ein Großteil dieses „Abfalls“ besteht aus ungenutzten medizinischen Verbrauchsmaterialien und Geräten. Manchmal werden diese einwandfrei einsatzfähigen Medizinprodukte nicht einmal ausgepackt, bevor sie durch neuere Modelle ersetzt werden.

Der asiatisch-pazifische Raum verzeichnet enorme Fortschritte auf dem Markt für 3D-Druck. Prognosen zufolge werden dort in den nächsten Jahren über 3,5 Milliarden US-Dollar in 3D-Druck investiert, was mit einer Wachstumsrate von 18,5 % die höchste Wachstumsrate im Vergleich zu Nordamerika und Europa darstellt. Bis vor Kurzem zögerte die Region noch, den 3D-Druck flächendeckend einzuführen. Doch das wachsende Interesse von Fertigungsunternehmen an dieser Technologie sowie die Einführung zahlreicher Strategien und Richtlinien durch die Regierungen haben viele Länder der Region dazu bewegt, ein günstiges Umfeld für das Wachstum des 3D-Drucks zu schaffen.

China ist unter den asiatischen Ländern führend im 3D-Druck. Der chinesische Markt hatte 2018 ein Volumen von 1,75 Milliarden US-Dollar. Neben China stellt auch Südkorea einen riesigen Markt für 3D-Druck dar. Im asiatisch-pazifischen Raum besteht noch erhebliches ungenutztes Potenzial für die breite Anwendung und das Wachstum des 3D-Drucks.

Jährliche Wachstumsrate verschiedener Märkte im Zusammenhang mit 3D-Druck

Gesundheitswesen im Zeitraum 2023–2035

Die Zukunft des 3D-Drucks

Technologie im Gesundheitswesen

Die Desktop-Stereolithographie soll es Medizinern ermöglichen, neue, präzise und kostengünstige Geräte und Produkte zu entwickeln, um eine gerechte Gesundheitsversorgung auf der ganzen Welt zu gewährleisten.

Dank der Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie und der Verfügbarkeit verschiedener 3D-Druckmaterialien wird die Patientenversorgung individueller und ausgefeilter. Der 3D-Druck eröffnet neue Innovationsmöglichkeiten im Gesundheitswesen, doch um die Vorteile dieser Technologie voll auszuschöpfen, müssen Herausforderungen in Bezug auf Kostenerstattung, Regulierung und Sicherheit bewältigt werden.

Der 3D-Druck wird eine der Schlüsseltechnologien sein, die langfristig eine aufregende und zugleich lohnende Transformation des gegenwärtigen Gesundheitssystems bewirken wird.