- Zulieferer 3D-Druck in der Medizintechnik Gastbeitrag von Christian Käppel, Ottobock, für bvmed.de

Christian Käppel, Senior Expert Custom Product Technology / Additive Manufacturing bei Ottobock

1. Einleitung

Die additive Fertigung (3D-Druck) hat in den vergangenen Jahren zunehmend Einzug in die Medizintechnik gehalten. Bei diesem Herstellungsverfahren werden dreidimensionale Objekte schichtweise aus verschiedenen Materialien aufgebaut. Die Technologie erlaubt es, komplexe Geometrien und individuelle Formen mit hoher Präzision zu fertigen.

Die möglichen Anwendungen in der Medizintechnik sind vielfältig. Von maßgeschneiderten Implantaten über patientenspezifische Operationshilfen bis hin zu individuell dosierten Medikamenten reichen die Anwendungsgebiete. Der Vorteil dieser Technologie liegt vor allem in der Personalisierung medizinischer Versorgung. Während klassische Produkte häufig standardisiert und in großen Stückzahlen gefertigt werden, ermöglicht der 3D-Druck eine wirtschaftliche Einzelteilfertigung. Dies führt zu einer besseren Anpassung an die anatomischen und therapeutischen Bedürfnisse des einzelnen Patienten und kann somit zu besseren Behandlungsergebnissen und weniger Komplikationen.

In jüngster Zeit haben sich verschiedene Anwendungsfelder etabliert und weiterentwickelt. Während einige Bereiche wie der Dentalbereich bereits über ausgereifte Prozesse und regulatorische Zulassungen verfügen, befinden sich andere Felder wie das Bioprinting noch im experimentellen Stadium. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Einsatzgebiete des 3D-Drucks in der Medizintechnik und wirft einen Blick auf zukünftige Entwicklungen.

2. Einsatzgebiete des 3D-Drucks in der Medizintechnik

2.1 3D-Druck von Medikamenten

Eine besonders innovative Anwendung der additiven Fertigung liegt in der Herstellung von Arzneimitteln. Die Grundidee besteht darin, Medikamente individuell nach den Bedürfnissen einzelner Patienten zu produzieren. Hierbei werden Wirkstoffe und Hilfsstoffe schichtweise zu festen Formen wie Tabletten zusammengefügt. Durch die präzise Steuerung des Druckprozesses lassen sich sowohl die Dosierung als auch das Freisetzungsverhalten des Wirkstoffs anpassen.

Insbesondere bei Patientengruppen mit speziellen Anforderungen, wie etwa Kinder, ältere Menschen oder Patienten mit mehreren Erkrankungen können von einer individuellen Dosierung profitieren. Zudem könnten verschiedene Wirkstoffe in einer einzigen Tablette kombiniert werden, was die Einnahme vereinfacht.

Allerdings befindet sich diese Technologie noch überwiegend in der Entwicklungsphase. Für eine breite Anwendung müssen noch zahlreiche Herausforderungen gemeistert werden. Dazu gehört die Standardisierung der Herstellungsprozesse, die Qualitätssicherung, regulatorische Fragen sowie die wirtschaftliche Machbarkeit im Vergleich zur industriellen Massenproduktion.

2.2 Bioprinting

Unter dem Begriff Bioprinting versteht man das schichtweise Aufbauen biologischer Strukturen aus lebenden Zellen und Biomaterialien. Anders als beim konventionellen 3D-Druck werden hier sogenannte Bio-Tinten verwendet, die aus menschlichen oder tierischen Zellen bestehen und in einer gelartigen Trägermatrix gedruckt werden. Ziel ist es, funktionsfähige Gewebe oder sogar ganze Organe herzustellen, die später als Transplantate dienen könnten.

Die möglichen Anwendungen reichen von einfachen Gewebemodellen für die Grundlagenforschung über Hauttransplantate bis hin zu komplexen Organen wie Nieren oder Herzen. In der pharmazeutischen Forschung ermöglichen gedruckte Gewebemodelle präzisere Wirkstofftests und könnten Tierversuche teilweise ersetzen. In der regenerativen Medizin könnten durch Bioprinting hergestellte Gewebe künftig zur Behandlung von Verbrennungen, Knorpelschäden oder anderen Gewebeverletzungen eingesetzt werden.

Dennoch ist auch hier eine realistische Einordnung erforderlich: Das Bioprinting befindet sich noch überwiegend im experimentellen Stadium. Zwar wurden bereits einfache Gewebestrukturen erfolgreich gedruckt, doch die Herstellung komplexer Organe mit vollständiger Funktionsfähigkeit bleibt eine enorme wissenschaftliche Herausforderung. Probleme wie die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen und Sauerstoff, die Integration in den menschlichen Organismus sowie immunologische Abstoßungsreaktionen sind noch nicht gelöst. Bis zur klinischen Anwendung vollständig gedruckter Organe werden daher noch Jahre oder Jahrzehnte vergehen.

2.3 Chirurgische Hilfsmittel

Zu den etabliertesten Anwendungen des 3D-Drucks in der Medizin zählt die Herstellung chirurgischer Hilfsmittel. Hierzu gehören vor allem anatomische Modelle oder Operationsschablonen. Dieser werden auf Basis individueller Patientendaten aus bildgebenden Verfahren wie Computertomographie oder Magnetresonanztomographie erstellt.

Anatomische Modelle dienen Chirurgen zur Vorbereitung komplexer Eingriffe. Sie erlauben es, die spezifische Anatomie des Patienten haptisch zu erfassen, kritische Strukturen zu identifizieren und den Operationsablauf zu planen. Insbesondere bei komplizierten Eingriffen bieten diese Modelle einen Mehrwert, da sie das räumliche Verständnis verbessern und mögliche Komplikationen vorab erkennbar machen.

OP-Schablonen, werden direkt während der Operation eingesetzt. Sie passen exakt auf die anatomischen Strukturen des Patienten und leiten das chirurgische Instrument präzise an die gewünschte Stelle. Dies erhöht die Genauigkeit bei Eingriffen wie Knochenresektionen, Implantat Platzierungen oder orthopädischen Korrekturen.

Individuell angefertigte Hilfsmittel können die Operationszeit verkürzen, die Präzision erhöhen und postoperative Komplikationen reduzieren können. Zudem ermöglichen sie eine bessere Kommunikation im Operationsteam und zwischen Arzt und Patient, da die geplante Vorgehensweise anschaulich dargestellt wird.

2.4 Implantate

Die Herstellung patientenspezifischer Implantate stellt eine weitere zentrale Anwendung der additiven Fertigung dar. Hierbei werden Implantate exakt an die individuelle Anatomie angepasst, was insbesondere bei Schädel- und Gesichtsrekonstruktionen, orthopädischen Eingriffen sowie bei Wirbelsäulenimplantaten von Bedeutung ist. Materialien wie Titan oder biokompatible Kunststoffe werden hierfür schichtweise zu komplexen dreidimensionalen Strukturen aufgebaut.

Gegenüber Standardimplantaten bieten individualisierte Lösungen mehrere Vorteile. Sie fügen sich präziser in anatomische Defekte ein, was die mechanische Stabilität und die biologische Integration verbessert. Zudem können poröse Strukturen erzeugt werden, die das Einwachsen von Knochen fördern und somit die Langzeitstabilität erhöhen.

Allerdings unterliegen medizinische Implantate strengen Sicherheits- und Zulassungsanforderungen. In Europa müssen sie der Medizinprodukteverordnung entsprechen, in den USA werden sie von der FDA reguliert. Die Hersteller müssen nachweisen, dass die Produkte sicher, wirksam und von gleichbleibender Qualität sind. Da beim 3D-Druck jedes Implantat ein Unikat ist, stellen Qualitätssicherung und Chargenrückverfolgbarkeit besondere Herausforderungen dar. Dennoch haben bereits mehrere 3D-gedruckte Implantat Systeme eine Zulassung erhalten und werden routinemäßig eingesetzt.

2.5 Prothesen und Orthesen

Prothesen ersetzen fehlende Gliedmaßen, während Orthesen bestehende Körperteile stützen oder korrigieren. Beide Hilfsmittel profitieren erheblich von den Möglichkeiten des 3D-Drucks. Traditionell werden Prothesen und Orthesen aufwändig von Hand angefertigt. Dies erfordert einen hohen Zeit- und Kostenaufwand sowie handwerkliches Geschick. Die additive Fertigung erlaubt es, diese Hilfsmittel digital zu konstruieren und automatisiert herzustellen.

Der große Vorteil liegt in der vollständigen Personalisierung. Durch digitale Vermessung (3D Scanner) des Patienten, können Prothesen und Orthesen exakt an die individuelle Körperform angepasst werden. Dies führt zu verbessertem Tragekomfort, besserer Funktionalität und höherer Akzeptanz bei den Patienten. Zudem lassen sich leichte, durchlässige Strukturen realisieren, die herkömmlich nicht herstellbar wären.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Geschwindigkeit. Während herkömmliche Verfahren oft mehrere Wochen in Anspruch nehmen, kann eine 3D-gedruckte Orthese innerhalb weniger Tage bereitgestellt werden. Dies ist besonders bei Kindern von Bedeutung, deren Körper sich schnell verändern und die regelmäßig neue Hilfsmittel benötigen.

Auch in humanitären Projekten spielt der 3D-Druck eine wachsende Rolle. In Ländern mit eingeschränktem Zugang zu medizinischer Versorgung können mit kostengünstigen 3D-Druckern vor Ort einfache Prothesen und Orthesen hergestellt werden.

2.6 Zahnmedizin

Die Zahnmedizin ist das medizinische Fachgebiet, in dem der 3D-Druck am weitesten etabliert ist. Anwendungen umfassen Zahnersatz wie Kronen, Brücken und Inlays, kieferorthopädische Modelle, Bohrschablonen für Implantate sowie herausnehmbare Zahnspangen und Alignersysteme.

Die breite Etablierung in diesem Bereich hat mehrere Gründe. Zum einen ist jeder zahnmedizinische Eingriff von Natur aus individuell, da die Anatomie des Gebisses von Patient zu Patient variiert. Zum anderen sind die benötigten Objekte relativ klein, was die Druckzeit und Materialkosten gering hält. Zudem stehen hochpräzise Druckverfahren und zertifizierte Materialien zur Verfügung, die den hohen Anforderungen an Passgenauigkeit und Biokompatibilität gerecht werden.

Der Workflow ist inzwischen weitgehend digitalisiert: Nach einem intraoralen Scan des Gebisses wird der Zahnersatz am Computer konstruiert und anschließend gedruckt oder gefräst. Dies beschleunigt den Prozess erheblich und verbessert die Präzision im Vergleich zu klassischen Abformungen. Patienten profitieren von kürzeren Behandlungszeiten und höherem Tragekomfort.

Besonders bei der Herstellung transparenter Aligner für die Zahnkorrektur hat sich der 3D-Druck als Standardverfahren durchgesetzt. Die individuell angefertigten Schienen werden in Serie produziert und begleiten den gesamten Behandlungsverlauf. Diese minimalinvasive Methode ist für viele Patienten eine attraktive Alternative zu festen Zahnspangen und hat die Kieferorthopädie nachhaltig verändert.

3. Ausblick: Zukunft des 3D-Drucks in der Medizintechnik

Die technologische Entwicklung im Bereich des 3D-Drucks schreitet kontinuierlich voran. In den kommenden Jahren werden Verbesserungen in mehreren Bereichen erwartet. Druckmaterialien werden vielfältiger, biokompatibel und funktioneller. Die Druckgeschwindigkeit erhöht sich, während die Kosten sinken. Neue Druckverfahren ermöglichen höhere Auflösungen und die Verarbeitung mehrerer Materialien in einem einzigen Druckvorgang, was komplexere und funktionalere Strukturen erlaubt.

Besonders vielversprechend ist die Rolle des 3D-Drucks in der personalisierten Medizin. Die Zukunft der Gesundheitsversorgung wird zunehmend durch individuelle Therapieansätze geprägt sein. Der 3D-Druck ist eine Schlüsseltechnologie, um diese Individualisierung wirtschaftlich und zeitnah umzusetzen.

Auch die Integration von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen in den Designprozess wird die Möglichkeiten erweitern. Algorithmen können optimale Strukturen berechnen, Materialeinsatz minimieren und biomechanische Anforderungen berücksichtigen. Dies führt zu innovativen Lösungen, die mit konventionellen Methoden nicht realisierbar wären.

Dennoch dürfen die Grenzen nicht außer Acht gelassen werden. Der 3D-Druck ist kein Allheilmittel und wird konventionelle Fertigungsverfahren nicht vollständig ersetzen. Für viele Massenprodukte bleiben klassische Methoden wirtschaftlicher. Regulatorische Hürden, die Standardisierung von Prozessen und die Ausbildung von Fachpersonal sind weitere Herausforderungen, die bewältigt werden müssen.

Aus heutiger Sicht lässt sich festhalten: Der 3D-Druck hat sich in der Medizintechnik als wertvolle Ergänzung etabliert und bietet große Chancen für die Patientenversorgung. Mit zunehmender technologischer Reife, sinkenden Kosten und wachsender klinischer Evidenz wird die Bedeutung dieser Technologie in den kommenden Jahren weiter steigen. Die Balance zwischen Innovation und kritischer Bewertung wird entscheidend sein, um die Potenziale verantwortungsvoll zu nutzen und zum Wohl der Patienten einzusetzen.

Quellen

• Konta AA, García-Piña M, Serrano DR. Personalised 3D Printed Medicines: Which Techniques and Polymers Are More Successful?. Bioengineering (Basel). 2017;4(4):79. Published 2017 Sep 22. doi:10.3390/bioengineering4040079
• Sun, X., Ren, W., Xie, L., Ren, Q., Zhu, Z., Jia, Q., … Yu, Y. (2024). Recent advances in 3D bioprinting of tissues and organs for transplantation and drug screening. Virtual and Physical Prototyping, 19(1). https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2384662Externer Link. Öffnet im neuen Fenster/Tab.
• Kanumilli SLD, Kosuru BP, Shaukat F, Repalle UK. Advancements and Applications of Three-dimensional Printing Technology in Surgery. J Med Phys. 2024;49(3):319-325. doi:10.4103/jmp.jmp_89_24
• https://www.uteshiyamedicare.com/improvements-in-3d-printing-in-the-medical-field-changing-health-care-in-2024/Externer Link. Öffnet im neuen Fenster/Tab.
• https://www.medicaldesignandoutsourcing.com/high-precision-3d-printing-healthcare-innovation-predictions-bmf/Externer Link. Öffnet im neuen Fenster/Tab.
• https://www.rapidtech-3d.de/de/c/3d-druck-in-der-medizin.56006Externer Link. Öffnet im neuen Fenster/Tab.

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Christian Käppel ist Senior Expert Custom Product Technology / Additive Manufacturing bei Ottobock