3D-Technologie: Die stille Revolution

Ob Ohrmuscheln, Oberschenkelknochen, Orthesen oder Operationsschablonen:
Moderne 3-D-Druck-Technologien ermöglichen Anwendungen in zahlreichen klinischen Bereichen. Mittlerweile tüfteln die Forscher auch an 3-D-gedruckten Geweben, Blutgefässen aus Zucker und Medikamenten. Ein Einblick in eine faszinierende Welt.

Christina Bösiger

Hinter der umgangssprachlichen Bezeichnung «3-D-Druck» steht eine ganze Reihe sogenannt additiver Fertigungsverfahren (engl. Additive Manufacturing). Diese arbeiten mit Geräten, die auf der Grundlage von CAD-Daten computergesteuert nach vorgegebenen Messwerten und Formen ein Objekt Schicht für Schicht dreidimensional erzeugen können. Verarbeitet werden dafür entweder pulverförmige, geschmolzene oder flüssige Materialien wie beispielsweise Gips, Kunststoffe (Photopolymere), Keramik, Glas oder Metalle – etwa Titan –, Keramiken und Sand. Im Maschinenbau oder in der Flugzeugindustrie haben sich diese additiven Fertigungsverfahren bereits etabliert. Seit einiger Zeit erobern sie auch medizinische Bereiche: Forscher rund um den Globus ­experimentieren unter anderem mit neuartigen Biofabrikationstechnologien, die die Herstellung von komplexen technisierten Geweben ermöglichen. Volumetrisches Bio­printing, so lautet der Fachbegriff für eine Methode, mit der lebendes Gewebe in ­kürzester Zeit gedruckt werden kann.

Forscher des Laboratory of Applied Photonics Devices (LAPD) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Utrecht eine optische Technik entwickelt, mit der innerhalb weniger Sekunden komplexes Gewebe geformt werden kann.1 Um Gewebe zu erzeugen, projizieren die Forscher einen Laser in ein Spinnrohr, das mit einem mit Stammzellen beladenen Hydrogel gefüllt ist. Sie formen das ­Gewebe, indem sie die Energie des Lichts auf ­bestimmte Stellen fokussieren, die dann ­erstarren. Nach nur wenigen Sekunden erscheint eine komplexe 3-D-Form, die in dem Gel suspendiert ist. Die Stammzellen im Hydrogel sind von diesem Prozess weitgehend unbeeinflusst. Die Forscher führen anschliessend Endothelzellen ein, um das Gewebe zu vaskularisieren, also mit Blut­gefässen zu versorgen. Damit konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es möglich ist, ein Gewebekonstrukt von mehreren Zentimetern Grösse herzustellen. Beispiele für ihre Arbeit sind eine herzklappenähnliche Klappe, ein Meniskus und ein komplex ­geformter Teil des Oberschenkelknochens. Zudem waren sie in der Lage, ineinandergreifende Strukturen zu bauen. Mithilfe dieser Technik könnten Labors zukünftig künstliche Gewebe oder Organe in noch nie da gewesener Geschwindigkeit in Massenproduktion herstellen. Diese Art der Reproduzierbarkeit ist wesentlich, wenn es darum geht, neue Medikamente in vitro zu testen und sie könnte dazu beitragen, Tierver­suche überflüssig zu machen – ein klarer ethischer Vorteil sowie eine Möglichkeit zur Kostensenkung.

3-D-gedruckte Blutgefässe aus Zucker

Keinen Kunststoff, sondern Zucker verwen­dete das Forschungsteam der Rice University zum Drucken komplexer 3-D-Formen. Die Wissenschaftler entwickelten eine ­Methode, mit der durch sogenanntes «Laser-Sintern» von Puderzucker sehr detaillierte Strukturen erzeugt werden können, die die komplizierten, sich verzweigenden Blut­gefässe des Körpers im Labor gewachsenem Gewebe nachahmen.2 Sie konnten aufzeigen, dass sie dicht gepackte Zellen in relativ grossen Konstrukten zwei Wochen lang am Leben erhalten können, indem sie komplexe Blutgefässnetzwerke aus Schablonen von in 3-D gedrucktem Zucker herstellten.2 «Eine der grössten Hürden bei der Entwicklung klinisch relevanter Gewebe ist die Verpackung einer grossen Gewebestruktur mit Hunderten von Millionen lebender Zellen», sagte Ian Kinstlinger, Bioingenieur-Absolvent an der Rice’s Brown School of Engineering und leitender Autor der Studie. «Die Versorgung aller Zellen mit genügend Sauerstoff und Nährstoffen in diesem grossen Gewebevolumen ist eine monumentale Herausforderung. Doch durch die Entwicklung neuer Technologien und Materialien zur Nachahmung natürlich vorkommender Gefässnetze kommen wir dem Punkt näher, an dem wir eine ausreichende Anzahl von Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen können, um eine sinnvolle therapeutische Funktion zu erhalten.» Die Zucker­schablonen wurden mit einem modifizierten Open-Source-Laserschneider im Labor von Studien-Co-Autor Jordan Miller, einem Assistenzprofessor für Bioengineering bei Rice, in 3-D gedruckt. 

Von A wie Armprothesen
bis Z wie Zahnspangen

Auch in der Schweiz wird an Hochschulen, innovativen Un­ter­nehmen und Kliniken auf ­additive Fertigungsverfahren gesetzt. So werden beispielsweise mittels der «HP-Multi-Jet-Fusion»-Technologie sogenannte Aligner, eine Alter­native zur Zahnspange, hergestellt.3 Dieses System arbeitet mit fast unsichtbaren Kunststoffschienen, die die Zähne in die gewünschte Position bringen. Damit diese perfekt sitzen, werden zu Beginn Abdrücke genommen und exakte Modelle des Kiefers erstellt, die als Basis für die computergestützte 3-D-Planung und die anschliessende Herstellung im 3-D-Druckverfahren dienen.

«Einfach, aber funktionell», lautet das Motto eines Schweizer Armprothesen-Herstellers. Sein System besteht aus verschiedenen Teilen, wie zum Beispiel Schäften, Kupplungen und Handmodulen, die in ­diversen Grössen und Farben zusammengestellt werden können. Über einen Online-Konfigurator werden ein 3-D-Scan oder die Messdaten des Patientenarms eingefügt. Anschliessend wird das parameterbasierte Modell des Prothesenarms an einen zertifizierten 3-D-Druckerhersteller geschickt.4 Der Vorteil der 3-D-Drucktechnologie liegt auf der Hand: Der Produktionsprozess ist günstig und der Patient erhält ein hochfunktionelles und individuell gestaltetes Produkt.

Ebenfalls mit dem HP Multi Jet Fusion entwickelt ein weiterer führender Schweizer Anbieter auf dem Gebiet der Orthopädie und REHA-Technik additiv gefertigte Hilfsmittel wie Orthesen und Prothesen5: Ob Zehen- oder Hüftexartikulationsprothesen, ob Finger- oder Oberarmprothesen – sie alle werden nach Mass gemäss den spezifischen Anforderungen der Betroffenen hergestellt.

Und noch ein Beispiel: An der Universitätsklinik Balgrist besteht das Zentrum für 3-D-Operationsplanung und 3-D-Druck aus einem interdisziplinären Team aus Forschern, Ingenieuren und Chirurgen.6 Ihr Ziel ist es, die Behandlungsmethoden von Krankheiten am Bewegungsapparat durch den Einsatz von Computertechnologie zu verbessern. So umfasst die 3-D-Druck-In­frastruktur des Balgrist Campus mehrere ausgeklügelte 3-D-Drucker-Systeme, die es unter anderem ermöglichen, die Anatomie des Patienten inklusive Bänder und Sehnen in Originalgrösse auszudrucken. Dadurch kann sich der Patient ein umfassendes Bild über seine Krankheit machen und der Chirurg kann sich optimal auf die Operation vorbereiten. Bei der Umsetzung von schwierigen Fällen unterstützt die 3-D-Druck-Technologie den Chirurgen mittels patientenspezifischer Navigationshilfen aus dem 3-D-Drucker sowie passgenauen Implantaten.

Medikamente aus dem 3-D-Drucker?

Als ein Zukunftstrend in der Pharmazie gilt der individuelle 3-D-Druck von Medikamenten. So wurde letztes Jahr am Weltapothekerkongress in Abu Dhabi darüber diskutiert, ob Apotheker in Zukunft wieder mehr Tabletten selbst herstellen sollten – minutenschnell und patientenindividuell per 3-D-Druck. In einem in der Pharmazeutischen Zeitung erschienenen Bericht sagte Dr. Ahmed Zidan, Pharmakologe am Center for Drug Evaluation und Research der FDA7: «Noch ist unklar, wie wir die Qualität garantieren können. Die Technik steckt noch in den Kinderschuhen. Der 3-D-Druck in der Arzneimittelherstellung wird kommen, nicht in den nächsten fünf Jahren, aber vielleicht in den nächsten zehn bis fünfzehn Jahren.»

Quellen/Referenzen:
1 Bernal PN, et al. Volumetric Bioprinting of Complex Living-Tissue Constructs within Seconds. Advanced Materials. 2019. DOI: 10.1002/adma.201904209. 2 Kinstlinger IS, et al. Generation of model tissues with dendritic vascular networks via sacrificial laser-sintered carbohydrate templates. Nature Biomedical Engineering. 2020. DOI: 10.1038/s41551-020-0566-1. 3 Nivellmedical (Dental Aligner): https://www.youtube.com/watch?v=yeI32PCq-xY, zuletzt aufgerufen am 17.7.2020. 4 Swiss Prosthetics (Hand-Prothesen): https://www.swissprosthetics.com/, zuletzt aufgerufen am 17.7.2020. 5 Ortho-Team (Prothesen, Orthesen, Schuheinlagen etc.): https://www.youtube.com/watch?v=4vvhjTVJwsA, zuletzt aufgerufen am 17.7.2020. 6 Balgrist: https://www.balgrist.ch/en/research/center-for-3d-preoperative-planning-and-3d-printing/, zuletzt aufgerufen am 17.7.2020. 7 Medikamente: https://www.pharmazeutische-zeitung.de/ein-3-d-drucker-in-jeder-apotheke/, zuletzt aufgerufen am 17.7.2020.