Wie 3D-Modellierung Atemwegsschienen und Stents transformiert: Präzision und Patientenergebnisse verbessern

Wir haben zuvor über die wachsende Rolle von 3D-Modellierung und -Druck in medizinischen Anwendungen und deren Auswirkungen auf die Verbesserung von Menschenleben geschrieben. Aber diese Technologie birgt noch größere Versprechungen, lebensrettende Verfahren zu ermöglichen.

In früheren Blogs haben wir über leistungsstarke Prothesen berichtet, die von der Biomechatronics-Forschungsgruppe am MIT entwickelt wurden, wo das untere Glied modelliert werden muss, um die interne Struktur sowie die Stärke der einzelnen Gewebe und Muskeln zu verstehen, die zur Steuerung des Glieds verwendet werden. Während das grundlegende Glied eine Standardkonstruktion ist, müssen die Befestigungs- und Sensorsstruktur für jeden Kunden modelliert und gefertigt werden.

Wir haben auch diskutiert, wie Mass Customization in den Operationssaal vordringen wird, wo Chirurgen koronare Venenstents und Ersatzgelenke einsetzen, die individuell auf den Patienten angepasst sind, und dass Patienten bald ihre betroffenen Arterien und Gelenke 3D-modellieren lassen, um die genaue Konfiguration und Größe zu bestimmen.

Beide Anwendungssets zeigen, wie 3D-Modellierung und -Druck bestehende Behandlungen und Anwendungen verbessern. Und während sie mehr oder weniger lebensverändernd sind, gibt es eine neue Anwendung, die nur durch 3D-Modellierung und -Druck praktikabel ist – Atemwegs- oder Trachealschienen und Stents – Gegenstände, die Leben retten können.

Aktueller Stand der Dinge

Aktuelle Atemwegs- (tracheobronchiale Baum) Stents sind relativ grobe Konstruktionen, bestehend aus Y-förmigen Rohren mit irgendeinem Mechanismus, um sie an Ort und Stelle zu halten. Sie sehen eher aus wie etwas aus Ihrem Auto als wie ein medizinisches Gerät. Da diese Stents einfach konstruiert und nur annähernd angepasst sind, können sie sich im Atemweg bewegen, was ihre Wirksamkeit verringert. Oder schlimmer noch, der Stent kann durch Schleim verstopft werden oder die Bildung von neuem Gewebe um den Mechanismus verursachen, der ihn an Ort und Stelle halten soll.

Form und Größe dieser Stents können angepasst werden, aber dies erfordert Messungen am Patienten, die dann an den Hersteller kommuniziert werden. Dieser Prozess kann Wochen dauern, bis ein neuer Stent geliefert wird, und führt dennoch zu einem weniger als perfekt sitzenden Stent. Und natürlich gibt es immer Fälle, in denen ein Patient nicht warten kann.

3D-Fertigung auf die nächste Stufe gebracht

Hier kommt Dr. George Chang vom Beth Israel Deaconess Medical Center ins Spiel, der das Potenzial von 3D-Modellierung und -Druck erkannte, um maßgeschneiderte Stents zu entwickeln, die die Passformprobleme aktueller Lösungen beenden. Mit einer Finanzierung für das Projekt stellte Dr. Chang ein diverses Team zusammen, um das Problem anzugehen. Die erste Herausforderung, der das Team begegnete, war, dass kein 3D-Drucker das für den Stent benötigte medizinische Silikon verarbeiten konnte. Die Lösung war, einen 3D-gedruckten Form zu erstellen, der dann verwendet werden konnte, um den benötigten Stent aus dem richtigen Material herzustellen. Basierend auf dieser Erkenntnis schrieb das Team ein Programm, das einen 3D-Scan der Trachea eines Patienten nimmt und die benötigte Form generiert. Nicht nur sitzt der neue Stent perfekt und funktioniert viel besser als frühere kommerzielle Stents, sondern die Zeit zur Generierung des Stents beträgt nur wenige Tage.

Es gibt einen interessanten Nebeneffekt von Dr. Changs Arbeit: Die für Patienten hergestellten Formen stellen ein sehr realistisches Trainingsgerät für Lungenärzte dar, die Bronchoskopie erlernen. Nicht nur sind diese Formen viel günstiger als die aktuellen Trainingsmodelle, sie erfassen alle Details eines echten tracheobronchialen Baums.

Einen Gang höher schalten

So beeindruckend die Pionierarbeit von Dr. Chang auch ist, sie ersetzt im Grunde einen älteren Stent-Stil. Für Säuglinge, die an Tracheobronchomalazie (TBM) leiden, sind die einzigen aktuellen Behandlungen komplizierte Operationen und ständige Beatmung und Überwachung. Selbst mit Operationen sind die Überlebenschancen eines Säuglings nicht gut. Diejenigen, die überleben, wachsen die Erkrankung bis zum Alter von drei Jahren heraus.

TBM ist ein Zustand, bei dem der Atemweg durch innere Organe, die auf einen schwachen tracheobronchialen Baum drücken, komprimiert wird. Während ein Stent eine offensichtliche Lösung sein könnte, gibt es zwei große Herausforderungen:

• Die Größe der Atemwege des Säuglings. Aufgrund von Passformproblemen ist ein Stent nicht praktikabel.
• Jede Abhilfe muss mit dem Säugling mitwachsen.

Das Team von Scott Hollister, PhD, Glenn Green, PhD und Robert Morrison, MD von der University of Michigan, Ann Arbor, entwickelte das Konzept einer 3D-gedruckten Schiene (die die Trachea umgibt), die mit dem Patienten mitwächst. Zudem wollte das Team eine Schiene schaffen, die bioresorbierbar ist, was bedeutet, dass sie innerhalb von ein paar Jahren in den Körper des Kindes aufgenommen wird, was eine spätere Operation zur Entfernung der Schiene überflüssig macht.

Die Lösung beginnt mit einem 3D-Modell, das aus CT-Bildgebung der Atemwege des Säuglings erstellt wird. Aus diesem Modell wird ein 3D-gedrucktes Modell des kindlichen tracheobronchialen Baums für die Anpassung erstellt, zusammen mit der Schiene selbst. Die Schiene wird mit einem Biopolymer namens Polycaprolacton gedruckt, das nicht nur biologisch abbaubar, sondern auch kostengünstig ist. Die resultierende Schiene wird dann um die Trachea des Kindes genäht und stützt die Trachea, bis sie stärker wird.

Die Ergebnisse sind erstaunlich. Die erste Operation mit der Schiene wurde im Februar 2012 an einem kleinen Kind durchgeführt, dessen einzige Alternative Ersticken war. Sobald die Schiene eingesetzt war, kehrte die normale Atmung zurück. Das Kind wurde nach 21 Tagen vom Beatmungsgerät entwöhnt und konnte nach Hause zurückkehren, ohne Anzeichen von Atemproblemen. Angesichts der Tatsache, dass TBM 1 von 2.200 in den USA geborenen Säuglingen betrifft, wird die Anzahl der geretteten Leben enorm sein.

Für die Zukunft können wir erwarten, dass diese Art von 3D-Modellierungs- und -Druck-basierten Lösungen bioresorbierbare Stents und Schienen für verschiedene Zustände schaffen und Tausenden von Patienten neue Hoffnung bieten.