Der Einfluss der 3D-Modellierung auf Atemwegsschienen und Stents

Wir haben bereits über die wachsende Rolle der 3D-Modellierung und des 3D-Drucks in medizinischen Anwendungen und ihre Auswirkungen auf die Verbesserung des Lebens der Menschen geschrieben. Aber diese Technologie verspricht immer mehr, lebensrettende Verfahren zu ermöglichen.

In früheren Blogs haben wir über angetriebene Prothesen berichtet, die von der Biomechatronik-Forschungsgruppe am MIT entwickelt wurden, wo die untere Extremität modelliert werden muss, um die innere Struktur sowie die Stärke einzelner Gewebe und Muskeln zu verstehen, die zur Steuerung der Extremität verwendet werden. Während also das grundlegende Glied eine Standardkonstruktion ist, müssen die Befestigungs- und Sensorstruktur für jeden Kunden modelliert und hergestellt werden.

Wir haben auch darüber gesprochen, wie sich die Massenanpassung auf den Operationssaal ausdehnen wird, wo Chirurgen Koronarvenenstents und Ersatzgelenke einsetzen, die an den Patienten angepasst sind, und dass Patienten bald ihre betroffenen Arterien und Gelenke in 3D modellieren lassen werden, um die genaue Konfiguration und Größe zu bestimmen benötigt.

Diese beiden Anwendungsgruppen zeigen, wie 3D-Modellierung und -Druck bestehende Behandlungen und Anwendungen verbessern. Und während sie das Leben mehr oder weniger verändern, gibt es eine neue Anwendung, die nur ist praktisch durch 3D-Modellierung und -Druck – Atemwegs- oder Trachealstents und -schienen – Dinge, die Leben retten können.

Aktueller Stand

Gegenwärtige Atemwegsstents (Tracheobronchialbaum) sind relativ grobe Stents, die aus Y-förmigen Schläuchen mit einer Art Mechanismus bestehen, um sie an Ort und Stelle zu halten. Sie wirken eher wie etwas aus Ihrem Auto als wie ein medizinisches Gerät. Da diese Stents einfach im Aufbau sind und nur ungefähr angepasst sind, können sie sich innerhalb des Atemwegs bewegen, was ihre Wirksamkeit verringert. Oder schlimmer noch, der Stent kann mit Schleim verstopft werden oder die Bildung von neuem Gewebe um den Mechanismus verursachen, der ihn an Ort und Stelle halten soll.

Die Form und Größe dieser Stents kann individuell angepasst werden, erfordert jedoch, dass Messungen am Patienten vorgenommen und dann dem Hersteller mitgeteilt werden. Dieser Prozess kann Wochen dauern, bis ein neuer Stent eingesetzt wird, und führt dennoch zu einem nicht perfekt sitzenden Stent. Und natürlich gibt es immer wieder Fälle, wo ein Patient nicht warten kann.

3D-Fertigung auf die nächste Stufe gebracht

Betreten Sie Dr. George Chang vom Beth Israel Deaconess Medical Center, der die potenzielle Anwendung von 3D-Modellierung und -Druck sah, um kundenspezifische Stents zu entwickeln, die die Passformprobleme aktueller Lösungen beseitigen. Mit einem Zuschuss zur Finanzierung des Projekts stellte Dr. Chang ein vielfältiges Team zusammen, um das Problem anzugehen. Die erste Herausforderung, auf die das Team stieß, bestand darin, dass kein 3D-Drucker das für den Stent benötigte medizinische Silikon verarbeiten konnte. Die Lösung bestand darin, eine Form in 3D zu drucken, mit der dann der benötigte Stent aus dem richtigen Material hergestellt werden konnte. Basierend auf dieser Erkenntnis schrieb das Team ein Programm, um einen 3D-Scan der Luftröhre eines Patienten zu erstellen und die benötigte Form zu erzeugen. Der neue Stent passt nicht nur perfekt und funktioniert viel besser als frühere kommerzielle Stents, sondern die Herstellung des Stents dauert auch nur wenige Tage.

Es gibt ein interessantes Nebenprodukt von Dr. Changs Arbeit:Die für Patienten hergestellten Abdrücke stellen ein sehr realitätsnahes Trainingsgerät für Lungenärzte dar, die lernen, eine Bronchoskopie durchzuführen. Diese Formen sind nicht nur viel billiger als die derzeit verwendeten Trainingsmodelle, sie erfassen auch alle Details eines echten Tracheobronchialbaums.

Bis elf anwählen

So beeindruckend die Pionierarbeit von Dr. Chang auch ist, im Grunde ersetzt sie einen Stent älterer Bauart. Aber für Säuglinge, die an Tracheobronchomalazie (oder TBM) leiden, sind die einzigen aktuellen Behandlungen komplizierte Operationen und ständige Beatmung und Überwachung. Trotz der Operationen stehen die Überlebenschancen eines Säuglings nicht gut. Diejenigen, die überleben, wachsen jedoch bis zum Alter von drei Jahren aus der Erkrankung heraus.

TBM ist ein Zustand, bei dem die Atemwege komprimiert werden, weil innere Organe auf einen schwachen Tracheobronchialbaum drücken. Während ein Stent eine offensichtliche Lösung sein könnte, gibt es zwei große Herausforderungen:

• Die Größe der Atemwege des Säuglings. Aufgrund von Problemen beim Anpassen ist ein Stent nicht praktikabel.
• Jedes Heilmittel muss mit dem Kind wachsen.

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 Luftröhre umgibt), die mit dem Patienten mitwächst. Darüber hinaus wollte das Team eine Schiene entwickeln, die bioresorbierbar ist, d. h. sie würde einfach innerhalb weniger Jahre vom Körper des Kindes aufgenommen werden, wodurch die Notwendigkeit einer späteren Operation zur Entfernung der Schiene entfällt.

Mit freundlicher Genehmigung des Gesundheitssystems der Universität von Michigan

Die Lösung beginnt mit einem 3D-Modell, das aus einer CT-Bildgebung der Atemwege des Säuglings erstellt wurde. Aus diesem Modell wird zusammen mit der Schiene selbst ein 3D-gedrucktes Modell des Tracheobronchialbaums des Kindes erstellt, das zur Anpassung verwendet wird. 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 Luftröhre des Kindes genäht und stützt die Luftröhre, 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 das Ersticken war. Sobald die Schiene angebracht war, kehrte die normale Atmung zurück. Der Säugling wurde nach 21 Tagen von einem Beatmungsgerät entfernt und konnte ohne Anzeichen von Atembeschwerden nach Hause zurückkehren. Wenn man bedenkt, dass 1 von 2.200 in den USA geborenen Säuglingen von TBM betroffen ist, wird die Zahl der geretteten Leben enorm sein.

In Zukunft können wir davon ausgehen, dass wir diese Art von 3D-Modellierungs- und druckbasierten Lösungen sehen werden, um bioresorbierbare Stents und Schienen für verschiedene Erkrankungen zu schaffen, die Tausenden von Patienten neue Hoffnung bieten.