Von der Erfindung zur Innovation: Die Evolution des 3D-Drucks in der Medizin

3D-Druck wurde von Charles W. „Chuck“ Hull erfunden, der die Idee hatte, CAD-Software (Computer-Aided Design) zu verwenden, um dreidimensionale Objekte zu erstellen. Hull baute eine Maschine, die einen UV-Laser nutzte, um Schichten aus Acryl in Formen zu gravieren, bevor er die Schichten stapelte, um Objekte aufzubauen. Er patentierte den „Apparat zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch Stereolithografie“ 1984, was die Geburtsstunde des 3D-Drucks markierte.

In den drei Jahrzehnten seit der Erfindung hat der 3D-Druck Anwendungen in verschiedenen Branchen gefunden, einschließlich des Gesundheitswesens. Da der 3D-Druck fortschrittlicher und wirtschaftlich zugänglicher wird, erweitern sich seine medizinischen Anwendungen kontinuierlich. Dem 3D-Druck können sogar einige der beeindruckendsten jüngsten Fortschritte in der Medizin zugeschrieben werden, darunter 3D-gedrucktes Gefäßgewebe, Prothesen, Knochen sowie eine Vielzahl medizinischer Geräte wie chirurgische Führungen, Herzschrittmacher und mehr.

Wie 3D-Druck das Gesundheitswesen transformiert hat

Die Gesundheitsbranche war eine der frühesten Anwender von 3D-Drucktechnologie. Bereits Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre wurde 3D-Druck zur Herstellung von Zahnimplantaten und individuellen Prothesen eingesetzt, was selbst Charles Hull überraschte, der zugab, nie erwartet zu haben, welchen Einfluss 3D-Druck auf die Medizin haben würde. Seitdem haben sich die medizinischen Anwendungen der Technologie erheblich weiterentwickelt, insbesondere in der letzten halben Dekade.

Da 3D-Druck agil ist und schnelle Iterationen und Anpassungen ermöglicht, ist er einzigartig für Produkte wie Prothesen und Zahnimplantate geeignet, die sowohl hohe Individualisierung als auch Kleinserienproduktion erfordern. Zum Beispiel nutzt Coapt, ein in Chicago ansässiges Unternehmen, das myoelektrische Mustererkennungssysteme für Oberarmprothesen herstellt, additive Fertigungstechnologie, um vollständig reaktionsfähige Prothesenarme zu bauen, die an die Biologie jedes Patienten angepasst sind.

3D-Druck bietet das Potenzial, andere Bereiche der Medizin zu transformieren, insbesondere die Orthopädie. Mit 3D-Druck können Orthopäden Strukturen erstellen, die die Biologie eines Patienten perfekt nachahmen, was eines Tages helfen könnte, die Beschwerden und Degradation, die mit „Einheitsgröße“-Knochenimplantaten verbunden sind, zu eliminieren. Obwohl 3D-gedruckte Knochen noch nicht im regulären klinischen Einsatz sind, haben der Erfolg mehrerer Schlagzeilen machender Implantate den Fortschritt und das Versprechen der Technologie demonstriert.

Wohin die Reise geht: 3D-gedruckte Biomaterialien

Während 3D-gedruckte Bio-Geräte wie Prothesen und Knochen erprobt, getestet und in die Praxis umgesetzt wurden, bleibt die nächste Grenze im medizinischen 3D-Druck – organische mimetische Geräte – am Horizont. Anfang der 2000er Jahre baute ein Forscherteam am Boston Children's Hospital erfolgreich Ersatzblasen aus Kollagen und synthetischem Polymer von Hand mit einer Konstruktionsmethode namens „Gerüstbau“ (Scaffolding). Sie beschichteten die Gerüste mit Zellen der Studienteilnehmer, sodass diese zu funktionsfähigen Organen heranwuchsen. Sieben Jahre nach der Implantation befanden sich alle Studienteilnehmer in guter Gesundheit.

Leider ist der Bau von Organen auf diese Weise nicht nur unglaublich kostspielig, sondern auch extrem zeitaufwendig. Auf der Suche nach einem weniger zeitaufwendigen und leichter replizierbaren Mittel zur Herstellung synthetischer Organe gründete der Forschungsstipendiat Dr. Anthony Atala 2004 das Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM). Kurz darauf begannen WFIRM-Forscher, mit dem 3D-Druck synthetischer menschlicher Organe zu experimentieren und entwickelten schließlich Maschinen, die in der Lage waren, Organe und Gewebe für klinische Studien konsistent zu drucken.

Trotz des relativen Erfolgs synthetischer Knochen sind 3D-gedruckte Organe jedoch noch weit von der klinischen Anwendung entfernt. Die Lücke zwischen experimentellen synthetischen Organen und klinisch tragfähigen Organen könnte auf zellulärer Ebene liegen; deshalb versuchen Forscher, 3D-Druck auf lebende Zellen anzuwenden, um menschliches Gewebe zu replizieren. 2019 gelang einem brasilianischen Forscherteam der erfolgreiche Bioprint von „Organoiden“, die alle Funktionen der menschlichen Leber erfüllen, einschließlich Proteinaufbau, Vitaminsspeicherung und Gallensekretion.

Diese Miniaturlebern sind noch nicht transplantationsreif, aber viele Experten glauben, dass der Weg zur Schaffung voll funktionsfähiger menschlicher Organe frei sein wird – und die Medizin für immer verändern wird –, sobald wir menschliches Gewebe erfolgreich per 3D-Druck replizieren können.

Die Zukunft des medizinischen 3D-Drucks

Es ist schwer, das Potenzial zu überschätzen, das 3D-Druck hat, um das Gesundheitswesen zu transformieren. Da additive Fertigungstechnologie zugänglicher und erschwinglicher wird, scheint sinnvolle medizinische Innovation erreichbarer denn je – und es wird zunehmend klar, dass 3D-Druckdienstleistungen in den nächsten zehn Jahren und darüber hinaus eine wichtige Rolle bei der Revolutionierung der Medizin spielen werden.

Für On-Demand-Fertigung vorbereitet, ermöglicht 3D-Druck medizinischen Forschern die Erstellung kleiner Stückzahlen von Teilen für Nischenanwendungen – und schnelles Umsteigen, wenn neue Bedürfnisse entstehen, wie im Fall der COVID-19-Pandemie.

Die Nutzung von 3D-Drucktechnologie – die Wahl der richtigen Materialien, der effektivsten Prozesse und der besten Workflows – kann jedoch schwierig sein. Durch die Partnerschaft mit den Experten von Fast Radius können Sie beruhigt sein, da wir Sie in jeder Phase des Designs, Prototypings, der Produktion und der Auslieferung unterstützen. Wir stellen sicher, dass jedes Design für die Fertigung optimiert ist und Ihre Wahl der Materialien und Produktionsmethode Ihren spezifischen Anforderungen entspricht. Bereit, loszulegen? Kontaktieren Sie uns noch heute.