3D-gedruckte Knochenimplantate: Metallische Knochen, die sich in den Körper integrieren

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  Quantumrun-Vorausschau
• 28. Juni 2023

Insight-Highlights

Der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung macht im medizinischen Bereich, insbesondere bei Knochenimplantaten, große Fortschritte. Zu den ersten Erfolgen zählen ein 3D-gedrucktes Titan-Kieferknochenimplantat und 3D-gedruckte Implantate für Osteonekrose-Patienten, die praktisch eine Alternative zur Amputation darstellen. Mediziner blicken optimistisch in die Zukunft 3D-gedruckter Knochen, die genetische Missbildungen korrigieren, Gliedmaßen vor Traumata oder Krankheiten bewahren und das Wachstum von neuem, natürlichem Knochengewebe mithilfe 3D-gedruckter „hyperelastischer“ Knochen unterstützen könnten.

Kontext von 3D-gedruckten Knochenimplantaten

Beim dreidimensionalen Drucken wird Software verwendet, um Objekte durch eine Schichtmethode zu erstellen. Diese Art von Drucksoftware wird manchmal als additive Fertigung bezeichnet und umfasst verschiedene Materialien wie Kunststoffe, Verbundwerkstoffe oder biomedizinische Materialien. 

Für den 3D-Druck von Knochen und Knochengerüsten werden einige Komponenten verwendet, wie zum Beispiel:

• Metallmaterialien (wie Titanlegierung und Magnesiumlegierung), 
• Anorganische nichtmetallische Materialien (z. B. biologisches Glas), 
• Biologische Keramik und biologischer Zement und 
• Hochmolekulare Materialien (wie Polycaprolacton und Polymilchsäure).

Einer der frühesten Erfolge bei 3D-gedruckten Knochenimplantaten war 2012, als das in den Niederlanden ansässige Medizindesignunternehmen Xilloc Medical ein Titanimplantat druckte, um den Kiefer eines Mundkrebspatienten zu ersetzen. Das Team nutzte komplizierte Algorithmen, um den digitalen Kieferknochen so zu verändern, dass sich nach dem Drucken Blutgefäße, Nerven und Muskeln am Titanimplantat festsetzen konnten.

Störende Wirkung

Osteonekrose oder Knochentod des Talus im Sprunggelenk kann zu lebenslangen Schmerzen und Bewegungseinschränkungen führen. In einigen Fällen kann eine Amputation erforderlich sein. Bei einigen Patienten mit Osteonekrose kann jedoch ein 3D-gedrucktes Implantat als Alternative zur Amputation verwendet werden. Im Jahr 2020 verwendete das in Texas ansässige UT Southwestern Medical Center einen 3D-Drucker, um Knöchelknochen durch eine Metallversion zu ersetzen. Um den 3D-gedruckten Knochen herzustellen, benötigten die Ärzte als Referenz CT-Scans des Talus des gesunden Fußes. Mit diesen Bildern arbeiteten sie mit einem Dritten zusammen, um drei Kunststoffimplantate in verschiedenen Größen für den Testeinsatz herzustellen. Die Ärzte wählen die beste Passform aus, bevor sie vor der Operation ein endgültiges Implantat drucken. Das verwendete Metall war Titan; und nachdem das tote Talus entfernt worden war, wurde das neue eingesetzt. Die 3D-Nachbildung ermöglicht Bewegungen im Sprunggelenk und den Subtalargelenken und ermöglicht so die Bewegung des Fußes auf und ab sowie von einer Seite zur anderen.

Ärzte blicken optimistisch in die Zukunft 3D-gedruckter Knochen. Diese Technologie öffnet die Tür zur Korrektur genetischer Fehlbildungen oder zur Rettung von Gliedmaßen, die durch Trauma oder Krankheit geschädigt wurden. Ähnliche Verfahren werden für andere Körperteile getestet, darunter auch für Patienten, die durch Krebs Gliedmaßen und Organe verlieren. Neben der Möglichkeit, feste Knochen in 3D zu drucken, entwickelten Forscher im Jahr 3 auch einen 2022D-gedruckten „hyperelastischen“ Knochen. Dieses synthetische Knochenimplantat ähnelt einem Gerüst oder Gitter und soll das Wachstum und die Regeneration von neuem, natürlichem Knochengewebe unterstützen.

Auswirkungen von 3D-gedruckten Knochenimplantaten

Weitere Auswirkungen von 3D-gedruckten Knochenimplantaten können sein: 

• Versicherungsgesellschaften erstellen Versicherungspolicen für 3D-Implantate. Dieser Trend kann zu unterschiedlichen Vergütungen führen, die auf den unterschiedlichen verwendeten 3D-Druckmaterialien basieren. 
• Implantate werden mit der Weiterentwicklung und zunehmender Kommerzialisierung der medizinischen 3D-Drucktechnologie immer kostengünstiger. Diese Kostensenkungen werden die Gesundheitsversorgung für die Armen und in Entwicklungsländern verbessern, wo kosteneffiziente Verfahren am dringendsten benötigt werden.
• Medizinstudenten verwenden 3D-Drucker, um Knochenprototypen für Tests und chirurgische Übungen zu erstellen.
• Immer mehr Medizingeräteunternehmen investieren in biomedizinische 3D-Drucker, um der steigenden Nachfrage im Gesundheitswesen gerecht zu werden.
• Immer mehr Wissenschaftler arbeiten mit Technologiefirmen zusammen, um 3D-Drucker speziell für den Organ- und Knochenersatz zu entwickeln.
• Patienten mit Knochentod oder Knochendefekten erhalten 3D-Drucke, die die Bewegung wiederherstellen können.

Fragen zum Kommentieren

• Wie kann die 3D-Drucktechnologie Ihrer Meinung nach den medizinischen Bereich sonst noch unterstützen?
• Welche potenziellen Herausforderungen könnten 3D-gedruckte Implantate mit sich bringen?