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LEAD Innovation Blog

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Datum: 12-Sep-2018
Autor: Michael PUTZ

8 Fakten, die Sie über den 3D-Druck in der Medizin wissen sollten

 

Die Anzahl der Patienten, die auf Spenderorgane warten, wird größer. Die Wartezeit auf eine neue Niere, eine Leber oder ein Herz wird immer länger. Organe mittels 3-Druck herzustellen, würde dieses Problem lösen. Wie weit der 3D-Druck in der Medizin bereits fortgeschritten ist und welche Hürden es zu überwinden gilt, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Ein Ohr, gedruckt in Österreich

Beim diesjährigen Pioneers Festival in der Wiener Hofburg präsentierte Danny Cabrera von BioBots ein menschliches Ohr - gedruckt in Österreich. Er hatte es kurz vor seinem Auftritt auf der Hauptbühne des Festivals hergestellt. Das Gerät dafür haben er und seine Gründerkollegen selbst entwickelt: Den BioBot one. Den Apparat können Sie samt eines Starter-Kits im Web-Shop der Firma für 10.000 US-Dollar ordern. Kein wirklich hoher Preis für eine Maschine, mit denen Sie aus einem Gel mit lebenden Zellen feste Körperteile ausdrucken können.

  

Lebendige Bio-Tinte stellt hohe Ansprüche

Der Produktionsprozess eines Ohres sieht dabei bestechend einfach aus. Allerdings stellt der Druck von lebendem Gewebe weit höhere Anforderungen an die Technik, als die Produktion von Spielzeug, Designerstücken, Nahrung oder auch Waffen. Die hohen Temperaturen oder das UV-Licht, das dort in der Regel eingesetzt wird, würde Zellen schädigen oder gar zerstören. BioBot hat deshalb ein Verfahren entwickelt, in dem sichtbares Licht die flüssige Zellmasse in eine feste Form bringt.

Trendsammlung Medizin

 

Ersatzteillager für den Körper

Trotz dieser Aufsehen erregenden Technologie und des angesichts der Möglichkeiten doch recht niedrigen Preises, steckt der 3D-Druck in der Medizin noch in den Kinderschuhen. Wir sind noch weit davon entfernt, kranke Teile des Menschen durch „Ersatzteile“ aus dem Computer bzw. 3D-Drucker ersetzen zu können. Vergessen Sie nicht, dass hier ein technisches Gerät etwas Lebendiges in eine feste Form bringt, und dieses Zellkonglomerat dann seine Funktion im Körper klaglos erfüllen soll. Diese 8 Fakten zeigen Ihnen, wie weit der 3D-Druck in der Medizin tatsächlich schon ist.

 

1) Implantate aus totem Material sind bereits in Gebrauch

Zähne, Hüftgelenke oder Knochen mit einem 3D-Drucker herzustellen, stellt die Technik indes vor keine sehr große Herausforderung mehr. Denn hier dienen Kunststoff, Metall oder Keramik als „Druckertinte“. Also tote Materialien, die der Drucker auf Basis eines Scans aus dem Computertomographen passgenau in die gewünschte Form bringt. Bereits im Jahr 2011 präsentierten Forscher der Washington State University einen Drucker, der aus einem Verbundstoff aus Kunststoff und Keramik Ersatzknochen herstellen kann.

 

2) Lebendes Zellmaterial eignet sich für Implantate besser

Für Chirurgen sind diese „Ersatzteile“ aus totem Material aber unbefriedigend. Besser wäre es, die Implantate aus körpereigenem Gewebe herzustellen. Dann würde der Körper die implantierten „Fremdkörper“ besser annehmen. Doch die Verarbeitung von lebendigem Zellmaterial, so wie das der BioBot one macht, stößt auf Grenzen. Der Chirurg Anthony Atala, Leiter des Wake Forest Instituts für Regenerative Medizin, präsentierte bei den TED-Talks im Jahr 2011 dem staunenden Publikum eine transplantierbare Niere aus dem 3D-Drucker. Allerdings entpuppte sich das Organ als funktionsloser Zellhaufen.

 

3) Die Versorgung mit Nährstoffen ist entscheidend

Gewebe, das auch weiter lebt und seine Funktion erfüllt, lässt sich bisher nur in sehr kleinem Maßstab herstellen. „Wir konnten keine überlebensfähigen Gewebe herstellen, die groß genug waren, um sie als Implantat für Menschen zu benutzen. Und zwar, weil wir sie nicht mit Nährstoffen versorgen konnten“, erläuterte Atala gegenüber dem Deutschlandfunk im Februar dieses Jahres.

 

4) Leben oder Tod entscheidet sich durch Haaresbreite

Die Versorgung des Gewebes mit Nährstoffen entpuppt sich beim 3D-Druck als Problem. Die Schlüsselrolle kommt dabei dem Blut zu. Es versorgt die Zelle mit Nahrung und Sauerstoff und dient auch als körpereigene Müllabfuhr. Ist eine Zelle mehr als 150 bis 200 Mikrometer - in etwa der Dicke eines Haares - von dieser Lebensader entfernt, dann kann sie dauerhaft nicht überleben.

 

5) Eingedruckte Micro-Kanäle dienen als Versorgungskanal

Deshalb funktioniert der 3D-Druck von lebendigem Gewebe schon für sehr dünne „Körperteile“, wie etwa Herzklappen. Knorpel stellt die Technik hingegen vor ein Ver- und Entsorgungsproblem. Atala und sein Forscherteam druckten daraufhin ein System von Mikro-Kanälen in das Gewebe ein. Damit sollte jede Zelle nun optimal versorgt werden können.

 

6) Gedrucktes und natürliches Gewebe vereinen sich

Durch die Kanäle verliert das Gewebe an Festigkeit. Atala versuchte diesen Mangel durch biologisch abbaubare Stützelemente zu beheben. Denn lebende Zellen entwickeln sich ja bekanntlich weiter, damit verwächst das Organ aus dem 3D-Druck mit der Zeit mit dem natürlichen Gewebe: Neue Blutgefäße ersetzen die eingedruckten Versorgungskanäle.

 

7) Knochen, Knorpel und Muskeln funktionieren

Atala testet die neue Methode bei drei verschiedenen Gewebearten: Muskeln, Knorpel und Knochen. Das Ergebnis: Die Muskeln funktionierten zwei Wochen nach ihrem „Ausdruck“. Knorpel benötigten zwei Monate, um fest zu werden. Und die Knochen waren nach fünf Monaten fertig.  

Nach Langzeitbeobachtungen will Atala die Implantate auch bei menschlichen Patienten testen. Für eine implantierbare Niere aus dem 3D-Drucker reicht die Technologie hingegen leider noch nicht aus.

 

Fazit - 3D Druck in der Medizin:

Einem Patienten, der dringend ein Herz benötigt, innerhalb von 24 Stunden ein Ersatzorgan auszudrucken, ist zwar das Ziel von Chirurgen. Möglich ist es allerdings noch nicht. Es wird wohl einige Jahre dauern, bis diese Vision auch Realität wird. Die Forscher sind aber auf dem besten Weg dorthin. Wohl auch deshalb, weil am 3D-Drucker in der Medizin Vertreter vieler verschiedener Disziplinen mitarbeiten: Spezialisten aus dem Feld der Robotik ebenso wie Softwareingenieure und natürlich Mediziner. Silodenken hilft bei einer solch großen Herausforderung nicht weiter. Denn häufig existiert die Lösung eines Problems, das eine Branche oder auch einen wissenschaftlichen Bereich plagt, schon. Um das Wissen von Spezialisten aus völlig unterschiedenen Wissensgebieten für Innovationsprojekte anzuzapfen, eignet sich die LEAD User Methode besonders gut.

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Michael PUTZ

Born in the Salzkammergut. After working for Shell and Porsche, he concentrated on innovation management as a study assistant at the Innovation Department of the Vienna University of Economics and Business Administration. In 2003 he founded LEAD Innovation and manages the company as Managing Partner. Lectures at MIT, in front of companies like Google or NASA.

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