3D-Drucker in der Medizin: Spannende Anwendungen und mögliche Anwendungen

Inhalt

• Medizin mit 3D-Druckern transformieren
• Wie funktioniert ein 3D-Drucker?
• Ein Ohr machen
• Unterschied zwischen einer Form und einem Gerüst
• Mögliche Vorteile von gedruckten Ohren
• Drucken eines unteren Kiefers
• Prothetik und implantierbare Gegenstände
• Mehr Beispiele
• Bioprinting mit lebenden Zellen: Eine mögliche Zukunft
• Organ- und Gewebeaustausch
• Einige Bioprinting-Erfolge
• Teile des Herzens drucken
• Eine Hornhaut erstellen
• Vorteile von Mini-Organen, Organoiden oder Organen auf einem Chip
• Eine Struktur, die die Lunge nachahmt
• Einige Herausforderungen für das Bioprinting
• Verweise

Linda Crampton unterrichtete viele Jahre lang Schüler in Naturwissenschaften und Informationstechnologie. Sie lernt gerne über neue Technologien.

Medizin mit 3D-Druckern transformieren

Der 3D-Druck ist ein aufregender Aspekt der Technologie, der viele nützliche Anwendungen bietet. Eine faszinierende und möglicherweise sehr wichtige Anwendung von 3D-Druckern ist die Schaffung von Materialien, die in der Medizin verwendet werden können. Diese Materialien umfassen implantierbare medizinische Geräte, künstliche Körperteile oder Prothesen sowie kundenspezifische medizinische Instrumente. Dazu gehören auch gedruckte Flecken lebenden menschlichen Gewebes sowie Mini-Organe. In Zukunft können implantierbare Organe gedruckt werden.

3D-Drucker können feste, dreidimensionale Objekte basierend auf einem digitalen Speicher drucken, das im Speicher eines Computers gespeichert ist. Ein übliches Druckmedium ist flüssiger Kunststoff, der sich nach dem Drucken verfestigt, es sind jedoch auch andere Medien verfügbar. Dazu gehören Metallpulver und "Tinten", die lebende Zellen enthalten.

Die Fähigkeit von Druckern, Materialien herzustellen, die mit dem menschlichen Körper kompatibel sind, verbessert sich rasch. Einige der Materialien werden bereits in der Medizin verwendet, während sich andere noch im experimentellen Stadium befinden. Viele Forscher sind an der Untersuchung beteiligt. Der 3D-Druck hat das verlockende Potenzial, die medizinische Behandlung zu verändern.

Wie funktioniert ein 3D-Drucker?

Der erste Schritt bei der Erstellung eines dreidimensionalen Objekts durch einen Drucker besteht darin, das Objekt zu entwerfen. Dies erfolgt in einem CAD-Programm (Computer-Aided Design). Sobald der Entwurf fertig ist, erstellt ein anderes Programm Anweisungen zum Erstellen des Objekts in einer Reihe von Ebenen. Dieses zweite Programm wird manchmal als Slicing-Programm oder als Slicer-Software bezeichnet, da es den CAD-Code für das gesamte Objekt in Code für eine Reihe von Slices oder horizontalen Ebenen konvertiert. Die Schichten können zu Hunderten oder sogar zu Tausenden nummeriert sein.

Der Drucker erstellt das Objekt, indem er Materialschichten gemäß den Anweisungen des Slicer-Programms ablegt, beginnend am unteren Rand des Objekts und nach oben arbeitend. Aufeinanderfolgende Schichten werden miteinander verschmolzen. Das Verfahren wird als additive Fertigung bezeichnet.

Kunststofffilamente werden häufig als Medium für den 3D-Druck verwendet, insbesondere in verbraucherorientierten Druckern. Der Drucker schmilzt das Filament und extrudiert dann heißen Kunststoff durch eine Düse. Die Düse bewegt sich in allen Dimensionen, während sie den flüssigen Kunststoff freisetzt, um ein Objekt zu erzeugen. Die Bewegung der Düse und die Menge des extrudierten Kunststoffs werden durch das Schneidprogramm gesteuert. Der heiße Kunststoff verfestigt sich fast unmittelbar nach dem Lösen aus der Düse. Andere Arten von Druckmedien sind für spezielle Zwecke erhältlich.

Der Teil des Ohrs, der von außen sichtbar ist, wird als Ohrmuschel oder Ohrmuschel bezeichnet. Der Rest des Ohrs befindet sich im Schädel. Die Funktion der Ohrmuschel besteht darin, Schallwellen zu sammeln und an den nächsten Abschnitt des Ohrs zu senden.

Ein Ohr machen

Im Februar 2013 gaben Wissenschaftler der Cornell University in den USA bekannt, dass sie mit Hilfe des 3D-Drucks eine Ohrmuschel herstellen konnten. Die von den Cornell-Wissenschaftlern verfolgten Schritte waren wie folgt.

• In einem CAD-Programm wurde ein Ohrmodell erstellt. Die Forscher verwendeten Fotografien von echten Ohren als Grundlage für dieses Modell.
• Das Ohrmodell wurde mit einem 3D-Drucker gedruckt, wobei aus Kunststoff eine Form mit der Form des Ohrs erstellt wurde.
• Ein Hydrogel, das ein Protein namens Kollagen enthielt, wurde in die Form gegeben. Ein Hydrogel ist ein Gel, das Wasser enthält.
• Chondrozyten (Zellen, die Knorpel produzieren) wurden aus dem Ohr einer Kuh gewonnen und dem Kollagen zugesetzt.
• Das Kollagenohr wurde in eine Nährlösung in einer Laborschale gegeben. Während sich das Ohr in der Lösung befand, ersetzten einige der Chondrozyten das Kollagen.
• Das Ohr wurde dann in den Rücken einer Ratte unter ihrer Haut implantiert.
• Nach drei Monaten war das Kollagen im Ohr vollständig durch Knorpel ersetzt worden, und das Ohr hatte seine Form und Unterscheidung von den umgebenden Rattenzellen beibehalten.

Unterschied zwischen einer Form und einem Gerüst

Bei dem oben beschriebenen Ohrherstellungsprozess war das Kunststoffohr eine inerte Form. Seine einzige Funktion bestand darin, die richtige Form für das Ohr bereitzustellen. Das Kollagenohr, das sich in der Form bildete, fungierte als Gerüst für die Chondrozyten. Beim Tissue Engineering ist ein Gerüst ein biokompatibles Material mit einer bestimmten Form, auf dem Zellen wachsen. Das Gerüst hat nicht nur die richtige Form, sondern auch Eigenschaften, die die Lebensdauer der Zellen unterstützen.

Seit der Durchführung des ursprünglichen Ohrentstehungsprozesses haben die Cornell-Forscher einen Weg gefunden, ein Kollagengerüst mit der richtigen Form zu drucken, die für die Herstellung eines Ohrs erforderlich ist, sodass keine Kunststoffform erforderlich ist.

Mögliche Vorteile von gedruckten Ohren

Mit Hilfe von Druckern hergestellte Ohren können für Menschen nützlich sein, die aufgrund von Verletzungen oder Krankheiten ihre eigenen Ohren verloren haben. Sie könnten auch Menschen helfen, die ohne Ohren geboren wurden oder solche haben, die sich nicht richtig entwickelt haben.

Im Moment werden Ersatzohren manchmal aus Knorpel in der Rippe eines Patienten hergestellt. Das Erhalten des Knorpels ist für den Patienten eine unangenehme Erfahrung und kann die Rippe beschädigen. Darüber hinaus sieht das resultierende Ohr möglicherweise nicht sehr natürlich aus. Die Ohren bestehen ebenfalls aus künstlichem Material, aber auch hier ist das Ergebnis möglicherweise nicht ganz zufriedenstellend. Gedruckte Ohren haben das Potenzial, eher wie natürliche Ohren auszusehen und effizienter zu arbeiten.

Im März 2013 berichtete eine Firma namens Oxford Performance Materials, dass sie 75% des Schädels eines Mannes durch einen bedruckten Polymerschädel ersetzt hatten. 3D-Drucker werden auch zur Herstellung von Gesundheitsgeräten wie Prothesen, Hörgeräten und Zahnimplantaten verwendet.

Drucken eines unteren Kiefers

Im Februar 2012 berichteten niederländische Wissenschaftler, dass sie mit einem 3D-Drucker einen künstlichen Unterkiefer geschaffen und ihn einer 83-jährigen Frau ins Gesicht implantiert hatten. Die Backe bestand aus Schichten aus Titanmetallpulver, die durch Hitze verschmolzen waren, und war mit einer biokeramischen Beschichtung bedeckt. Biokeramische Materialien sind mit menschlichem Gewebe kompatibel.

Die Frau erhielt den künstlichen Kiefer, weil sie eine chronische Knocheninfektion im eigenen Unterkiefer hatte. Die Ärzte waren der Ansicht, dass die traditionelle Gesichtsrekonstruktion aufgrund ihres Alters für die Frau zu riskant sei.

Der Kiefer hatte Gelenke, so dass er bewegt werden konnte, sowie Hohlräume für Muskelansätze und Rillen für Blutgefäße und Nerven. Die Frau konnte ein paar Worte sagen, sobald sie aus dem Anästhetikum aufwachte. Am nächsten Tag konnte sie schlucken. Sie ging nach vier Tagen nach Hause. Es war geplant, zu einem späteren Zeitpunkt falsche Zähne in den Kiefer zu implantieren.

Gedruckte Strukturen werden auch in der medizinischen Ausbildung und in der präoperativen Planung verwendet. Ein dreidimensionales Modell, das aus medizinischen Scans eines Patienten erstellt wurde, kann für Chirurgen sehr nützlich sein, da es die spezifischen Bedingungen im Körper des Patienten anzeigen kann. Dies kann komplexe Operationen vereinfachen.

Prothetik und implantierbare Gegenstände

Der oben beschriebene Metallkiefer ist eine Art Prothese oder künstliches Körperteil. Die Herstellung von Prothesen ist ein Bereich, in dem 3D-Drucker an Bedeutung gewinnen. Einige Krankenhäuser haben inzwischen eigene Drucker oder arbeiten mit einem medizinischen Versorgungsunternehmen zusammen, das über einen Drucker verfügt.

Die Herstellung einer Prothese durch 3D-Druck ist oft ein schnellerer und billigerer Prozess als die Herstellung durch herkömmliche Herstellungsverfahren. Darüber hinaus ist es einfacher, eine individuelle Passform für einen Patienten zu erstellen, wenn ein Gerät speziell für die Person entwickelt und gedruckt wird. Krankenhaus-Scans können verwendet werden, um maßgeschneiderte Geräte zu erstellen.

Ersatzglieder werden heutzutage häufig in 3D gedruckt, zumindest in einigen Teilen der Welt. Bedruckte Arme und Hände sind oft erheblich billiger als herkömmliche Verfahren. Eine 3D-Druckerei arbeitet mit Walt Disney zusammen, um farbenfrohe und lustige Handprothesen für Kinder herzustellen. Die Initiative schafft nicht nur ein billigeres Produkt, das erschwinglicher ist, sondern soll "Kindern helfen, ihre Prothesen eher als Quelle der Aufregung als als Verlegenheit oder Einschränkung zu betrachten".

Mehr Beispiele

• Ende 2015 wurden gedruckte Wirbel erfolgreich bei einem Patienten platziert. Die Patienten haben auch ein gedrucktes Brustbein und einen Brustkorb erhalten.
• Mit dem 3D-Druck werden verbesserte Zahnimplantate hergestellt.
• Ersatzhüftgelenke werden häufig gedruckt.
• Katheter, die der spezifischen Größe und Form eines Durchgangs im Körper eines Patienten entsprechen, könnten bald üblich sein.
• Der 3D-Druck ist häufig an der Herstellung von Hörgeräten beteiligt.

Bioprinting mit lebenden Zellen: Eine mögliche Zukunft

Das Drucken mit lebenden Zellen oder das Bioprinting findet heute statt. Es ist ein heikler Prozess. Die Zellen dürfen nicht zu heiß werden. Die meisten Methoden des 3D-Drucks beinhalten hohe Temperaturen, die Zellen abtöten würden. Außerdem darf die Trägerflüssigkeit für die Zellen diese nicht schädigen. Die Flüssigkeit und die darin enthaltenen Zellen werden als Bio-Tinte (oder Bioink) bezeichnet.

Organ- und Gewebeaustausch

Der Ersatz beschädigter Organe durch Organe aus 3D-Druckern wäre eine wunderbare Revolution in der Medizin. Im Moment gibt es nicht genug gespendete Organe für alle, die sie brauchen.

Es ist geplant, Zellen aus dem eigenen Körper eines Patienten zu entnehmen, um ein Organ zu drucken, das er benötigt. Dieser Prozess sollte die Abstoßung von Organen verhindern. Die Zellen wären wahrscheinlich Stammzellen, bei denen es sich um nicht spezialisierte Zellen handelt, die in der Lage sind, andere Zelltypen zu produzieren, wenn sie korrekt stimuliert werden. Die verschiedenen Zelltypen werden vom Drucker in der richtigen Reihenfolge hinterlegt. Forscher entdecken, dass zumindest einige Arten menschlicher Zellen eine erstaunliche Fähigkeit haben, sich selbst zu organisieren, wenn sie abgelagert werden, was bei der Schaffung eines Organs sehr hilfreich wäre.

Ein spezieller 3D-Druckertyp, der als Bioprinter bekannt ist, wird zur Herstellung von lebendem Gewebe verwendet. Bei einem üblichen Verfahren zur Herstellung des Gewebes wird ein Hydrogel von einem Druckerkopf gedruckt, um ein Gerüst zu bilden. Winzige Flüssigkeitströpfchen, die jeweils viele tausend Zellen enthalten, werden von einem anderen Druckerkopf auf das Gerüst gedruckt. Die Tröpfchen verbinden sich bald und die Zellen werden aneinander gebunden. Wenn sich die gewünschte Struktur gebildet hat, wird das Hydrogelgerüst entfernt.Es kann abgezogen oder abgewaschen werden, wenn es wasserlöslich ist. Es können auch biologisch abbaubare Gerüste verwendet werden. Diese brechen in einem lebenden Körper allmählich zusammen.

In der Medizin ist eine Transplantation die Übertragung eines Organs oder Gewebes von einem Spender auf einen Empfänger. Ein Implantat ist das Einsetzen eines künstlichen Geräts in den Körper des Patienten. Das 3D-Bioprinting liegt irgendwo zwischen diesen beiden Extremen. Sowohl "Transplantation" als auch "Implantat" werden verwendet, wenn auf von einem Bioprinter hergestellte Gegenstände Bezug genommen wird.

Einige Bioprinting-Erfolge

Nicht lebende Implantate und Prothesen, die von 3D-Druckern hergestellt wurden, werden bereits beim Menschen eingesetzt. Die Verwendung von Implantaten, die lebende Zellen enthalten, erfordert mehr Forschung, die durchgeführt wird. Ganze Organe können noch nicht im 3D-Druck hergestellt werden, Teile von Organen jedoch. Es wurden viele verschiedene Strukturen gedruckt, einschließlich Herzmuskelflecken, die schlagen können, Hautflecken, Segmente von Blutgefäßen und Knieknorpel. Diese wurden noch nicht in Menschen implantiert. 2017 stellten Wissenschaftler einen Prototyp eines Druckers vor, mit dem menschliche Haut für die Implantation hergestellt werden kann, und 2018 druckten andere Wissenschaftler Hornhäute in einem Prozess, der eines Tages zur Reparatur von Augenschäden verwendet werden könnte.

Einige hoffnungsvolle Entdeckungen wurden 2016 gemeldet. Ein Team von Wissenschaftlern implantierte drei Arten von bioprinted Strukturen unter die Haut von Mäusen. Dazu gehörten eine menschliche Ohrmuschel in Babygröße, ein Muskelstück und ein Abschnitt des menschlichen Kieferknochens. Blutgefäße aus der Umgebung erstreckten sich in all diese Strukturen, während sie sich in den Körpern der Mäuse befanden. Dies war eine aufregende Entwicklung, da eine Blutversorgung notwendig ist, um das Gewebe am Leben zu erhalten. Das Blut transportiert Nährstoffe zu lebenden Geweben und nimmt deren Abfälle weg.

Es war auch aufregend festzustellen, dass die implantierten Strukturen am Leben bleiben konnten, bis sich die Blutgefäße entwickelt hatten. Dieses Kunststück wurde durch die Existenz winziger Poren in den Strukturen erreicht, durch die Nährstoffe in sie eindringen konnten.

Teile des Herzens drucken

Eine Hornhaut erstellen

Wissenschaftler der Newcastle University in Großbritannien haben 3D-gedruckte Hornhäute hergestellt. Die Hornhaut ist die transparente, äußerste Bedeckung unserer Augen. Schwerwiegende Schäden an dieser Abdeckung können zur Erblindung führen. Eine Hornhauttransplantation löst häufig das Problem, aber es stehen nicht genügend Hornhäute zur Verfügung, um allen zu helfen, die sie benötigen.

Die Wissenschaftler erhielten Stammzellen aus einer gesunden menschlichen Hornhaut. Die Zellen wurden dann in ein Gel aus Alginat und Kollagen gegeben. Das Gel schützte die Zellen auf ihrem Weg durch die einzelne Düse des Druckers. Es wurden weniger als zehn Minuten benötigt, um das Gel und die Zellen in der richtigen Form zu drucken. Die Form wurde durch Scannen des Auges einer Person erhalten. (In einer medizinischen Situation würde das Auge des Patienten gescannt.) Sobald die Gel-Zell-Mischung gedruckt war, produzierten die Stammzellen eine vollständige Hornhaut.

Die durch das Druckverfahren hergestellten Hornhäute wurden noch nicht in menschliche Augen implantiert. Es wird wahrscheinlich einige Zeit dauern, bis sie es sind. Sie haben jedoch das Potenzial, vielen Menschen zu helfen.

Die Stimulierung von Stammzellen zur Produktion der spezialisierten Zellen, die erforderlich sind, um einen bestimmten Teil des menschlichen Körpers zum richtigen Zeitpunkt herzustellen, ist eine Herausforderung für sich. Es ist jedoch ein Prozess, der für uns wunderbare Vorteile haben könnte.

Vorteile von Mini-Organen, Organoiden oder Organen auf einem Chip

Wissenschaftler konnten Mini-Organe durch 3D-Druck (und andere Methoden) herstellen. "Mini-Organe" sind Miniaturversionen von Organen, Organabschnitten oder Gewebeflecken bestimmter Organe. Sie werden zusätzlich zum Begriff Mini-Orgel mit verschiedenen Namen bezeichnet. Die gedruckten Kreationen enthalten möglicherweise nicht alle Arten von Strukturen, die in der Orgel in voller Größe zu finden sind, aber sie sind gute Annäherungen. Untersuchungen zeigen, dass sie wichtige Verwendungszwecke haben könnten, obwohl sie nicht implantierbar sind.

Mini-Organe werden nicht immer aus Zellen hergestellt, die von einem zufälligen Spender geliefert werden. Stattdessen werden sie oft aus den Zellen einer Person hergestellt, die eine Krankheit hat. Forscher können die Wirkung von Medikamenten auf das Mini-Organ überprüfen. Wenn sich ein Medikament als hilfreich und nicht schädlich herausstellt, kann es dem Patienten verabreicht werden. Dieser Prozess bietet mehrere Vorteile. Eines ist, dass ein Medikament verwendet werden kann, das wahrscheinlich für die spezifische Version einer Krankheit des Patienten und für sein spezifisches Genom von Vorteil ist, was die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Behandlung erhöht. Ein weiterer Grund ist, dass Ärzte möglicherweise ein ungewöhnliches oder normalerweise teures Medikament für einen Patienten erhalten können, wenn sie nachweisen können, dass das Medikament wahrscheinlich wirksam ist. Darüber hinaus kann das Testen von Arzneimitteln an Miniorganen den Bedarf an Labortieren verringern.

Eine Struktur, die die Lunge nachahmt

Im Jahr 2019 demonstrierten Wissenschaftler der Rice University und der University of Washington die Schaffung eines Mini-Organs, das eine menschliche Lunge in Aktion nachahmt. Die Mini-Lunge besteht aus einem Hydrogel. Es enthält eine kleine lungenartige Struktur, die in regelmäßigen Abständen mit Luft gefüllt wird. Ein Netzwerk von mit Blut gefüllten Gefäßen umgibt die Struktur.

Bei Stimulation dehnen sich die simulierte Lunge und ihre Gefäße aus und ziehen sich rhythmisch zusammen, ohne zu brechen. Das Video zeigt, wie die Struktur funktioniert. Obwohl das Organoid nicht in voller Größe ist und nicht alle Gewebe in einer menschlichen Lunge nachahmt, ist seine Fähigkeit, sich wie eine Lunge zu bewegen, eine sehr wichtige Entwicklung.

Einige Herausforderungen für das Bioprinting

Die Schaffung eines für die Implantation geeigneten Organs ist eine schwierige Aufgabe. Ein Organ ist eine komplexe Struktur, die verschiedene Zelltypen und Gewebe enthält, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind. Während sich die Organe während der Embryonalentwicklung entwickeln, erhalten sie außerdem chemische Signale, die es ermöglichen, dass sich ihre Feinstruktur und ihr kompliziertes Verhalten richtig entwickeln. Diese Signale fehlen, wenn wir versuchen, ein Organ künstlich herzustellen.

Einige Wissenschaftler glauben, dass wir zunächst - und vielleicht für einige Zeit - implantierbare Strukturen drucken werden, die eine einzige Funktion eines Organs anstelle aller seiner Funktionen erfüllen können. Diese einfacheren Strukturen können sehr nützlich sein, wenn sie einen schwerwiegenden Defekt im Körper ausgleichen.

Obwohl es wahrscheinlich Jahre dauern wird, bis bioprinted Organe für Implantate verfügbar sind, sehen wir möglicherweise vorher neue Vorteile der Technologie. Das Forschungstempo scheint zuzunehmen. Die Zukunft des 3D-Drucks in Bezug auf die Medizin sollte sowohl sehr interessant als auch spannend sein.

Verweise

• Ein künstliches Ohr, das von einem 3D-Drucker und lebenden Knorpelzellen des Smithsonian Magazine erstellt wurde.
• Transplantationsbacke hergestellt von einem 3D-Drucker der BBC (British Broadcasting Corporation)
• Bunte 3D-gedruckte Hände von der American Society of Mechanical Engineers
• Bioprinter erstellt von The Guardian maßgeschneiderte, im Labor gezüchtete Körperteile für die Transplantation
• Erste 3D-gedruckte menschliche Hornhaut vom EurekAlert-Nachrichtendienst
• Der 3D-Drucker stellt die kleinste menschliche Leber her, die jemals von New Scientist hergestellt wurde
• Mini-3D-gedruckte Organe ahmen das Schlagen von Herz und Leber von New Scientist nach
• Ein Organ, das die Lunge von Popular Mechanics nachahmt
• Der neue 3D-Drucker stellt lebensgroßes Ohr-, Muskel- und Knochengewebe aus lebenden Zellen von Science Alert her
• 3-D-Bioprinter zum Drucken menschlicher Haut aus dem neuen Dienst von phys.org

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