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© pixabay / PublicDomainPictures

Als ein fester Bestandteil der voranschreitenden Digitalisierung revolutioniert die additive Fertigung nicht nur Branchen wie Luft- und Raumfahrt oder die Automobilindustrie. Vor allem im medizinischen Bereich bietet der 3D Drucker spannende Einsatzgebiete. Zum einen können künstliche Gelenke, Knochen und Gewebestrukturen ganz einfach vom Fachmediziner additiv gefertigt werden, zum anderen forschen Wissenschaftler seit einiger Zeit intensiv an Biotinte. Diese ermöglicht den dreidimensionalen Druck voll funktionsfähiger Organe.

Es ist Forschern bereits gelungen, eine Niere mittels 3D Druck nachzubilden. Auch ein komplettes Herz konnte mit Biotinte schon ausgedruckt werden. Nachdem es etwa 50 Mal geschlagen hatte, zeigten sich aber erste Risse im dreidimensionalen Objekt. Für die Transplantation eignen sich additiv gefertigte Organe heute noch nicht in vollem Maße, der Stent für den Herz-Bypass kann allerdings jetzt schon aus dem 3D Drucker kommen.

Wird zusätzlich zu gut verträglichen Kunststoffen noch Eigengewebe des Patienten verwendet, kommt es in den meisten Fällen nicht zu einer Abstoßung des körperfremden Objekts. Vielmehr werden Implantate aus dem 3D Drucker vom menschlichen Körper sehr gut erkannt, wenn sie mit Biotinte gefertigt worden sind und zusätzlich Eigengewebe des Patienten enthalten. In Folge dessen können diese Implantate ohne Komplikationen besonders gut mit dem Gewebe der Patienten verwachsen.

Was ist Biotinte für den 3D Drucker?

Der 3D Drucker für den Hausgebrauch kann nicht mit Werkstoffen organische Substanzen erzeugen. Es wird von einem Bioprinter zum Teil lebendiges Gewebe verwendet, welches dem Patienten vor einer Operation direkt entnommen wird. Soll ein funktionsfähiges Organ erzeugt werden, wird eine Menge Biosubstanz für die additive Fertigung benötigt. Wenn es um den Einsatz von Gelenken oder Knochenstrukturen geht, zum Beispiel nach einem komplizierten Bruch, kann Biotinte leicht mit Kunststoffen oder sogar Elementen aus Metall kombiniert werden. Soll in einem Druckvorgang mit unterschiedlichen Werkstoffen gearbeitet werden, benötigt der 3D Drucker einen Mehrfachextruder.

Als Extruder wird jener Teil bezeichnet, in dem der Druckstoff verflüssigt und aufgetragen wird. Der Extruder ist vergleichbar mit dem Druckkopf bei einem Tintendrucker und könnte auch als Druckdüse bezeichnet werden. Soll ein vollständiges Organ ausgedruckt werden, wird das Eigengewebe des Patienten zuerst in einer Petrischale gezüchtet. Haben sich die Zellen auf ein entsprechendes Maß vermehrt, wird die Biosubstanz in ein polymeres Gel gegeben. Mit diesem teilsynthetischen Druckstoff kann der 3D Drucker nun eine Gewebestruktur erzeugen, die dem natürlichen Vorkommen im Körper des Patienten zu annähernd 100 % entspricht.

3D Drucker und 3D Scanner, auch Elemente aus der Robotik spielen eine Rolle

Das 3D Modell wird immer am Computer erzeugt. Dazu ist es nötig, dass fachkundige Programmierer oder Designer Hand in Hand mit den Medizinern arbeiten. Damit ein möglichst natur-nahes Modell erzeugt werden kann, wie es sich ebenso im Körper des Patienten befindet, kann ein 3D Scanner eingesetzt werden. Ist dieser mit einem Ultraschallkopf ausgestattet, kann zum Beispiel die Knochenstruktur in perfekter Weise für die computergestützte Nachbildung erfasst werden. Auch Zähne lassen sich mittels eines medizinischen 3D Scanners 1:1 erfassen und im 3D Drucker maßstabsgetreu nachbilden.

In Asien werden Zähne bereits durch autonom arbeitende Roboter bei Patienten eingesetzt. Zuerst scannt die Maschine gesunde Zähne, dann bildet sie ein Modell selbstständig in einer CAD Software nach. Nach dem Druck setzt der Roboterarm abschließend den additiv gefertigten Zahn beim Patienten ein – alles ohne einen einzigen Handgriff eines echten Menschen. In Asien herrscht großer Bedarf an Zahnersatz bei einem gleichzeitig hohen Mangel an entsprechend ausgebildeten Fachärzten. Derzeit wird jede Aktion des Multifunktions-3D-Druckers noch von einem qualifizierten Mediziner überwacht, in Zukunft werden alle Prozesse beim Zahnersatz aus dem 3D Drucker zu vollen Teilen von Maschinen übernommen werden.

Der Bio-3D-Druck steckt derzeit noch in den Kinderschuhen. Bis erste voll funktionsfähige Organe aus dem 3D Drucker für eine Transplantation beim Menschen bereit sind, wird es noch einige Zeit dauern. In mehreren Ländern der Welt wird mit Hochdruck an der neuartigen Technologie geforscht. Seitdem vor einigen Jahren wesentliche Patente abgelaufen sind, gibt es ständig neue Druckverfahren. Jedes Jahr sind innovative Druckstoffe für 3D Drucker verfügbar, so ist es beispielsweise in Amerika unlängst gelungen, Diamanten mittels additiver Fertigung zu erzeugen. Russland hat sich die additive Fertigung von Glas patentieren lassen.

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Autor: Wissen-Gesundheit Redaktion