Die Niere aus dem Drucker – 3D-Drucker in der Medizin

3D-Drucker werden präziser, schneller und vielfältiger. Auch in der Medizin. Eine Bestandsaufnahme zwischen etablierten Einsatzbereichen und Science-Fiction

Vorsichtig legt Ewald Unger die Niere zu den anderen Gegenständen auf den Tisch. Wenn er alle Modelle aus den vielen Schubladen und Fächern hervorholt, verwandelt sich sein Büro für den Laien in ein Gruselkabinett: Hier ein Babykopf, dort ein halbes Gesicht und dazwischen Knochenstücke und durchscheinende Miniatur-Schädel – alles täuschend echte Nachbildungen aus Kunststoff. Nachbildungen, die Ärzten dabei helfen, sich besser auf seltene Operationen oder außergewöhnliche Tätigkeiten vorzubereiten. Zum Beispiel darauf, wie man einen Säugling reanimiert. Oder wie man relativ seltene Augenuntersuchungen durchführt. Diese und viele andere Simulationssysteme hat Unger in den vergangenen Jahren hergestellt. Sein wichtigstes Werkzeug dabei: Ein 3D-Drucker. Bis zu 30 Zentimeter große Gebilde kann der Drucker der Medizinischen Universität Wien ausdrucken, rund einen Zentimeter pro Stunde. Auch die Kunststoff-Niere auf Ungers Schreibtisch wurde Schicht für Schicht gedruckt. Ausgedruckt, gereinigt und nachbearbeitet kann sie über mehrere dünne Schläuche mit einer Flüssigkeit gefüllt werden. „Damit imitieren wir die Harnflüssigkeit“, sagt Unger. Im Inneren der Niere sind außerdem echte Nierensteine verborgen. Die Nieren-Attrappe wurde entwickelt, um einen neuartigen Computertomographie-Scanner zu testen. Wissenschaftler an der Universitätsklinik für Radiologie konnten mithilfe des Nierenmodells laut Unger herausfinden, wozu das CT-Gerät fähig ist, wie man es einstellen muss und wo mögliche Schwachstellen liegen könnten.

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Bohrer, Hörgeräte, Zahnschienen und Prothesen

Seit rund einem Jahrzehnt beschäftigt sich Unger intensiv mit 3D-Druck; sein Drucker ist schon mehrere Jahre alt und eigentlich ständig im Einsatz. Laufend müsse er Objekte für größere und kleinere Forschungsprojekte ausdrucken, so Unger. Da ist zum Beispiel das Patent für einen neuartigen Trepanbohrer. Mit dem medizinischen Bohrer werden Stückchen aus Knochen entnommen. Sein Nachteil: Er wird schnell heiß. „Man muss beim Bohren mehrmals absetzen und stark kühlen, damit der Knochen nicht verbrennt“, sagt Unger. An der Medizinischen Universität Wien habe man mithilfe des Kunststoff-3D-Druck-Verfahrens daher einen neuartigen Trepanbohrer entwickelt und in einen 3D-Druck aus Metall umsetzen lassen. „In den Bohrer wurde ein Hohlraum integriert, eine Art Kanal, durch den Kühlflüssigkeit gepumpt werden kann.“ Das Patent wurde bisher nicht in Serie produziert, sagt Unger. Nicht jedes der Projekte, an denen er mit dem Ausdrucken beteiligt ist, führt zu einem medizinischen Durchbruch. Aber vieles, was bisher undenkbar war, macht 3D-Druck nun möglich.

3D-Druck, so scheint es, ist in der Medizin längst angekommen. Nicht nur zum Üben von seltenen medizinischen Handgriffen. Sondern auch, wenn bei Operationen perfekt angepasste Schienen oder Bohrschablonen benötigt werden. Bereits heute werden die Kunststoffschalen vieler Hörgeräte individualisiert ausgedruckt. Und wer eine geringe Zahnfehlstellung korrigieren lassen will, aber keine klassische Zahnspange tragen möchte, kann sich stattdessen für eine transparente Zahnschiene aus dem 3D-Drucker entscheiden. Diese ist individuell nach dem eigenen Gebiss modelliert und wird mehrmals ausgetauscht, bis die Zähne in der richtigen Position sind. Und gedruckte Prothesen, beispielsweise für das Knie, werden ebenfalls bereits eingesetzt. Viele Experten gehen davon aus, dass sich der 3D-Druck in Zukunft in weiteren Bereichen der Prothetik durchsetzen wird. Derzeit könne ein Chirurg aus wenigen Standard-Hüft-Implantaten wählen, erklärt Jürgen Stampfl vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der Technischen Universität Wien. „Sozusagen Small, Medium und Large. Und wenn ein Implantat nicht passt, muss der Chirurg es so gut es geht anpassen. Noch besser wäre es natürlich, wenn die jeweiligen Hüft-Implantate wirklich maßgeschneidert wären“, sagt Stampfl. Besonders bei der Gesichtschirurgie würden personalisierte Implantate aus dem 3D-Drucker ein großer Vorteil sein. Ein Aktuelles Beispiel lieferten heuer britische Chirurgen. Sie konnten das entstellte Gesicht eines jungen Mannes mithilfe von gedruckten Teilen wiederherstellen.

Stampfl ist auch einer der Leiter des Christian Doppler-Labors für Photopolymere in der digitalen und restaurativen Zahnheilkunde. Wenig verwunderlich sieht er auch in diesem Bereich große Chancen für die Technologie. In fünf Jahren, glaubt Stampfl, könnten die ersten gedruckten Zahnkronen eingesetzt werden. Die Drucker, die Stampfl und sein Team einsetzen, unterscheiden sich von jenem auf der Medizinischen Universität Wien. Und die Wissenschaftler drucken hier nicht nur mit Kunststoffen, sondern auch mit Keramik.

 Der gedruckte Zahn

„Im Zahnbereich bietet sich die Technologie natürlich an, denn kein Zahn gleicht dem anderen“, sagt Peter Dorfinger vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie. Wie alles andere im Raum ist der 3D-Drucker neben ihm in unnatürliches Licht getaucht. Die Fenster im 3. Stock des Gebäudes der TU Wien filtern die Sonnenstrahlen; es ist, als würde man durch eine gelbe Schibrille blicken. Tageslicht könnte dazu führen, dass die lichtempfindlichen Druckmaterialien aushärten. Und das sollen sie nur dort, wo der Lichtstrahl im Drucker auf sie trifft. Wenn Zähne gedruckt werden, stellt der Druckprozess selbst nur einen von mehreren Schritten dar, so Dorfinger. Nachdem ein Keramik-Teil gedruckt wurde, kommt es in einen Hochtemperaturofen. „Dort wird der Kunststoff entzogen, sodass wir nur noch einen ‚Pulverhaufen‘ aus Keramik haben, der nach wie vor die richtige Geometrie hat.“ Und dieser wird anschließend gesintert, also durch Hitze verfestigt. Vereinfacht zusammengefasst werden Form und Inhalt gemeinsam gedruckt und danach gebrannt, sodass schließlich das fertige, gehärtete Objekt – beispielsweise ein Zahn – übrigbleibt.

Schneller, kleiner, weiter

Der Drucker, der an der TU Wien für den Keramik-Druck eingesetzt wird, druckt einzelne Schichten, die nur rund 1/40 Millimeter dick sind. Doch es geht noch genauer. Ein Stockwerk tiefer – ebenfalls in gelblichem Licht – arbeitet Peter Gruber mit einem Gerät, das in vollkommen anderen Größenbereichen druckt. Mit dem Zwei-Photonen-Drucker können präzise Skulpturen geschaffen werden, die kleiner als ein Sandkorn sind. Die Objekte werden auf Glasplättchen gedruckt und sind mit freiem Auge nicht zu erkennen. Aktuell wird unter anderem an der TU Wien daran geforscht, lebende Zellen mitzudrucken. Außerdem beschäftigen sich hier Experten damit, winzige kugelförmige Gerüste zu drucken, in die sie anschließend Knochenzellen platzieren. Die einzelnen gedruckten Objekte („Lockyballs“) würden sich durch kleine Häkchen klettenartig miteinander verbinden. „So könnte man Knochengewebe regenerieren“, sagt Gruber. „Das Außengitter würde die Zellen schützen und sich nach einiger Zeit wieder auflösen“. Und sein Kollege Aleksandr Ovsianikov ergänzt: „Bei manchen Diabetes-Patienten heilen Knochendefekte sehr schlecht von alleine – hier könnten die Lockyballs eine große Hilfe sein.“ Der 3D-Drucker als Technologie, mit der Formen vorgegeben werden können, in denen Zellen gezielt wachsen? Bei Knochenzellen sei dies durchaus vorstellbar, so Gruber. Aber bei anderen Zell-Typen bzw. Organen wäre die Sache um einiges komplizierter.

Gedruckte Organe?

Die Idee, ganze Organe auszudrucken, ist weder neu noch völlig von der Hand zu weisen. Immerhin kann man heute bereits einige Gewebetypen, beispielweise Knorpel oder Haut drucken. Und auch Herzklappen wurden schon mittels eines 3D-Druckers hergestellt. „Gedruckte Organe sind sicher eine längerfristige Sache. Aber als reine Science-Fiction würde ich das nicht abtun“, sagt Stampfl. Sein Kollege Heinz Redl ist etwas skeptischer. Der Leiter des Ludwig Boltzmann Instituts für experimentelle und klinische Traumatologie im AUVA Forschungszentrum in Wien traut dem 3D-Druck in der Medizin viel zu, glaubt aber nicht, dass man je ein fertiges Organ wie eine Leber oder Niere ausdrucken wird. Er hält es für realistischer, dass die Technologie in Zukunft die natürliche Regeneration unterstützen wird. „Wir müssen uns darüber im Klaren sein, dass die Natur sehr viel klüger ist, als wir es sind“, so Redl. „Sie hat ihre Systeme über Millionen von Jahren optimiert.“ Bei Blutgefäßen hält er daher beispielsweise ein 2-Stufen-System für erfolgsversprechend: Zusammen mit der Forschungsgruppe von Jürgen Stampfl arbeite man daran, zunächst größere Gefäße zu drucken und mit Gefäßzellen auszukleiden. „Dieser Teil ist mit dem Stamm und den großen Ästen eines Baumes vergleichbar“, sagt Redl. Die feinen Ästchen und Blätter würden dann nicht mehr gedruckt werden, sondern sozusagen von selbst wachsen.

Drucker statt Skalpell

Die Wissenschaftler an der TU Wien konnten auch zeigen, dass es möglich ist, um einen lebenden Organismus „herumzudrucken“. Sie bauten schichtweise einen Käfig um einen Fadenwurm – und dieser bewegte sich während des Druckvorgangs. So sah man, dass sich (jedenfalls kurzfristig) offenbar weder das Druckmaterial noch das fokussierte Licht schädlich auf den Wurm auswirken. Um daraus konkrete Einsatzmöglichkeiten abzuleiten, sei es noch zu früh, glaubt Stampfl. Theoretisch sei es aber denkbar, eines Tages anstelle von Skalpell & Co. mit Licht im Infrarot-Bereich zu operieren. Dem Patienten könnte ein ungefährliches, lichtempfindliches Material gespritzt werden. „Im Prinzip könnte ich so im Inneren eines Körpers 3D-Strukturen schreiben, ohne auch nur einen einzigen Schnitt machen zu müssen“, sagt Stampfl. Er stellt aber auch klar: „Das ist derzeit noch Science-Fiction.“

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3D-Druck: Viele Möglichkeiten und neue Fragen

Die Medizin ist nur einer von vielen Bereichen, in denen 3D-Druck eingesetzt wird. Künstler, Designer und Techniker können durch die Technologie völlig neue, bisher nicht umsetzbare Formen und Strukturen schaffen. Früher gaben die jeweiligen Maschinen und Fertigungsprozesse in der Regel vor, welches Design realisierbar war. „Heute kann man sozusagen ausdrucken, was man will – denn praktisch jede Form ist fertigbar“, sagt Jürgen Stampfl vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien. Durch den 3D-Druck können sehr schnell hoch spezialisierte Prototypen hergestellt und ganze Bauteile in einem Stück gefertigt werden; sogar Gelenke, Ketten und Verschlüsse können nahtlos gedruckt werden. Mittlerweile setzen einige Unternehmen nicht nur bei der Anfertigung von Prototypen auf 3D-Drucker. Auch sehr individualisierte Bauteile werden vereinzelt ausgedruckt, beispielsweise in der Automobilindustrie. Es entstehen immer mehr Materialen, mit denen gedruckt werden kann. Neben diversen Kunststoffen, Keramik und Metallen gibt es auch erste Versuche, mit essbaren Stoffen zu drucken. Und nicht nur in der Industrie boomt die Technologie derzeit: Auch kleine 3D-Drucker für den Hausgebrauch werden immer besser, günstiger und einfacher zu bedienen. Die Technologie schafft aber nicht nur neue Möglichkeiten, sie bringt auch viele Fragen mit sich: Was, wenn ein privater 3D-Drucker verwendet wird, um eine Waffe herzustellen? Und wie wird man in Zukunft mit Urheber-, Marken- und Patent-Recht umgehen?

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2014 unter dem Titel „Die Niere aus dem Drucker“ erschienen in „Universum Magazin„.

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