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Additive Fertigung für medizinische Anwendungen

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Der Einsatz von Anwendungen der additiven Fertigung nimmt zu, wobei der Marktwert von 6 Mrd. USD im Jahr 2017 auf fast 26 Mrd. USD im Jahr 2022 steigen soll. Der Vorteil der additiven Fertigung liegt in der Schaffung komplexer Strukturen, die sich in Bezug auf Komplexität, Individualisierung, Leichtgewicht, Festigkeit und Geschwindigkeit unterscheiden. Da die additive Fertigung für medizinische Geräte weiter an Dynamik gewinnt, gibt es fünf Hauptbereiche, in denen wir die größten Wachstumschancen durch diese sich entwickelnde Technologie sehen.

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Werfen wir einen Blick darauf, wie sich die Möglichkeiten der additiven Fertigung in diesen Branchen als Produktionsmethode durchgesetzt haben.

Zahnmedizin

Der größte Markt für die additive Fertigung in der Medizin ist derzeit die Zahnmedizin und die damit verbundene Kieferorthopädie wie Brücken, Kronen, Zahnspangen und Zahnersatz. Derzeit ist die digitale Zahnmedizin eine 2,5-Milliarden-Dollar-Branche, und dieser Wert wird sich in einigen Jahren mehr als verdoppeln. Die digitale Zahnmedizin ist eher ein Arbeitsablauf als eine einzelne Technologie. Dieser Prozess beginnt in der Regel mit einem einscannbaren Modell oder Abdruck, der anschließend in digitale 3D-Daten umgewandelt wird.

Viele 3D-gedruckte zahnmedizinische Geräte lassen sich leicht anpassen, um eine präzise Passform zu erreichen, und können aus einer Vielzahl von Substraten gedruckt werden, von flexiblen Polymeren bis zu starrem Titan.

Es gibt auch spezielle Drucker, die so konfiguriert sind, dass sie die zahnmedizinische Scansoftware zusammen mit biokompatiblen Harzen verwenden und in kleinen Praxen und Kliniken eingesetzt werden können, um sofortige Lösungen zu liefern, die innerhalb eines Tages fertig sind.

Anatomische Modelle

Der menschliche Körper ist komplex und jeder Mensch ist einzigartig. Wenn Ärzte und Kliniker individuelle Behandlungen in Betracht ziehen müssen, ist es daher sehr hilfreich, ein genaues Modell des betreffenden Objekts zu sehen - egal ob es sich um einen Knochen, ein Organ, einen Tumor oder eine Gliedmaße handelt.

Glücklicherweise ist dies heute Realität. In der medizinischen Bildgebungstechnologie wurden große Fortschritte erzielt, darunter hochpräzise 3D-Vollfarbscans bis hinunter auf die Gefäßebene. Mit diesen Daten und einer hochentwickelten topologischen Mapping-Software wie Mimics® von Materialise können Biomedizintechniker mit 3D-Druckern realistische Modelle für die Analyse erstellen.

Anhand dieser Modelle können Ärzte dann chirurgische Strategien entwickeln, z. B. wo Einschnitte vorgenommen werden sollen. Außerdem können die aus mehreren Teilen zusammengesetzten Modelle zerlegt werden, um Strukturen im Inneren sichtbar zu machen, die dem Chirurgen sonst verborgen geblieben wären. Die Zahl der Krankenhäuser in den Vereinigten Staaten, die über eine zentrale 3D-Druckanlage verfügen, ist exponentiell gestiegen: von drei im Jahr 2010 auf mehr als 100 im Jahr 2019.

Allgemeine Werkzeuge

Hierbei handelt es sich um eine breite Kategorie von Hilfsmitteln, deren Entwicklung in kleineren Stückzahlen teuer und zeitaufwändig wäre. Dazu gehören Klemmen oder Griffe, die für die Anatomie eines einzelnen Patienten entwickelt wurden und möglicherweise bei Untersuchungen, Behandlungen oder chirurgischen Eingriffen helfen sollen.

Additive Fertigungsverfahren werden auch in vielen Entwicklungsländern eingesetzt, um unspezifische Klemmen, Katheter und andere Zubehörteile zu entwickeln, die bei Bedarf schnell und kostengünstig vor Ort hergestellt werden können.

Prothetik und Orthetik

Die additive Fertigungstechnologie hat dazu beigetragen, die Möglichkeiten der Patienten für Prothesen und Orthesen in Bezug auf Passform, Funktion und Ästhetik zu erweitern. Eine Prothese kann ein Ersatz für ein Körperteil sein, entweder intern (z. B. ein Hüftgelenk) oder extern (z. B. ein fehlendes Glied).

Traditionell waren Prothesen in ihren Anpassungsmöglichkeiten unzureichend. Sie waren entweder in ihrer Funktionalität eingeschränkt oder unglaublich teuer und erforderten eine Menge Messungen, Testanpassungen und handwerkliches Geschick, das für viele Menschen unerreichbar ist. Dies gilt insbesondere für abgelegene Gebiete oder Regionen mit militärischen Konflikten, in denen solche Prothesen sehr gefragt sind.

Orthesen sind ebenfalls Maßanfertigungen, die die Knochenstruktur des Trägers zusätzlich stützen oder Fehlstellungen korrigieren sollen. Unter Verwendung moderner Polymere sind 3D-gedruckte Kunststofforthesen stabil, leicht, haltbar und für zusätzlichen Komfort auch biegsam. Sie können auch dazu beitragen, Fußschmerzen zu lindern, die durch Krankheiten wie Diabetes, Arthritis oder Plantarfasziitis verursacht werden.

Gesundheitsüberwachung und Medikamentenverabreichung

Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung für medizinische Geräte ist die Möglichkeit, komplexe Mikrogeräte herzustellen, die im Körper Medikamente verabreichen oder den Gesundheitszustand eines Patienten überwachen.

Das MIT hat in Zusammenarbeit mit dem Brigham and Women's Hospital in Harvard ein einnehmbares Gerät entwickelt, das einen Monat lang im Magen verbleiben kann. Es versorgt sich selbst mit Strom und gibt diskrete Mengen an Medikamenten für Patienten ab, die eine Langzeitbehandlung benötigen, z. B. für Krebs- oder HIV-Patienten. Dieses Gerät befindet sich derzeit in der Testphase, aber es stellt die Art von Ansatz dar, den viele andere Forscher zu verfeinern versuchen.

Solche Mikrogeräte werden bald in der Lage sein, Daten drahtlos an ein externes medizinisches Wearable zur detaillierten Gesundheitsüberwachung zu übertragen. Andere gedruckte Sensoren können in den Blutkreislauf injiziert werden, um eine aktive Überwachung des Blutzuckerspiegels, der Sauerstoffversorgung des Blutes und anderer kritischer Messwerte zu ermöglichen, mit denen Ärzte schnell auf den Gesundheitszustand eines Patienten reagieren können.

Dies sind nur einige der erstaunlichen Anwendungen, die mit dieser transformativen additiven Fertigungstechnologie möglich sind.