3D-Drucktechnologie ist der gebräuchliche Name für additive Fertigung, auch bekannt als Rapid Proto-Manufacturing (RP). Die verschiedenen Namen spiegeln die Eigenschaften dieser Fertigungstechnologie aus unterschiedlichen Perspektiven wider. Basierend auf dem Prinzip der diskreten Anhäufung treiben 3D-Modell-CAD-Daten die direkte Herstellung von Teilen voran. Mit der rasanten Entwicklung der 3D-Drucktechnologie in den letzten Jahren haben viele europäische und amerikanische Länder nacheinander Richtlinien und Maßnahmen eingeführt, um die Entwicklung der 3D-Druckindustrie zu fördern. In China legt der Staatsrat ebenfalls großen Wert auf die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie. Im „863-Plan“ und „Made in China 2025“ betont er, die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie zu beschleunigen.

Derzeit können medizinische Anwendungen des 3D-Drucks in mehrere Kategorien unterteilt werden: 3D-Biodruck; personalisierte Pflanzen- und Anatomiemodelle; medizinische Hilfsinstrumente, einschließlich künstlicher Gliedmaßen, chirurgischer Führungen, Rehabilitationshilfen usw.; Arzneimittelforschung. In der Orthopädie wird es hauptsächlich für präoperative Volumenmodelle, chirurgische Führungsplatten, Implantate sowie in der Ausbildung und wissenschaftlichen Forschung verwendet und in vielen medizinischen Einrichtungen erfolgreich bei Patienten angewendet. 3D-Druck wird in vielen Krankenhäusern im In- und Ausland klinisch angewendet, beispielsweise in der Oxford Performance Materials Company und im First Affiliated Hospital der Xi‘an Jiaotong University in China. Anders als zweidimensionale Bilder auf Basis von Röntgen-, CT- oder MR-Scans kann ein 3D-gedrucktes präoperatives Modell den Zustand des Patienten widerspiegeln, sodass Ärzte präoperative Diagnosen und Planungen effektiver stellen können. Gleichzeitig kann durch eine Operationssimulation die Operationszeit verkürzt und das Operationsrisiko gesenkt werden. Die Anwendung der 3D-Drucktechnologie in der Orthopädie hängt von den genauen Daten der menschlichen anatomischen Struktur ab, die aus medizinischen Bildern abgeleitet werden, und hat daher einen sehr guten Anwendungswert. In diesem Artikel werden das Prinzip des 3D-Drucks in Bezug auf die Orthopädie, der Anwendungsstatus der Orthopädie bei präoperativen Festkörpermodellen, chirurgischen Führungsplatten, Implantaten, in der klinischen Lehre und wissenschaftlichen Forschung sowie seine Herausforderungen und Mängel untersucht. Abschließend wird die Zukunft des 3D-Drucks prognostiziert.

Prinzip und Schlüsseltechnologie des 3D-Drucks für orthopädische Anwendungen

3D-Druck für orthopädische Anwendungen wird hauptsächlich durch Reverse Engineering (RE) und Rapid Prototyping (RP) erreicht, dessen Prozess in Abbildung 1 dargestellt ist.

Abbildung 1. Flussdiagramm des 3D-Drucks für orthopädische Anwendungen

1.1 Reverse Engineering

Beim Reverse Engineering werden vorhandene physische Objekte mit verschiedenen digitalen Geräten gescannt und gemessen, dichte Punktwolkendaten gewonnen und anschließend mithilfe computergestützter Designtechnologie ein digitales Modell und eine DREIDIMENSIONALE Entitätsmodellierung physischer Objekte erstellt. Derzeit wurden viele verwandte Softwareprogramme im Bereich der medizinischen Reverse-Engineering-Anwendungen entwickelt, wie etwa MIMICS, Geomagic, Imageware usw., sowie CAD-Software, die üblicherweise im Maschinenbau verwendet wird, wie etwa UG, PROE, Sold-Works. Ein Großteil der Software basiert auf Miniatursimulationssoftware von Materialise mit Sitz in Belgien, die die gescannten Daten flicken und rekonstruieren kann, um das gedruckte 3D-Modell zu verfeinern. Die 3D-Rekonstruktion von medizinischen CT- und MRT-Bildern sowie die Anwendung von Rapid Prototyping basieren auf professioneller Software, sind ausgereifter, die Anwendungsfunktionen sind vollständig und verfügen über eine gute Bildbearbeitungsfunktion.

1.2 Rapid Prototyping

Die Rapid-Prototyping-Technologie, auch bekannt als 3D-Drucktechnologie oder additive Fertigungstechnologie, ist eine aufstrebende Fertigungstechnologie, die Ende der 1980er Jahre allmählich aufkam. Basierend auf dem Prinzip der Schicht-für-Schicht-Verarbeitung wird mit der 3D-Drucktechnologie ein festes Modell verarbeitet und geformt. Es zeichnet sich durch Digitalisierung, Vernetzung, Personalisierung und Anpassung aus und gilt als Kerntechnologie zur Förderung der dritten industriellen Revolution. Derzeit wird es in verschiedenen Ländern als strategischer aufstrebender Industriezweig energisch entwickelt und bietet im Bereich der Orthopädie eine rosige Zukunft.

Additive Fertigungstechnologien für orthopädische Behandlungen umfassen hauptsächlich die stereoskopische Photohärtungsformtechnologie (SLA), die selektive Laserschmelztechnologie (SLM), die Schmelzabscheidungstechnologie (FDM), die schichtweise Herstellung von Festkörpern (LOM) usw. Im Bereich der Orthopädie bietet SA eine höhere Präzision und eine schnellere Formgeschwindigkeit. In Kombination mit der 3D-Drucktechnologie wird die orthopädische Chirurgie relativ einfach und hat einen großen Werbewert.

2. Anwendungsstatus der 3D-Drucktechnologie in verschiedenen Bereichen der Orthopädie

2.1 Präoperatives Volumenmodell

Die Anwendung des 3D-Drucks im präoperativen Volumenmodell der Orthopädie spiegelt sich hauptsächlich im Drucken von 3D-Modellen von Läsionsstellen wider, wodurch Ärzte detailliertere anatomische Informationen als medizinische Bilddaten erhalten und die Umwandlung von 2D in 3D realisiert werden kann. Mithilfe der 3D-Drucktechnologie und der Reverse-Engineering-Technologie können Patienteneinheitenmodelle präzise gedruckt werden. Ärzte können bei der präoperativen Diagnose der komplexen Beziehungen der Läsionsstelle die Beziehung zwischen der Läsion und der normalen Gehirnstruktur erkennen. Ein 3D-gedrucktes neuronales Anatomiemodell spiegelt beispielsweise die Beziehung zwischen der Läsion und der normalen Gehirnstruktur wider (siehe Abbildung 2) und hilft Ärzten, zwischen neurovaskulären Strukturen zu unterscheiden, was mit herkömmlichen CT-Bildern schwierig ist. Auf diese Weise können Patienten anschaulicher und intuitiver erklärt werden und die präoperative Planung und Simulation sind bequemer.

Die für den Modelldruck verwendeten 3D-Drucktechnologien umfassen hauptsächlich SLA, DLP, SSFDM usw.

Abbildung 2: 3D-Modell 1 für die Operationsplanung eines Neurochirurgen am Walter Reed National Military Medical Center

Die Anwendung des 3D-Drucks im präoperativen Festkörpermodell der Orthopädie ist relativ ausgereift und es gibt viele erfolgreiche Fälle und Forschungsberichte im In- und Ausland.

(1) Inländische Forscher wie Du Hao, Ding Huanwen, Yu Naichun und Diki Rong verwendeten 3D-gedruckte Modelle, um die präoperative Planung und Diagnose zu simulieren, und schlossen die Operation mit offensichtlichen Ergebnissen erfolgreich ab. Im August 2014 schloss Professor Liu Zhongjun vom Dritten Krankenhaus der Medizinischen Universität Peking die weltweit erste Operation zum Ersatz eines künstlichen Wirbelkörpers mittels 3D-Druck ab. Die erste Implantationsoperation einer 3D-gedruckten Prothese aus Titanlegierung mit direktem Metallguss im Ersten Angeschlossenen Krankenhaus der Jiaotong-Universität Xi‘an – die Operation wurde geplant und der optimale chirurgische Einschnitt wurde mithilfe des 3D-Druckmodells bestimmt, und schließlich wurde die 3D-gedruckte Rippenimplantationsoperation aus Titanlegierung erfolgreich durchgeführt.

(2) Das Team des BIOMED-Instituts in Belgien hat die erste 3D-gedruckte Unterkieferprothese aus Titan erfolgreich implantiert. Laut der Literaturrecherche umfassen ausländische Fallstudien von Wissenschaftlern Liu YF, xuLw, Sanghera, Kuhl usw. Unter ihnen sind Liu YF et al. verwendete CT-Scans und Reverse Engineering, um das Modell des Unterkieferdefekts zu rekonstruieren und zu drucken, entwickelte Behandlungspläne und präoperative Simulationen und ermittelte relevante Größenparameter, die den Erfolg der Operation garantierten. Digitales Design kombiniert mit 3D-Druck. Anhand des gedruckten Knochengelenkprototyps kann die Größe des in die Markhöhle eingesetzten Geräts entworfen und die Parameter des internen Fixateurs oder der personalisierten Prothese bestimmt werden, um die Sicherheit und Genauigkeit der Operation zu verbessern und somit die chirurgische Wirksamkeit zu steigern.

Chirurgen nutzen 3D-Druck zur Unterstützung bei der Behandlung komplexer chirurgischer Fälle, beispielsweise an der Wirbelsäule und dem Becken bei Kindern. Der 3D-Druck ist von großer Bedeutung bei der Gestaltung von Operationsplänen, der Auswahl des Implantattyps oder des externen Fixateurs, der intraoperativen Bezugnahme auf die Anatomie des Patienten, der Genauigkeit der Osteotomie und der Kommunikation mit dem Patienten.

2.2 Chirurgische Führungsplatte

Die chirurgische Führungsplatte ist ein chirurgisches Hilfspositionierungsinstrument. Mit dem Fortschritt und der allmählichen Verbreitung der D-Drucktechnologie ist die Anwendung der chirurgischen Führungsplatte zur besten Wahl für orthopädische Chirurgen geworden. Die Vorteile der 3D-gedruckten chirurgischen Navigationsvorlage sind folgende: Erstens kann sie die Operation vereinfachen, verfügt über eine Hilfspositionierungsfunktion, ist stark flexibel und verbessert die Genauigkeit der Operation; zweitens kann sie das Operationsrisiko verringern und die Operationssicherheit verbessern, beispielsweise durch Verringerung des Ausmaßes von Blutgefäß- und Nervenverletzungen und Vermeidung von Wundinfektionen und anderen Komplikationen. Drittens werden Zeit und Häufigkeit der chirurgischen Fluoroskopie reduziert, um Ärzte und Patienten vor Strahlenbelastung zu schützen.

Zu den Anwendungsgebieten orthopädischer chirurgischer Führungsplatten auf Basis des 3D-Drucks zählen vor allem die Resektion von Knochentumoren, Osteoarthritis-Chirurgie, komplexe Frakturchirurgie, plastische oder korrigierende Chirurgie usw. Die häufigsten Operationsstellen der Führungsplatte sind dabei Becken, Gelenke, Wirbelsäule usw.