Anwendung von 3D-gedruckten Metallprothesen im menschlichen Körper

Autor: Ying Pu, stellvertretender Chefarzt des Changshu Affiliated Hospital der Nanjing University of Chinese Medicine

Gutachter: Wang Weijun, Chefarzt, Drum Tower Hospital der Medizinischen Fakultät der Universität Nanjing

Die Anwendung von 3D-gedruckten Metallprothesen im menschlichen Körper befindet sich derzeit in einer Phase rasanter Entwicklung. Sein hoher Grad an Individualisierung und Präzision kommt den Anforderungen der personalisierten Medizin in hohem Maße entgegen. Diese Technologie wird häufig in der Orthopädie und Zahnmedizin eingesetzt, beispielsweise bei Metallprothesen wie Hüftgelenken, Kniegelenken und Zahnimplantaten [1-2]. Durch die 3D-Drucktechnologie kann die anatomische Struktur des Patienten besser angepasst werden, wodurch die Funktionalität und Haltbarkeit der Implantate verbessert wird.

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1. Aktuelle Situation

1. Personalisierte Medizin

Mithilfe der 3D-Drucktechnologie können maßgeschneiderte Prothesen entworfen und hergestellt werden, die genau auf die spezifische Anatomie des Patienten abgestimmt sind. Dadurch werden die Erfolgsquote der Operation und die Patientenzufriedenheit erhöht.

2. Herstellung komplexer Strukturen

Durch 3D-Druck können komplexe geometrische Strukturen erzeugt werden, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer zu erreichen sind. Dadurch werden nicht nur die physikalischen Eigenschaften der Prothese verbessert, sondern auch ihre Biokompatibilität gesteigert.

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3. Materialvielfalt

Zu den häufig verwendeten Metallmaterialien zählen Titanlegierungen, Edelstahl und Kobalt-Chrom-Legierungen, die sich durch hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität auszeichnen.

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2. Zukünftige Entwicklungsrichtung

1. Personalisierung

(1) Maßgeschneidertes Design: Mithilfe der 3D-Drucktechnologie kann auf Grundlage der spezifischen anatomischen Daten des Patienten (wie etwa CT- oder MRT-Untersuchungsergebnissen) eine genau angepasste Prothese erstellt werden, was nicht nur die Passform der Prothese verbessert, sondern auch die postoperative Erholungszeit verkürzt.

(2) On-Demand-Fertigung: Vermeiden Sie Bestandsverwaltungs- und Abfallprobleme der traditionellen Fertigung und erreichen Sie eine On-Demand-Produktion. Dies ist insbesondere bei Prothesen von Vorteil, die eine spezielle Größe oder Form erfordern, da so schnell auf die Bedürfnisse der Patienten reagiert werden kann.

(3) Personalisiertes Erscheinungsbild: Die Einbeziehung ästhetischer Elemente, die auf den persönlichen Vorlieben des Patienten basieren, in das Design erhöht die Akzeptanz und Zufriedenheit des Patienten mit der Prothese.

2. Funktionalisierung

(1) Poröse Struktur: Durch die Entwicklung poröser und gradueller Materialien kann die Integration von Knochengewebe und Prothese gefördert, die Biokompatibilität verbessert und der Heilungsprozess beschleunigt werden.

(2) Medikamentenladefunktion: Medikamente werden in die Prothese implantiert, so dass sie nach der Operation Antibiotika oder andere therapeutische Medikamente freisetzt, um das Infektionsrisiko zu verringern und die Genesung zu fördern [3].

(3) Materialinnovation: Durch die Entwicklung neuer Legierungen oder Verbundwerkstoffe können eine bessere Festigkeit, Zähigkeit und Biokompatibilität erreicht werden, um den funktionellen Anforderungen von Prothesen in verschiedenen Körperteilen gerecht zu werden.

3. Intelligent

(1) Eingebettete Sensoren: In die Prothese sind Sensoren integriert, die biologische Parameter wie Belastung, Temperatur und Positionsänderungen überwachen. Diese Daten können zur postoperativen Überwachung und Beurteilung des Funktionsstatus der Prothese verwendet werden[4].

(2) Feedback- und Anpassungsfunktion: Intelligente Prothesen können sich auf der Grundlage von Echtzeit-Überwachungsdaten an den Aktivitätsstatus und die Umgebungsveränderungen des Patienten anpassen und dynamische Unterstützung bieten.

(3) Datenintegration: Die Integration von Prothesendaten in das medizinische System kann Ärzten dabei helfen, Behandlungspläne besser zu formulieren und so die Gesamtqualität der medizinischen Versorgung zu verbessern.

Diese Entwicklungsrichtungen fördern nicht nur die Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie im medizinischen Bereich, sondern eröffnen auch ein neues Kapitel in der personalisierten Medizin und Präzisionsmedizin, indem sie Prothesen von statischen Ersatzprodukten in intelligente Geräte verwandeln, die sich dynamisch an die Bedürfnisse des menschlichen Körpers anpassen können.

Quellen:

Rodriguez Colon R, Nayak VV, Parente PEL, Leucht P, Tovar N, Lin CC, Rezzadeh K, Hacquebord JH, Coelho PG, Witek L. Die Präsenz des 3D-Drucks in der Orthopädie: Eine klinische und materielle Überprüfung. J Orthop Res. 2023, 41(3): 601-613. doi: 10.1002/jor.25388.

Pradíes G, Morón-Conejo B, Martínez-Rus F, Salido MP, Berrendero S. Aktuelle Anwendungen des 3D-Drucks in der dentalen Implantologie: Eine Scoping-Überprüfung, die die Beweise abbildet. Klinische orale Implantate Res. 2024, 35(8): 1011-1032. doi: 10.1111/clr.14198.

Anushikaa R, Ganesh SS, Victoria VSS, Shanmugavadivu A, Lavanya K, Lekhavadhani S, Selvamurugan N. 3D-gedruckte Titangerüste, beladen mit Gelatine-Hydrogel, das Strontium-dotierte Silbernanopartikel enthält, fördern die Osteoblastendifferenzierung und antibakterielle Aktivität für die Knochengewebezüchtung. Biotechnol J. 2024, 19(8): e2400288. doi: 10.1002/biot.202400288.

Zhou H, Tawk C, Alici G. Eine 3D-gedruckte weiche Roboterhand mit eingebetteten weichen Sensoren für einen direkten Übergang zwischen Handgesten und verbesserter Greifqualität und -vielfalt. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2022, 30: 550-558. doi: 10.1109/TNSRE.2022.3156116.