Hintergrund

 

3D-Druck in der Medizin

Der 3D-Druck gehört zu den Verfahren der additiven Fertigung und hat sich insbesondere in den letzten Jahren in vielen Forschungsansätzen und Produktionsabläufen fest etabliert. Üblicherweise werden bei diesem Fertigungsverfahren plastische Modelle Schicht für Schicht in sog. 3D-Druckern hergestellt – Inzwischen gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichen Prozessen und Geräten. Zu den zwei gängigsten Verfahren gehört dabei zum einen die Schmelzschichtung (z.B. fused deposition modelling = FDM), bei denen Polymere aufgeschmolzen und strangförmig abgelegt werden. Die zweite weit verbreitete Technik ist der Polyjet-Druck, welcher nach dem Tintenstrahldruckerprinzip funktioniert und die Materialien anschließend mit UV-Licht aushärtet.

Durch seine Funktionsweise wird der 3D-Druck üblicherweise für eine flexible und ökonomische Prototypen- und Kleinserienfertigung eingesetzt. Aus diesem Grund ist er auch für die Anwendung in der individualisierten medizinischen Therapie und Forschung prädestiniert. Bis jetzt wird der 3D-Druck jedoch meist nur für bestimmte Fälle in der prä‑operativen/-interventionellen Planung eingesetzt oder findet in der Orthopädie für die Herstellung von Metallimplantaten therapeutisch Verwendung. Eine große Hürde zur breiten medizinischen Anwendung von 3D-Druck liegt zum einen in der komplexen Implementierung in die bestehende klinische Routine und zum anderen in oft mangelhafter Biokompatibilität der verwendeten Druckmaterialien.

 

„Tissue Engineering“ und regenerative Ansätze

Tissue Engineering und regenerative kardiovaskuläre Therapien erfordern einen Zusammenschluss von Wissen, Methoden und Erkenntnissen aus Medizin, Bio- und Ingenieurswissenschaften. Diese Forschungsrichtungen gelten als sehr jung in der Medizingeschichte und versuchen künstlich Gewebe, Körperteile oder ganze Organe nachzubilden. Die Komplexität der gewonnenen Gewebe und Teile reicht dabei von einfachen und kleinen zweidimensionalen Patchen bis hin zu hoch differenzierten dreidimensionalen Konstrukten.

Während beim Tissue Engineering die unkomplizierte Züchtung von einzelnen Zellen und zweidimensionalen „Zellpatchen“ (= Zellteppiche) bereits in vielen Bereichen erfolgreich angewendet wird, ist die Erstellung von dreidimensionalen Konstrukten mit deutlich höheren Anforderungen verbunden. Zur Formgebung und aus Stabilitätsgründen wird für komplexe Geometrien deshalb meistens eine Kombination aus einem Zellträger (= Scaffold) und den gewebe- oder organtypischen Zellen angewendet. Je nach Anforderung können die Scaffolds dabei aus einem abbaubaren oder einem nicht-resorbierbaren Material bestehen und Zellen unterschiedlichster Quellen eingesetzt werden.

Oftmals ist es außerdem nötig, die Scaffold-Zell-Konstrukte zu konditionieren oder auch „reifen“ zu lassen. Dabei passen sie sich an die speziellen bio-mechanischen Anforderungen an und besondere gewebstypische Prozesse werden „in Gang gebracht“. Für diesen Schritt werden eigens entwickelte Bioreaktoren eingesetzt, welche physiologische Bedingungen simulieren, indem sie beispielsweise Fluss, Druck oder elektrische Reize erzeugen. Am Ende steht das Ziel, ein voll funktionsfähiges Gewebe, Organ oder Körperteil „im Reagenzglas“ zu erzeugen und einem Patienten zu implantieren.

Der Übergang vom Tissue Engineering zu regenerativen Ansätzen ist fließend und wird durch die An- oder Abwesenheit von Zellen definiert. Bei regenerativen Ansätzen, wie zum Beispiel der Implantation von dezellularisierten Geweben, wird versucht mit Hilfe der Selbstheilungskräfte des Körpers funktionales Gewebe herzustellen. Im Fall von dezellularisierten biologischen Geweben macht man sich die natürlichen mikroanatomischen und physiologischen Eigenschaften dieser Gewebe zu Nutze. Um dies zu erreichen ist es nötig die Gewebe mit speziellen seifigen Lösungen und Enzymen zu behandeln. Mit Hilfe von physikalischen Prozessen und prozeduralen Anpassungen lässt sich die Effektivität der Dezellularisationsvorgänge weiter steigern. So ist es möglich alle zellulären und immunologisch aktiven Bestandteile zu entfernen um das Gewebe damit ideal für eine bioverträgliche Implantation vorzubereiten.

Mit Hilfe der azellulären Gewebe sollen Zellen zum Einwachsen in das Gewebe und der Körper zur Aktivierung von positiven Umbauprozessen angeregt werden. Im Idealfall kann man mit dieser Methode relativ einfach, gut bioverträgliche und lang haltbare – teilweise sogar mitwachsende – Implantate herstellen.

  

Bedeutung für die Herzchirurgie

Durch die Möglichkeiten des 3D-Drucks, des Tissue Engineerings und von regenerativen Ansätzen wird in der modernen Herzchirurgie versucht, die Limitationen bisheriger Behandlungskonzepte zu überwinden. Durch die Entwicklung personalisierter Therapien, beispielsweise beim Einsatz von Implantaten, können bessere Funktion, signifikant geringere Nebenwirkungen und überdurchschnittliche Haltbarkeit erreicht werden.

Als ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung soll hier die Entwicklung neuer Implantate und deren Materialien besonders hervorgehoben werden. Die Entwicklung neuartiger Behandlungskonzepte von Herzklappen- und Gefäßerkrankungen sowie Therapien für Herzinfarkte sind weitere Schwerpunkte der experimentellen kardiovaskulären Forschung.

 
 

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Deckblatt_HCH_1 5 Jahre Herzchirurgie (zum Blättern rechts unten öffnen)