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Was der 3D-Drucker leisten kann

Zähne, Hüftgelenke und Knochenersatz per 3D-Drucker: Ein Stück weit ist die Produktion von Implantaten bereits im medizinischen Alltag angekommen. Bei lebenswichtigen Organen hingegen sind noch viele Fragen offen.

06.11.2015

In der orthopädischen und plastischen Chirurgie sowie in der Zahnmedizin kommen Körperersatzteile aus dem 3D-Drucker bereits zum Einsatz. Denn die hier benötigten Prothesen lassen sich im 3D-Druckverfahren Schicht um Schicht so aufbauen, dass sie der Anatomie des Patienten exakt entsprechen. Die Blaupause dafür liefern dreidimensionale Körperschichtaufnahmen, die mithilfe der modernen Computer- oder Magnetresonanztomographie erstellt werden. Dabei entstehen Bildserien, die per Software in eine schichtgenaue Druckanleitung für den 3D-Drucker umgewandelt werden. Dieser baut dann Partikel für Partikel ein dreidimensionales Implantat aus Spezialkunststoff auf, dessen Form exakt dem zu ersetzenden Körperteil entspricht – beispielsweise einem Zahn oder einem Hüftgelenkskopf. Auch in der plastischen Chirurgie ist dieses Verfahren schon im Klinikeinsatz: etwa für Patienten, deren Gesichtsknochen durch einen Unfall teilweise zerstört wurden. Die fehlenden Strukturen können mit der neuen Technologie präzise nachgebaut und dann implantiert werden.

Vision: voll funktionsfähige Organe aus dem 3D-Drucker

Hinter den Forschungsaktivitäten im Tissue-Engineering steht jedoch eine sehr viel größere Vision: Mit neuartigen 3D-Zelldruckern soll es in Zukunft gelingen, menschliche Gewebestrukturen und ganze Organe zu reproduzieren. Das Funktionsprinzip dieser Bioprinter ähnelt dem der inzwischen schon im Einzelhandel angebotenen 3D-Drucker. Nur schichten sie per Lasertechnologie keine Kunststoffmaterialien zu einer definierten dreidimensionalen Form auf, sondern eine Mischung aus lebenden Zellen und biokompatibler Trägermatrix. Lediglich kleine und meist vergleichsweise simpel strukturierte Zelleinheiten wie Knorpelgewebe sind auf diese Weise bereits erzeugt worden. Zwar ist die Transplantation künstlicher Luftröhren ein einigen Fällen bereits gelungen, doch ist das bei näherer Betrachtung gar nicht so spektakulär. Die menschliche Trachea besteht im Wesentlichen aus simplem Knorpelgewebe. Die individuelle Struktur der Trachea wurde per 3D-Drucker reproduziert, die Implantate mit einem pulverisierten, biokompatiblen Kunststoffmaterial gedruckt und – zumindest in einem Fall – zusätzlich mit eigenen Stammzellen aus dem Knochenmark des Patienten überzogen. Der Vorteil: Anders als bei Organtransplantationen von Mensch zu Mensch dürfte das Risiko einer Abstoßungsreaktion wesentlich geringer ausfallen.

Was heute noch gegen 3D-Organe spricht

Zwar werden sich bildgebende Verfahren und Bioprinter dynamisch weiterentwickeln und zusammen mit den Fortschritten in der regenerativen Medizin und im Bio-Engineering neue Möglichkeiten eröffnen. Aus heutiger Sicht sprechen folgende Gründe noch gegen den baldigen Einsatz von Organen aus dem 3D-Drucker:

  • Komplexe Organe: Fast alle Organe und Gewebestrukturen sind vielschichtig und komplex. Bioprinter müssten in der Lage sein, verschiedene Zelltypen gleichzeitig zu verarbeiten, um die organischen Strukturen in ihrer Form und Textur zu imitieren. Selbst bei relativ einfach aufgebauten Verbindungen wie dem im Wesentlichen aus Kollagen und Fasermaterialien bestehenden Knorpelgewebe ist dies bis heute nicht vollends gelungen.
  • Integration in den Körper: Anatomische Kopien allein reichen nicht aus. Denn Organe und Gewebe existieren im Körper nicht autonom. Vielmehr benötigen sie eine funktionierende Anbindung an das Blut- und Nervensystem des Organismus, um die in jeder Sekunde unzähligen Signale aus anderen Körperregionen empfangen und ihre Aufgaben erfüllen zu können. Die regenerative Medizin muss also Mittel und Wege finden, um „gedruckte Organe“ vollständig und vor allem erfolgreich in den Organismus zu integrieren, wozu auch das Gefäß- und Nervensystem sowie der Stoffwechsel gehören.
  • Abstoßung möglich: Heute ist noch nicht absehbar, wie der Körper auf biotechnisch reproduzierte Organe reagieren wird. Denn selbst wenn für den 3D-Druck nur Zellmaterial aus körpereigenen Stammzellen verwendet wird, bleibt ein Risiko durch Verunreinigungen mit Pathogenen und Antigenen bestehen. Unerwünschte Reaktionen des Immunsystems ließen sich zwar mit bereits vorhandenen Medikamenten unterdrücken, einer der großen Vorteile des Organdrucks wäre damit aber stark relativiert.

Die Prognose: Reife Produkte frühestens in ein- bis zwei Jahrzehnten

Bis künstliche Organe und Gewebestrukturen aus Bioprintern zur Transplantation bereitstehen und im klinischen Alltag ankommen, werden noch mindestens ein bis zwei Jahrzehnte vergehen. In kleinerem Maßstab könnten Bioprinter jedoch schon kurz- bis mittelfristig zum routinemäßigen Einsatz kommen, etwa für den Direktdruck von Zellen auf Wunden oder um Teile von Knochen und Haut zu ersetzen.
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