Prozessablauf für 3D-gedruckte patientenspezifische Medizinprodukte

Mai 25, 2018

Der erste Schritt 3D-gedruckte und patientenspezifische PEEK-Implantate herzustellen, beginnt mit der Anfertigung detailreicher und teilweise dreidimensionaler Bilder. Hierfür können eine Reihe von bildgebenden Verfahren verwendet werden, welche unterschiedliche Vorteile für den Patienten bieten. Zum Einsatz kommen unter anderem:

  • CT (Computertomografie)
  • MRT (Magnetresonanztomografie/Kernspintomografie) oder
  • DVT (digitale Volumentomografie)

Alle Verfahren verbindet die Aufnahme von digitalen und hochauflösenden Schnittbildern zur präzisen Beurteilung unterschiedlichster Strukturen, wie zum Beispiel die des Knochens und Organen, und ermöglicht somit eine bessere Patientenversorgung. Im nächsten Schritt erfolgt die Speicherung bzw. der Austausch von Informationen mittels medizinischen Bildgebungsmanagement nach dem standardisiertem Verfahren DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Nahezu alle Hersteller bildgebender oder bildverarbeitender Systeme in der Medizin, wie z.B. digitales Röntgen, Magnetresonanztomographie oder Computertomographie implementieren den DICOM-Standard in ihren Produkten. Dies ermöglicht im klinischen Umfeld die Interoperabilität zwischen Systemen verschiedener Hersteller.

Anschließend erfolgt die Segmentierung (Bildverarbeitung). Es stellt den ersten Schritt der Bildanalyse für eine Weiterverarbeitung dar. Hierfür werden die erzeugten Bilder in relevante und nicht relevante Regionen unterteilt. Bei der darauffolgenden virtuellen Operationsplanung können nun die segmentierten Modelle des Patienten virtuell in allen 3 Raumachsen bewegt und bearbeitet werden. Hierbei werden beispielsweise in der Kieferchirurgie einzelne Kieferabschnitte neu positioniert, um eine ästhetische und anatomische Verbesserung für den Patienten zu erreichen. Dieses Bearbeitungsprinzip wird ebenso für die Erstellung von passgenauen PEEK-Implantaten aus dem 3D-Drucker genutzt. Dank der computergestützten Simulation, Planung und Modellierung können schnellere Operationen für den Patienten gewährleistet werden und bieten bereits im Vorfeld einen präoperativen Einblick in die erwartete Osteotomieausrichtung und –Positionierung. Dank der

gewonnen Effizienz gegenüber konventioneller Modellchirurgie kann ein reibungsloserer, präziserer und effizienterer Operationsverlauf sowohl für den Chirurgen als auch den Patienten ermöglicht werden.

Bevor die Bilddaten vom 3D-Drucker ausgelesen und gedruckt werden können, wird ein letzter Schritt der Datenverarbeitung notwendig. Slicing-Software-Programme „schneiden“ das 3D-Objekt in viele horizontale Scheiben und legen damit den Weg fest, den der Druckkopf abfahren muss. Das Ergebnis ist der sogenannte G-Code. In ihm stehen Daten über das Druckbett und den Druckkopf, wie Temperatur und Geschwindigkeit sowie Informationen zum Vorschub des Filaments. Anhand der Wegeinformation (X & Y-Koordinaten) können Slicing-Softwares sowohl die Menge des Materials als auch die Zeit des zu druckenden Modells abschätzen und daraus den Stückpreis errechnen.

Nachdem das gewünschte PEEK-Implantat gedruckt wurde, werden unter Umständen noch kleine Nachbearbeitungsschritte notwendig, z.B. um Stützmaterialien zu entfernen oder Oberflächenstrukturen aufzuarbeiten. Die Dauer eines 3D-gedruckten Modelles von der Bildgebung bis zum fertig gedruckten PEEK-Implantat dauert durchschnittlich weniger als 24h; ist jedoch stark von der Geometrie des gewünschten Modells abhängig.

Im Anschluss an die Nachbearbeitung erfolgt eine Qualitätskontrolle. Es wird sichergestellt, dass das Material keinerlei Einschlüsse aufweist und das Modell fehlerfrei gedruckt wurde bevor es für die Operation sterilisiert wird. Hierbei werden die Modelle so positioniert, dass Sie durch das umgewälzte Wasser nicht bewegt werden und sich nicht gegenseitig mechanisch beschädigen können. Ebenso dürfen keine Spalten entstehen die mögliche Verschmutzungen nicht abspülen lassen. Für die Sterilisation eignen sich sowohl trockene Hitze (mittels Zufuhr von hohen Temperaturen), die Zugabe von chemische Substanzen oder mittels Strahlung. Die meisten Viren und Bakterien können bereits bei Temperaturen von 100°C abgetötet werden, allerdings gibt es auch einige Bodenbakterien die sehr widerstandsfähige und hitzeresistente Sporen bilden können. Daher ist die sorgfältige Auswahl der Sterilisationsmethode für ein bestimmtes Material unabdingbar. Anschließend müssen sich die Implantate einer

erneuten Kontrolle auf Beschädigungen oder Veränderungen der Oberfläche durch die Dekontamination unterziehen. Qualitätsziele sind hierbei Rückstandsfreiheit (Sauberkeit) mit genauer Prüfung, dass sich keinerlei Partikel oder andere organische oder anorganische Substanzen auf dem Modell befinden. Auch die Verpackung des gereinigten Modells erfolgt unter strengsten Auflagen und verhindert die erneute Kontamination des Implantat.

 

 

Mithilfe des medizinischen PEEK-Druckers Apium M220 und den vorteilhaften Eigenschaften von PEEK, können nun hochqualitative und vor allem patientenspezifische Implantate individuell angefertigt werden und bieten daher eine kosten- und zeiteffiziente Lösung für verschiedenste Patientengruppen.

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