3D-Printing: individuelle Versorgungsmöglichkeiten in Orthopädie und Unfallchirurgie?

F. Souleiman¹, F. Naumann², G. Osterhoff¹
Der Einsatz dreidimensionaler (3D) Drucktechnologie in der Orthopädie hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen und bietet vielfältige Vorteile in Bereichen der individualisierten präoperativen Operationsplanung, des Implantatdesigns, der Technischen Orthopädie (Orthetik/Prothetik) und der personalisierten Patientenversorgung während einer OP. 3D-Modelle können hierbei genutzt werden, um komplexe orthopädisch-unfallchirurgische Fragestellungen genau zu analysieren, chirurgische Umsetzungen vor einem geplanten Eingriff zu trainieren und mit dem Patienten anschaulich zu besprechen. Im Folgenden werden verschiedene Einsatzbereiche vorgestellt.

8. Januar 2025 3D-Druck, Additive Fertigung, Orthesen, Prothesen, Werkstoffe

Ausgedehnter Tumor (blau) des vorderen linken Beckenrings. Aufgrund der unmittelbaren Lagebeziehung zu Becken-Bein-Gefäßen, Nerven und Beckenorganen erfolgte der tumororthopädische Eingriff gemeinsam mit Urologen und Gefäßchirurgen. Das 3D-Modell diente als Hilfestellung zur Festlegung der Resektionsgrenzen für einen tumorfreien Operationssitus (R0-Situation).

¹Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie, Universitätsklinikum Leipzig, Liebigstr. 20, D‑04103 Leipzig
²Orthovital GmbH, Magdeborner Str. 19, 04416 Markkleeberg

Einleitung

Grundlage des heutigen vermehrten Einsatzes in der Medizin ist die technologische Weiterentwicklung verschiedener 3D-Druckverfahren. Häufig genutzte Verfahren sind beispielsweise Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithographie (SLA), selektives Lasersintern (SLS), Multi-Jet-Fusion-Verfahren (MJF) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM).

Beim FDM-Verfahren werden thermoplastische Filamente durch Hitze extrudiert, sodass „Schicht für Schicht“ ein 3D-Modell entsteht. Bei der Stereolithographie wird ein flüssiges, lichtempfindliches Kunstharz (Photopolymer) schichtweise aufgetragen und durch UV-Licht oder einen Laser ausgehärtet. Die SLS- und EBM-Verfahren basieren hingegen auf energetischen Hochleistungslasern, welche selektiv pulverförmiges Material schmelzen, wobei ungesintertes Pulver als Stützmaterial dient. Anders als bei dem Lasersystem arbeitet das MJF-Verfahren mit wärmeabsorbierenden Tinten, die selektiv auf das Pulverbett appliziert werden und über Infrarotstrahler auf der Oberfläche das Pulver zu einem einheitlichen Verbund verschmelzen.

Je nach angewendetem Verfahren kann ein breiter Einsatz des 3D-Druckes mit unterschiedlichsten Werkstoffen und Materialansprüchen wie Polymere, Metalle (z. B. Titan, Kobalt-Chrom), Keramiken und Verbundwerkstoffe erfolgen¹.

Je nach Anwendungsgebiet stehen mittlerweile biokompatible und sogar bioresorbierbare 3D-Druckmaterialien zur Verfügung, welche für den operativen Eingriff sterilisierbar sind (bspw. „Biomed“, Firma Formlabs GmbH, Berlin).

Präoperativ

In der Planung operativer Komplex-eingriffe oder im Revisionsfall zeigt sich der 3D-Druck zunehmend von Vorteil². So wird er in unserer Klinik verstärkt bei komplexen Korrekturen von Skoliosepatienten, gelenkchirurgischen Eingriffen, Operationen am Becken/an der Hüfte oder bei ausgedehnten Tumorbefunden angewendet (Abb. 1 u. 2). Der Operateur erlangt hierbei ein tiefergehendes dreidimensionales Verständnis über die exakte Pathologie und mögliches Korrekturpotential sowie Grenzen. Bei Frakturen wird ein besseres Verständnis von Frakturmorphologie und späterer Implantatlage ermöglicht.

3D-gedruckte anatomische Modelle sind ideale Werkzeuge, die das chirurgische Training für Assistenzärzte, aber auch fortgeschrittene Fachärzte erleichtern. Die individuelle Patientenpathologie kann für das gesamte operierende (zusätzliche Fachdisziplinen wie Gefäßchirurgen, Urologen, Gynäkologen etc.) präoperativ anhand des 3D-Druckes im Vergleich zu einer rein zweidimensionalen Betrachtung am Monitor verdeutlicht und wesentlich anschaulicher dargestellt werden. Auch die präoperative Einweisung des gesamten OP-Teams (Anästhesie, OTA, OP-Pflege) bei einer komplexen Operation wird erleichtert. Weiterhin hilft das gedruckte Modell beim Aufklärungsgespräch mit Patienten und deren Angehörigen, ein tiefergehendes Verständnis für das Krankheitsbild und die notwendigen operativen Schritte zu erlangen.

Intraoperativ

Bei komplexen Revisionsoperationen kann eine computerbasierte dreidimensionale Planung hilfreich sein, um die knöcherne Anatomie wiederherzustellen. Das Ergebnis einer solchen Planung ist eine intraoperative Schablone, welche dem Operateur die exakte Schnittführung einer Osteotomie oder die Bohrungen für Schrauben vorgibt und somit einen höheren Grad an operativer Sicherheit und Exaktheit schafft. Durch die Möglichkeit, biokompatible, sterilisierbare Metalle und Polymere zu drucken, können diese individualisierten OP-Schablonen oder CE-zertifizierten Implantate/Prothesen eingesetzt werden (Abb. 3–5).

Erste Studien zeigen, dass sich durch den Einsatz von 3D-gedruckten Operationsschablonen intraoperative Abläufe verbessern sowie die OP-Zeiten und der Blutverlust minimieren lassen³ ⁴ ⁵. Weiterhin vermitteln diese dem Operateur bei komplexen Eingriffen ein erhöhtes Gefühl intraoperativer Sicherheit hinsichtlich der OP-Genauigkeit. Evidenz hinsichtlich eines besseren Outcomes ist derzeit noch ausstehend. Nachteilig zeigt sich ein außerordentlich großer Planungsaufwand mit einhergehend hohen Planungskosten, was eines optimierten Workflows sowohl für die Fallauswahl als auch den „In-House-Druck“ bedarf⁶ ⁷ ⁸.

Einsatzgebiete in der Technischen Orthopädie

In den letzten Jahren haben sich digitale Prozesse in vielen Bereichen der Technischen Orthopädie zur Anfertigung von Hilfsmitteln etabliert. Angefangen bei der digitalen Formerfassung mit verschiedenen Scansystemen über digitale Modellierung, die Computer-Aided-Design(CAD)-Konstruktion bis zur additiven Herstellung (3D-Druck) des Hilfsmittels.

Der 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten in Bezug auf Materialien, Materialkombinationen und Designs. Moderne Drucktechnologien erlauben die Verwendung von leichten, aber robusten Materialien, die dank einigen Kilogramm Belastung den meisten Anforderungen des täglichen Lebens standhalten. Zudem können komplexe Designs realisiert werden, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer umsetzbar wären. Dies führt zu Hilfsmitteln, die nicht nur funktional, sondern auch ästhetisch ansprechend sind.

Entscheidend jedoch ist, dass die neuen Technologien von ausgebildeten Fachkräften und Experten angewendet werden und eine konsequente Schulung und Weiterbildung erfolgt, um die Technologie erfolgreich im Versorgungsalltag am Patienten zu nutzen.

Der 3D-Druck im Bereich der Beinprothetik zur Fertigung von Prothesenschäften gestaltet sich aktuell in der breiten Anwendung aufgrund der sehr hohen Krafteinwirkungen noch schwierig. Zudem sind die reinen Druckzeiten im Fertigungsprozess sehr lang und die additiv gefertigten Prothesenschäfte an der unteren Extremität verglichen mit einem üblichen Carbon-Faser-Verbund-Prothesenschaft noch zu schwer. Mit einer Weiterentwicklung der Druckverfahren ist davon auszugehen, dass sich auch die Druckgeschwindigkeiten und die nutzbaren Materialien weiterentwickeln⁹.

Im Versorgungsalltag bewährt hat sich die digitale Modellerstellung (Abb. 6a) über Bibliotheksmodelle anhand individueller Körpermaße und/oder 3D-Scan sowie anschließend die Ausgabe der modellierten Schaftform z. B. über gefräste Schaummodelle. Die weitere Fertigung der Prothese erfolgt dabei in klassischer Technik.

Weiterhin ist die Anfertigung individueller Prothesen-Cover im 3D-Druckverfahren ein vielfach genutzter Anwendungsbereich in der prothetischen Versorgung an der unteren Extremität (Abb. 6b). Im Ergebnis führt das zu einer stabilen, leichten, wasserfesten und pflegeleichten Prothesenverkleidung unter Nutzung vielfacher gestalterischer Form- und Farbelemente. Somit können die Vorteile des anatomischen 3D-Scans und 3D-Druckes unter dem Einsatz geprüfter, etablierter und belastbarer Materialien kombiniert werden.

Im Bereich der Hand- und Armprothetik gibt es eher Indikationen, die für eine rein 3D-gedruckte Prothesenversorgung sprechen, beispielsweise bei Individuallösungen mit besonderen Anforderungen im Alltag der Anwender. Hier können spezielle Zusatzwerkzeuge den Alltag hilfreich unterstützen und unter anderem wechselbar an der Prothese konnektiert werden (Abb. 7 u. 8).

Die aktuell genutzten 3D-Druckmaterialien können hier zuverlässiger als in der Prothesenschaftversorgung der unteren Extremität die Belastungen wie erprobte Materialien der klassischen Techniken aushalten. Belastungen sind an der unteren Extremität (Tragen des Körpergewichts sowie zusätzlicher Bewegungsenergie) deutlich höher. So wären meist ausladende Materialdicken notwendig, die wiederum mit einem übermäßigen Gewicht und wenig Tragekomfort einhergehen¹⁰.

Im Bereich der Orthetik sind die Anwendungsmöglichkeiten additiv gefertigter Orthesen vielfältig, liegen aber häufiger in der Fertigung von Lagerungs- und Funktionsorthesen im Hand- und Armbereich. Entsprechende Orthesen können individualisiert mit präziser Passform und je nach Funktionalität im 3D-Druckverfahren zuverlässig hergestellt werden. In der Konstruktion können Atmungsaktivität, ein reduziertes Design zur Verringerung des Hilfsmittelgewichts und einer verbesserten Akzeptanz der Versorgung beitragen. Ein typisches Beispiel sind Lagerungsorthesen z. B. nach stattgehabtem Hirninfarkt (Abb. 9).

Auch in Kombination mit Quengelgelenken können diese Orthesen als passgenaue Varianten die Funktionalität verletzter Gelenke passiv verbessern (Abb. 10).

Fazit

Der 3D-Druck bietet in der Orthopädie und Unfallchirurgie neue Wege mit großem Potential in der prä‑, intra- und postoperativen Patientenversorgung. Passgenaue Prothesen, patientenspezifische Implantate und Schablonen aus dem 3D-Drucker sind nur der Anfang der technologischen Revolution bei noch sehr begrenzter Evidenz und werden aktuell aufgrund des Mehraufwandes eher in Einzelfällen angefertigt. Die Möglichkeit, individuelle Lösungen in kürzerer Zeit und mit wohl geringeren Kosten zu produzieren, könnte den 3D-Druck in Zukunft besonders attraktiv machen. Eine enge Zusammenarbeit zwischen Klinikern und Orthopädietechnikern, die fachlich gut geschult sind, bleibt in Zukunft zwingend notwendig. Auf dem Weg zur flächendeckenden Anwendung scheinen noch einige Herausforderungen wie die begrenzte Verfügbarkeit der 3D-Druckverfahren, der Etablierung von Qualitätsstandards und regulatorischer Zulassungen zu lösen. Es bedarf klarer Festlegungen hinsichtlich der Schulung von Fachpersonal, dem Einsatz der 3D-Druckmaterialien hinsichtlich Maximalbelastungen und Sicherstellung von Langzeitstabilität. Aktuell stellt eine dreidimensional gedruckte Orthese noch nicht den Standard dar, sondern findet ihren Einsatz eher im individuellen Bereich der oberen Extremität.

Danksagung:
Wir möchten uns bei der Orthovital GmbH (Sanitätshaus Markkleeberg) für die freundliche Kooperation bei der Erstellung des Beitrags bedanken. Zudem bedanken wir uns bei Prof. Dr. Christoph-Eckhard Heyde, Prof. Dr. Christian Kleber und Prof. Dr. Pierre Hepp für die Bereitstellung ihrer Fälle.

Für die Autoren:
Prof. Dr. med. Georg Osterhoff, FEBS
Geschäftsführender Oberarzt/D‑Arzt-Vertreter, Stellv. Bereichsleiter Unfallchirurgie/Leiter Sarkomzentrum & Tumororthopädie, Facharzt für Orthopädie und Unfallchirurgie/Spezielle Unfallchirurgie, EBSQ Trauma Surgery Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie
Liebigstraße 20
04103 Leipzig
Tel.: 0341 97–17867
georg.osterhoff@medizin.uni-leipzig.de

Begutachteter Beitrag/reviewed paper

Zitation
Souleiman F, Naumann F, Osterhoff G. 3D-Printing: individuelle Versorgungsmöglichkeiten in Orthopädie und Unfallchirurgie? Orthopädie Technik, 2025; 76 (1): 26–30