3D-Druck für Forschung, Lehre und Medizin

3D Druck in Medizin und Wissenschaft

3D-Druck ist nicht nur eine Alternative zu etablierten Produktionsmethoden, sondern erlaubt auch die Erschaffung völlig neuer Produktklassen. Eine dieser neuartigen Anwendungen ist die Medizin und Wissenschaft. In der Medizin können 3D-Modelle Anatomie und Pathologie sprichwörtlich greifbar machen. In der Wissenschaft sind die Anwendungen sehr vielfältig. Zum einen werden Einzelanfertigungen für Versuchsanordnungen mittels 3D-Druck hergestellt, zum anderen können auch mikroskopisch oder gar submikroskopisch kleine Strukturen stark vergrößert als physisches Modell dargestellt werden. Insbesondere gehören zu den typischen Anwendungen die anatomischen Modelle zur OP Vorbereitung, die Modelle für die Lehre und für den Labor- und Experimentierbedarf.

In diesem Artikel finden Sie eine Übersicht zu den wichtigsten Anwendungsgebieten in Lehre, Wissenschaft & Medizin.


Anatomische Modelle zur OP Vorbereitung

Durch 3D-Druck können anatomische Modelle patientenspezifisch dargestellt werden. In manchen Fällen liegen komplexe Situationen vor, bei denen ein individuelles physisches Modell eine bessere Darstellung der Erkrankung vermittelt als ein rein digitales Modell.
Durch die Simulation der realitätsnahen Situation können die operativen Schritte des Eingriffes vorher genauer geplant werden, wodurch die Operationsdauer verkürzt und die Belastung des Patienten verringert werden kann. Aufgrund dessen ist der Druck von Anatomischen 3D Modellen eine geeignete Methode den Auszubildenden und erfahrenden Ärzten einen Überblick über komplexe und außergewöhnliche Situationen zu geben. Typische Situationen bei denen Anatomische Modelle angewendet werden sind beispielsweise Herzfehler Neugeborener mit unklaren bzw. komplexen Anomalien, schwere Frakturen oder komplexe Tumor Entfernungen.

3D-Druck-Opertationvorbereitung-Herzkammer

Herzmodell mit Queschnitt gedruckt im Polyjet Verfahren mit dem gummiähnlichen Material Tango

Für eine exakte Nachbildung der Zielstrukturen kann als Grundlage ein CT oder ein MRT Scan dienen, die in meist im DICOM Format vorliegen. DICOM ist ein offener Standard für eine Anhäufung von medizinischen Bildern und der Transfer bildbezogener Daten.

Einen Eindruck von DICOM Daten kann man sich bspw. auf der Plattform Dicom Library machen, wo zu wissenschaftlichen Zwecken DICOM-Datensätze veröffentlicht werden. Um aus dem Scan ein 3D-gedrucktes Modell entwerfen zu können, muss die Datei in ein geeignetes 3D Format exportiert werden. Anhand der unterschiedlichen Graustufen werden mithilfe eines Algorithmus 3D-Daten im Format STL erstellt. Um diese zu vervollständigen müssen die Daten noch manuell angepasst werden, um beispielsweise Artefakte zu entfernen und wichtige Details heraus- bzw. nachzuarbeiten. Nach dem vervollständigen der Daten ist das Modell druckbereit.

 

Für den Druck der anatomischen Modelle kommen insbesondere drei additive Technologien zum Einsatz:

  • Polyjet: Erlaubt einen 2-Komponenten-Druck mit transparenten & blickdichten oder festen & weichen Materialien. Ersteres wird insbesondere verwendet, um filigrane Strukturen im räumlichen Zusammenhang zu sehen. Weiche Materialien werden verwendet, um die Haptik von Geweben nachzuempfinden.
  • Lasersintern / HP Jet Fusion: Bei den Verfahren wird mit Polyamid und stützstrukturfrei gearbeitet. Das Material ist sehr stabil und wird häufig verwendet, wenn bspw. Knochenstrukturen zum Test angebohrt werden sollen, sehr komplexe Strukturen dargestellt werden sollen oder Stabilität ein entscheidender Faktor ist.
  • Colorjet: Das gipsähnliche Material ist sowohl geeignet, um die Haptik von Knochen zu simulieren als auch vollfarbige Strukturen darzustellen (um bspw. verschiedene Areale voneinander abzugrenzen). Allerdings ist das Material zerbrechlich, daher dürfen an den Modellen keine großen Kräfte angewendet werden.

Modelle für die Lehre

Modelle für die Lehre sind meistens sehr spezifisch. Kommerziell erhältliche Modelle sind häufig stark vereinfacht und in der Auswahl begrenzt, so dass spezifische Modelle in aufwändiger Arbeit selbst erstellt werden müssen.

Der 3D-Druck kann hierbei eine schnellere und ökonomischere Alternative sein. Oftmals werden die 3D-Modelle in der Anatomie, Biologie, Chemie und der Geologie eingesetzt. In den verschiedenen Bereichen helfen die dreidimensionalen Visualisierungen die Strukturen und die funktionalen Zusammenhänge zu verstehen und nachzuvollziehen.

3D-gedrucktes Modell eines Gehirns

Vollfarbiges Modell eines Gehirns (Colorjet Technologie), basierend auf einem Scan eines Plastinates.

In der Anatomie werden hauptsächlich Organmodelle erstellt. Der 3D-Druck bietet gegenüber kommerziell erhältlichen Standardmodellen einige Vorteile:

  • Pathologische Veränderungen können individuell dargestellt werden
  • Querschnitte können beliebig gelegt werden
  • Der Druck kann in sehr hoher dreidimensionaler Auflösung erfolgen, meist sind die Modelle deutlich detaillierter als herkömmlich erzeugte Modelle

Grundlage dafür sind meist Daten aus medizinischen bildgebenden Verfahren (CT, MRT) von Patienten oder teilweise auch vom Präparat. Seltener handelt es sich um 3D-Scans von Plastinaten o.ä. Modellen.

3D Modell Drosophila Melanogaster

3D-Druck (HP Jet Fusion) von Drosophila melanogaster in einer starken Vergrößerung, basierend auf einer 3D-Röntgenaufnahme der Firma ZEISS.

In der Biologie ist der 3D-Druck eine Mittel, um mikroskopische oder sub-mikroskopische Strukturen in einem stark vergrößerten Maßstab als plastische Modelle darzustellen. Dabei ist es unerheblich worum es sich dabei handelt, teils sind dies vollständige Modellorganismen, teils vereinzelte Zellstrukturen. Als Grundlage dafür dienen meist hochauflösende bildgebene Verfahren, wie die Röntgenmikroskopie o.ä.

3D-gedrucktes farbiges Molekülmodell GFP

3D-gedrucktes farbiges Molekülmodell GFP (Grün fluoreszierendes Protein)

In der Chemie, Biochemie & Molekularbiologie können unter anderem die Molekülmodelle oder Interaktionen dargestellt werden. Mehr Informatioen erhalten Sie hier:

Eine entsprechende Datei für die Modelle zu finden ist je nach Anwendungsfall sehr verschieden. In manchen Fällen liegen bereits 3D Daten vor, wie bei Molekülmodellen oder 3D Röntegenmikroskop-Aufnahmen (wie im Beispiel der oben abgebildeten Fliege). In anderen Fällen sind noch keine 3D Daten vorhanden und müssen erst erstellt werden. Dies kann durch einen 3D Scan geschehen oder auch durch manuelles Design anhand vorhandener Abbildungen oder Skizzen.


Labor- & Experimentierbedarf

Prototyp Greifarm hergestellt im Polyjet Verfahren

3D-gedruckte Greifhand.

Alle Experimente haben eines gemeinsam: man betritt Neuland. Daher ist es häufig erforderlich, individuell entwickelte Laborgegenstände, bzw. Experimentierbedarf zu entwickeln. Klassischer Musterbau ist sehr aufwändig. Mit 3D-Druck können häufig gleichwertige Ergebnisse in wenigen Tagen produziert werden. Die Bandbreite in diesem Bereich ist sehr groß. Von kleineren Objekten, wie individuelle Greifer bis hin zu kompletten Versuchsaufbauten für komplexe Experimente stellt 3D-Druck eine gute Fertigungsmethode dar. Da oft sehr spezifische Materialen oder Oberflächeneigenschaften notwendig sind, welche mit Additiven Fertigungsverfahren nicht erreicht werden können, werden oftmals die Versuchsanordnungen durch zusätzliche Teile anderer Produktionsverfahren ergänzt.


Wir sind der Partner für Forschungseinrichtungen, Universitätskliniken und Universitäten

Wir sind als 3D-Druck Dienstleister ein anerkannter und etablierter Partner von akademischen Einrichtungen. Wir bieten Erfahrung in Arbeit mit über 20 Universitäten, zahlreichen Krankenhäusern und Forschungseinrichtungen. Den akademischen Einrichtungen öffentlicher Trägerschaft können bei uns Vorteile genießen wie bspw. die Zahlung auf Rechnung.


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