Aktueller Stand und neue Entwicklungen des 3D-Drucks in der Unfallchirurgie

3D-Druck-Anwendungen werden bislang in der Unfallchirurgie relativ wenig genutzt. In der Orthopädie werden patientenspezifische Anwendungen v. a. in der Endoprothetik eingesetzt, entweder als patientenspezifische Resektionslehren zusammen mit Standardendoprothesen oder patientenspezifische Resektionslehren in Kombination mit patientenspezifischen Endoprothesen [5, 34].

Doch gerade auch in der Unfallchirurgie ist das Potenzial für Anwendungen patientenspezifischer 3D-Druck-Konstrukte enorm. Diese besondere Form der individualisierten Medizin kann weite Bereiche der muskuloskeletalen Chirurgie mit Lösungen bereichern, die bislang nicht vorstellbar oder umsetzbar waren. Dabei können unterschiedliche Anwendungsformen unterschieden werden (Tab. 3).

Hauptgrundlage des 3D-Drucks sind dreidimensionale Bilddatensätze, die entweder aus der 3D-Bildgebung in Form von CT oder MRT, aus Konstruktionssoftware oder beiden stammen. Mithilfe von geeigneter Software können aus diesen 3D-Datensätzen individuelle, patientenspezifische Konstrukte und Modelle erstellt werden, die bestimmte Aufgaben erfüllen.

Mit dem 3D-Druck lassen sich individuelle patientenspezifische Modelle, Werkzeuge, Implantate und andere Strukturen kostengünstiger und geometrisch komplexer herstellen als mit herkömmlichen Prozessen. Mit dem 3D-Druck lassen sich z. B. auch hinterschnittene Formen oder Konstrukte herstellen. Feste und poröse Abschnitte können extrem variabel kombiniert werden. Die Porosität ist nahezu beliebig einstellbar, um optimale Festigkeit und eine Lösung der gestellten Aufgaben zu gewährleisten [30, 54, 70].

Ursprünglich wurde der 3D-Druck eingesetzt, um hochkomplexe, seltene und schwierige, anders nicht oder kaum lösbare Probleme zu adressieren. Dieser Ansatz weicht mehr und mehr einem zunehmend breiteren Einsatz auch bei weniger komplexen oder schwierigen Szenarien. Es ist zu erwarten, dass damit Kosten und Aufwand für Planung, Herstellung und Einsatz weiter sinken werden. Damit wird auch der Einsatz zu Lehr- und Ausbildungszwecken weiter erleichtert [10, 61, 70].

Die Anwendung von 3D-Druck-Modellen in der Unfallchirurgie begann mit dem Wunsch, komplexe Frakturmuster realitätsnäher darzustellen, als dies mit rein virtueller Darstellung auf einem Computerbildschirm möglich ist. Es wird vielfach postuliert, dass 3D-Druck-Modelle neben der optischen Analyse auch eine taktile Erfassung der unterschiedlichen Geometriekomponenten und damit ein besseres Verständnis der Verletzung, bessere Planung, bessere operative Versorgung und bessere Ergebnisse erlauben [4, 6, 10, 11, 25, 28, 31, 32, 38, 44, 57, 59, 70, 73‐75, 78, 81].

Dieses Postulat wurde kürzlich in einer multizentrischen Studie untersucht. Fünf Chirurgen wurden mit insgesamt 50 Fällen eines 3D-gedruckten Models in realer Größe (periartikuläre Frakturen (n = 24), Beckenfrakturen (n = 11), komplexe Primär-(n = 7) und Revisionsendoprothetik (n = 8)) exponiert. Die Chirurgen konnten mit diesen Modellen die Operationsschritte mental „durchspielen“ und so ihr Verständnis für die Pathoanatomie verbessern. Die Modelle wurden dann für die intraoperative Referenzierung sterilisiert und standen während der Operation ständig zur Verfügung. Nach jedem Fall wurden die Chirurgen standardisiert befragt. Alle Chirurgen berichteten, dass das 3D-Modell Kenntnisse der komplexen Pathologie verbesserte. Für die Bereiche präoperative Planung, mentale Reflexion der Operationsschritte, mentale chirurgische Simulation, Identifikation von intraoperativen Bezugspunkten, chirurgische Navigation, präoperative Implantatwahl und Vorbereitung von Infrastruktur und Instrumenten kam es durch die Exposition mit dem Modell zu einer Verbesserung. Von den Chirurgen wurden eine Verminderung der Operationszeit und verbesserte Genauigkeit angenommen. Messungen zu diesen Parametern sind nicht erfolgt [3].

Bei der Wiederherstellung komplexer Geometrien im Schaft- und im Gelenkbereich wird häufig die Gegenseite zum Vergleich herangezogen. Es wird häufig vorausgesetzt, dass das Skelett vollständig symmetrisch angelegt ist und als Muster für verletzte oder zerstörte Strukturen dienen kann. Das gilt aber nur mit gewissen Einschränkungen.

Die Arbeitsgruppe um Zhang et al. hat diesen postulierten Zusammenhang an Femur- und Tibiaachsen genauer untersucht, in dem sie unterschiedlich lange (5, 10 und 15 cm) Achsabschnitte der oberen und unteren Knochenenden von 78 Knochenpaaren vergleichend untersuchte. Die jeweils distale 5 cm lange Femurachse und 15 cm lange Tibiaachse wiesen im Seitenvergleich signifikante geometrische Unterschiede auf, während alle anderen Gruppen keine signifikanten Unterschiede aufwiesen. Die Autoren empfahlen, mehrere Achsabschnitte für einen Vergleich heranzuziehen und sich nicht blind auf ein isoliertes kurzes Achsensegment Segment zu verlassen [79].

Für die femorale Torsion liegt ebenfalls eine Reihe von Untersuchungen vor, die ein hohes Maß an intraindividueller Symmetrie, aber hohe interindividuelle Varianz zeigen [13, 36, 37, 47, 63, 64].

Für die intraartikulären Abschnitte dieser Knochen liegen bislang keine anatomischen Analysen vor. Hier ist im eigenen Vorgehen die Spiegelung mangels anderer Alternativen nach wie vor die beste Option für die Definition des Wiederherstellungsziels.

Qiao et al. beschreiben 2015 erstmals einen 3D-Druck-Fixateur und eine computergestützte Reduktionstechnik für einen „Ilizarov-artigen“ externen Fixateur auf der Basis bilateraler CT-Daten, um einen maßgefertigten frakturspezifischen externen Fixateur zu entwickeln, der beim Überstülpen über bereits gesetzte Schanz-Schrauben die Frakturreposition unterstützt. Experimente an insgesamt 3 frakturierten Knochenmodellen von Femur und Tibia zeigten Repositionsergebnisse unter 2° Torsion und Angulation und unter 3 mm Translation ([52], Tab. 2). Klinische Anwendungen am Patienten sind von der Arbeitsgruppe nicht beschrieben.

Die Arbeitsgruppe um Omar publizierte 2017 ein an einem Kadaverknochen getestetes Konzept mit einem patientenspezifischen 3D-gedruckten und anhand von bilateralen CT-Daten nach virtueller Frakturreposition individuell geplanten Repositionsfixateur, der nur in der anatomischen Repositionsstellung der Fraktur auf die Schanz-Schrauben passt und damit die Fraktur reponiert ([48], Tab. 2).

Im vorliegenden Heft ist dieser Ansatz weiterverfolgt und entwickelt worden. Die Technik ist erstmals in der Anwendung am Menschen beschrieben. Dies ist insbesondere für Fixateuranwendungen nach dem „Damage-control“-Konzept sinnvoll, da dabei häufig ausgeprägte Fehlstellungen temporär erstmal toleriert werden [43] müssen.

Knochenklammern werden seit Langem in der muskuloskeletalen Chirurgie eingesetzt. Yeon et al. untersuchten experimentell die Verwendung von 3D-gedruckten Polylactid-(PLA)-/Hydroxyapatit-(HA)-Knochenklammern in einem Rattenmodell. Diese in 3D-Druck-Technik spezifisch gefertigten resorbierbaren Clips können wenig invasive Knochenstabilisierungen ermöglichen (keine Knochenbohrungen erforderlich), sind biokompatibel und könnten bei entsprechender mechanischer Festigkeit und Konfiguration bei bestimmten Fraktursituationen hilfreich sein [76].

In der regenerativen Medizin werden 3D-Strukturen mit unterschiedlichen Materialien und Strukturen seit Längerem untersucht und ständig weiterentwickelt. „Bioprinting“ bezieht sich auf eine schichtbasierte Technologie, in der zellbasierte Materialien oder Zellen in bestimmter räumlicher Anordnungen auf einer Matrix aufgebracht werden.

Bioprints – mit unterschiedlichen Techniken hergestellt – werden zum Ersatz von Kornea [33] oder Blutgefäßen [65] intensiv beforscht und im Bereich der Haut bereits erfolgreich eingesetzt. Bei anderen Geweben stellen Vaskularisierung und Biointegration die größten biologischen Herausforderungen, die nur inter- und multidisziplinär (Materialwissenschaftlern, Gewebeingenieure, Chirurgen) gelöst werden können [29, 35, 38].

Knochendefekte nach Trauma, Tumor, Degeneration und Infektion stellen in der muskuloskeletalen Chirurgie ein großes bislang wenig befriedigend gelöstes Problem dar. Hier könnte der 3D-Druck von Knochenersatzmaterialien eine Lösung darstellen, da die bisherigen Ansätze mit unterschiedlichsten Materialien und Strukturen bislang nicht in der Lage waren, autologen Knochen qualitativ vollständig zu ersetzen. Hier könnten 3D-gedruckte bioaktive Verbundwerkstoffe wie Polymere, Hydrogele, Metalle, Keramik und Bioglas die bisherigen Limitierungen überwinden [1, 7, 12, 29, 38, 46, 67].

Noch komplexer ist die Situation am Knorpel. Aber erste Versuche konnten zeigen, dass es möglich ist, ein mehrschichtiges Verbundgerüst aus Knorpel, Knochen und kalzifizierten Schichten mit 3D-Druck zu erzeugen, die den anatomischen Aufbau des Knochens in einigen wichtigen Aspekten nachahmt. Dabei werden u. a. ausgefeilte thermisch induzierte Kristallisationstechniken verwendet. Der anatomie- und physiologienahe Schichtaufbau konnte im Mikro-CT nachgewiesen werden. Rasterelektronenmikroskopie und biomechanische Tests zeigten gute mechanische Eigenschaften im Vergleich mit konventionellen Herstellungsprozessen. Noch scheint es aber ein weiter Weg bis zum klinischen Einsatz von 3D-gedruckten osteochondralen Segmenten oder dem klinischen Einsatz ganzer 3D-gedruckter Gelenke [41].

Patientenspezifisch im 3D-Druck gefertigte Handgelenkschienen als Gipsersatz sind mit hoher Passgenauigkeit, geringem Gewicht, leichter Pflege und hoher Luft- und Sichtdurchlässigkeit seit Längerem bekannt [38, 51].

Ebenso wie Stützverbände können patientenspezifische Exoprothesenschäfte für Zustände nach Amputation an der unteren und oberen Extremität mit 3D-Druck-Techniken einfach und schnell mit hoher Passgenauigkeit und geringen Kosten hergestellt werden [21, 22, 55]. Die Kombination von Rapid prototyping und Robotertechnologien hat die Herstellung von funktionalen bionischen Prothesen ermöglicht [38, 39].

iGrab ist ein 3D-gedrucktes, leichtes Exoskelett, das auf leichten „Twisted Coil Polymer“(TCP-)Muskeln basiert, das ein hohes Kraft-Masse-Verhältnis aufweisen soll und z. B. als Hilfe bei Schlaganfallpatienten gedacht ist. Mit silberbeschichteten Nylonfäden wurden Aktuatoren entwickelt, die elektrothermisch kontrahiert werden können. Mit dieser Technologie wurden Handorthesen erstellt, die mit verschiedenen Aktivierungssystemen Teile der Handfunktion ersetzen sollen [38, 56].

In zahlreichen experimentellen Untersuchungen konnten hohe Präzision und Reproduzierbarkeit von 3D-gedruckten Objekten nachgewiesen werden. Insgesamt wurde die Verwendung von 3D-gedruckten Modellen für Diagnose und Behandlung bei komplexen orthopädischen Erkrankungen als zuverlässig und präzise beurteilt [38, 49, 82].