Individuell und frisch gedruckt: Der Einsatz von 3D-Druck in der Orthopädie

Maßgefertigte und an Patienten angepasste Heilbehelfe herstellen: das ist das Kernelement der Orthopädie. Dabei wird der Einsatz von 3D-Druckern in Zukunft sinnvoll sein. Die österreichische Firma Luxinergy konzentriert sich auf die Entwicklung von biokompatiblen Harzen und großformatigen 3D-Druckern. Das Partnerunternehmen Kerkoc testet die Materialien und 3D-Drucker für ihren zukünftigen Einsatz in der Orthopädietechnik auf Herz und Nieren.

MEDICA.de hat mit Thomas Rockenbauer und Martin Petraschka gesprochen und sie zu ihrer Zusammenarbeit und zur digitalen Entwicklung in der Orthopädiebranche befragt.

Herr Rockenbauer, warum ist der Einsatz von 3D-Druckern in der Orthopädie sinnvoll?

Thomas Rockenbauer: Bei der Orthopädie handelt es sich um ein klassisches Handwerk, bei dem Heilbehelfe nach Maß und/oder Modell anfertigt werden. Hier kann der 3D-Drucker seine große Stärke ausspielen. Formen, Funktionen und Materialstärken können mithilfe des 3D-Drucks individuell auf den Patienten zugeschnitten werden. Bei komplexen Strukturen stößt das traditionelle Herstellungsverfahren oft an seine handwerklichen Grenzen. Außerdem ist die traditionelle Herstellung sehr zeit- und kostenintensiv – der Wunsch nach einer schnellen Produktverfügbarkeit jedoch groß. 3D-gedruckte Orthesen werden zudem gerne getragen, da man sie individuell designen kann. Das erhöht den therapeutischen Effekt. Ein weiterer Pluspunkt: Wenn die Orthese einmal am Computer entworfen und konstruiert worden ist, kann man sie jederzeit wieder mit gleicher Qualität neu ausdrucken. Das kann gerade bei Kindern relevant sein, bei denen die Struktur der Orthese grundsätzlich gleichbleibt, während die Kinder aber mit dem Alter wachsen. 

Wie funktioniert die Entwicklung Ihrer 3D-Druckersyteme?

Rockenbauer: Wir setzen bei unserem 3D-Drucksystem auf die Technologie der Stereolithografie. Hier wird ein flüssiges Polymer mithilfe von UV-Licht Schicht für Schicht ausgehärtet. Dafür haben wir ein Becken, das mit biokompatiblem Harz gefüllt ist. Ein Projektor belichtet dieses Harz-Bad und härtet damit die Schicht aus. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt und das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut. Die Stereolithografie hat gegenüber anderen 3D-Druckverfahren zahlreiche Vorteile: einer davon ist die Druckgeschwindigkeit. Der Vorgang verläuft schneller als beim Selektiven Lasersintern (SLS) oder beim Fused Deposition Modeling (FDM). Außerdem müssen unsere Bauteile nach dem Druck nicht auskühlen – wie es zum Beispiel bei SLS der Fall ist. Zusätzlich können wir transparente Bauteile fertigen. Das ist gerade im Bereich der Orthopädie interessant, da der Orthopädietechniker durch die Orthese hindurchsehen und entsprechend erkennen kann, ob es Druckstellen gibt.

Wie stellen Sie sich die Orthopädietechnik der Zukunft vor?

Rockenbauer: Ich gehe davon aus, dass die Orthopädietechnik in der Zukunft auf jeden Fall voll digital arbeiten wird. Das traditionelle Handwerk wird übergehen zu neueren Technologien – zum Beispiel zu Computer-Aided Design (CAD). Teilweise werden auch schon 3D-Scanner genutzt, wie zum Beispiel bei Kerkoc. Der nächste große Schritt ist, auch die Fertigung mittels 3D-Druck zu digitalisieren.  Es geht also darum, mit dem 3D-Druck schnellstmöglich exakte, individuelle Lösungen für den Patienten zu fertigen. 

Herr Petraschka, Sie testen die Materialen von Luxinergy für den Einsatz in der Orthopädietechnik. Wie findet diese Testung statt?

Martin Petraschka: Die Testungen reichen von Materialkennwerten bis zu Dauertests an Testpersonen. Den Anfang macht das CAD-Programm. Es gibt Materialkennwerte, zum Beispiel Streckgrenzen, die von Luxinergy direkt ermittelt werden. Diese Daten werden dann in ein finite-Elemente-Methode-Programm eingespielt. Hier werden Designs getestet und ermittelt, wie groß und wie dick die Wandstärken sein müssen, um verschiedene Kräfte aufzunehmen. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, werden die ersten Orthesen ausgedruckt und in Dauertests geprüft. Dafür steht uns ein siebenköpfiges Team zur Verfügung. Es werden die Körperteile der Teammitglieder eingescannt und dafür Orthesen entwickelt. Beim Tragen dieser Orthesen werden die Tester zu Druckstellen, Tätigkeiten und weiteren Faktoren befragt. Die Antworten fließen dann wieder zurück in das Design der Orthesen.

Wenn unsere Orthesen zertifiziert sind, werden wir den ersten Schritt in Richtung Doppelversorgung gehen – konventionelle Produktion gleichzeitig mit der neuen 3D-Druck-Produktion. Patienten werden dann parallel versorgt und im Rahmen von Studien begleitet. Dann können wir herausfinden, wo der größte Tragekomfort und die größte Compliance liegen. Die Orthese muss für den Patienten angenehm zu tragen sein – er muss sich mit ihr identifizieren können. Je besser die Compliance, desto öfter trägt der Patient die Orthese. Und umso besser ist auch ihre Wirkung. 

Für welche Anwendungen in der Orthopädie haben Sie die Technologie bisher getestet und wann rechnen Sie damit, dass diese verfügbar sind?

Petraschka: Wir haben angefangen bei statischen Modellen: bei Helmen sowie Handschienen ohne Gelenke. Dann sind wir weitergegangen zu Mieder- und Skoliose-Versorgungen. Schließlich sind wir zu der knöchernen Struktur, also zu beweglichen Orthesen übergegangen: Fuß- und Innenschuhversorgungen sowie Beinschienen mit Gelenken. Mit der Zertifizierung rechnen wir Anfang 2022. Dann kann Luxinergy den Drucker und das Material erwerben und Kerkoc kann mit der Patientenversorgung beginnen. 

Als Traditionsunternehmen sind Sie schon seit über 75 Jahren in der Branche tätig. Was hat sich im Verlauf der vergangenen Jahre in der Orthopädietechnik verändert?

Petraschka: Vor acht bis zehn Jahren kam in der Orthopädietechnik der 3D-Scan an. Derzeit wird die Digitalisierung nicht nur für den 3D-Druck und CNC-Fräsungen (Computerized Numerical Control) genutzt, sondern auch für die Dokumentation, Qualitätssicherung und Medizinproduktesicherheit. Beim 3D-Druck ist die Digitalisierung in den letzten Jahren ein bisschen eingeschlafen, weil es keine leistbaren und für die Räumlichkeiten passende 3D-Drucker gibt. Bei uns geht es momentan immer mehr in Richtung lückenlose Aufzeichnung des gesamten Versorgungsverlaufes, Transparenz gegenüber Kunden und Ärzten und die genaue Dokumentation vom Hersteller des Rohmaterials bis zum Endprodukt.

Wie kam es zu Ihrer Partnerschaft mit Luxinergy?

Petraschka: Kerkoc ist immer darauf fokussiert, seinen Kunden den besten Service zu bieten und die neuesten Produkte und Methoden anbieten zu können. Unser Anliegen ist es, die Digitalisierung des Handwerks und ein gipsfreies Arbeiten voranzutreiben, was auch dem Kunden zugutekommt. Auch sind die Verkürzung der Versorgungszeiten und ökologische Verarbeitung wichtige Faktoren. 3D-Druck muss kalkulierbar und vor allem leistbar sein. Die Anschaffungs- und Betriebskosten für übliche 3D-Drucker sind dabei sehr hoch. Die Antwort auf die Frage, wie viel Geld man in neue Technologien investieren kann, ist vor allem für die vielen kleinen Orthetik-Betriebe sehr wichtig. Die Lösung dafür wird durch die Kooperation von Kerkoc und Luxinergy angeboten.