3D-gedruckte Gipsabdrücke werden im medizinischen Bereich immer beliebter. Diese Gipsverbände können schneller und kostengünstiger hergestellt werden als die herkömmlichen orthopädischen Gipsverbände. Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über 3D-gedruckte Gipsverbände, die zu ihrer Herstellung verwendeten Drucker und mehr zu erfahren.
3D-gedruckte orthopädische Gipsverbände werden zunehmend bei der Behandlung von Knochenbrüchen eingesetzt. Bislang hat sich diese Technologie jedoch noch nicht durchgesetzt. In diesem Artikel befassen wir uns mit den Vor- und Nachteilen von 3D-gedruckten Gipsabdrücken im Vergleich zu herkömmlichen Gipsabdrücken.
Außerdem werfen wir einen Blick auf die Zukunft dieser konservativen, aber zuverlässigen und wirksamen Behandlungsmethode.
Fangen wir an.
Geschichte der 3D-gedruckten Gusstechnologie
Orthopädische Gipsverbände werden verwendet, um den Heilungsprozess gebrochener Knochen zu erleichtern. Der Gips wirkt wie ein Stift und fixiert die Gliedmaßen an Ort und Stelle, um eine fehlerhafte Knochenheilung zu verhindern.
Moderne Verbände sind in der Regel aus Gips oder Glasfaser hergestellt. Die Idee, einen fixierenden (immobilisierenden) Verband anzulegen, wurde von dem russischen Chirurgen Nikolai Iwanowitsch Pirogow entwickelt. Im Jahr 1847, während der Kämpfe im Kaukasus, verwendete er erstmals einen fixierenden “geformten Verband”.
Zunächst verwendete Pirogov Stärke als Härtemittel. Später ersetzte er es durch Guttapercha und schließlich durch Gips. Der moderne Gipsverband ist eine hygroskopische Bandage, die mit Gips bestreut wird. Der Gips wird industriell in versiegelten Verpackungen hergestellt.
Wenn der Gips in Wasser eingeweicht wird, beginnt er zu härten. Das Anlegen eines Gipsverbandes kann bis zu 45 Minuten dauern, ein vollständiger Gips kann 24 bis 72 Stunden in Anspruch nehmen. Auch das Entfernen des Gipses ist ein komplizierter Vorgang. Der ausgehärtete Gips kann nur mit einer speziellen elektrischen Säge sicher durchtrennt werden.
Es gibt viele Möglichkeiten, diese Technologie zu verbessern, und die Pioniere des 3D-Drucks erkannten das Potenzial der additiven Fertigung zur Lösung neuer Probleme.
Die ersten 3D-gedruckten Verankerungen wurden 2013 vorgestellt. Gleichzeitig wurde das Produktionsschema der Orthese klar. Es besteht aus 3 Hauptschritten.
Stufe 1: Röntgenbild
Um die genaue Position des gebrochenen Knochens zu bestimmen, wird eine Standard-Röntgenaufnahme der Extremität des Patienten angefertigt.
Stufe 2: 3D-Modellierung
Die Hand des Patienten wird mit einem 3D-Scanner gescannt, um ein 3D-Modell zu erstellen. Anhand der genauen Maße der Patientenhand kann ein perfekt passender Abdruck erstellt werden.
Stufe 3: 3D-Druck
Die Orthese wird aus leichtem Kunststoff 3D-gedruckt und kann dem Patienten in Sekundenschnelle angepasst werden.
Obwohl es diese Technologie schon seit fast zehn Jahren gibt, hat sich der 3D-gedruckte orthopädische Gips noch nicht durchgesetzt. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass es an konkreten Daten über ihren praktischen Nutzen mangelt.
Die Situation hat sich jedoch zu ändern begonnen.
In einer Studie aus dem Jahr 2020 verglichen chinesische Wissenschaftler 3D-gedruckte orthopädische Gipsverbände für die Behandlung gebrochener Hände mit herkömmlichen Gipsverbänden und externen festen Schienen. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass 3D-Orthesen im Vergleich zu Gips einen höheren Komfort bieten und die Schmerzen verringern. Die Technologie wird immer häufiger eingesetzt.
Das Children’s Hospital in Colorado gab bekannt, dass es das erste Kinderkrankenhaus in den Vereinigten Staaten ist, das 3D-gedruckte Orthesen für Kinder anbietet. Die neue Technologie verbessert die Behandlungsergebnisse und beseitigt eine Reihe von Einschränkungen der herkömmlichen Behandlungsmethoden.
Möglichkeiten von 3D-gedruckten orthopädischen Gipsverbänden
Die Erfindung des Gipses war eine der größten medizinischen Entdeckungen. Er hat jedoch eine Reihe von Nachteilen, die mit dem 3D-Druck überwunden werden können. Zum Beispiel kann das Anbringen eines Gipses ein langer, mühsamer, unordentlicher und sogar schmerzhafter Prozess sein. Genaue Messungen müssen sorgfältig durchgeführt werden.
Mit dem 3D-Druck lassen sich all diese Probleme lösen. Der Gips lässt sich in Sekundenschnelle mit ein paar Klammern befestigen. Auch die Entfernung ist einfach und erfordert keine gefährlichen elektrischen Sägen.
Ein weiterer Nachteil von Gips ist, dass er nicht atmungsaktiv ist. Das Pflaster verhindert den Luftkontakt mit der Haut. Dies kann zu verstopften Poren führen. Außerdem können sich bei manchen Patienten gefährliche Hautinfektionen in den Wunden bilden. Außerdem können ständige Hitze, Schweiß und Druck einen sehr unangenehmen Juckreiz verursachen.
3D-gedruckte Gipsverbände oder Orthesen werden in Form eines Gitters hergestellt, das aus offenen Abschnitten mit Kunststoffpfosten besteht. Dies gewährleistet die erforderliche Struktur und unvollständige Abdeckung der Hand, was zu einem höheren Komfort führt.
Außerdem kann Gips nicht befeuchtet werden, da Wasser die Struktur zerstört. Daher kann ein Patient mit einem herkömmlichen Gips nicht duschen oder hat Angst, in den Regen zu geraten. 3D-gedruckte Orthesen hingegen bestehen aus wasserfestem Kunststoff. Man kann mit ihnen sogar schwimmen gehen.
Ein weiterer Nachteil von herkömmlichem Gips ist die Unfähigkeit, den Druck richtig zu verteilen. Dies ist vielleicht der größte Nachteil, da sich dadurch der Heilungsprozess verlangsamt. Andererseits werden 3D-gedruckte orthopädische Gipsverbände individuell gestaltet, und ihre Gitterstruktur kann so konzipiert werden, dass sie bestimmten Bereichen, die Unterstützung benötigen, mehr Festigkeit verleiht und an anderen Stellen Druck abbaut.
Die Idee für die Gitterstruktur der orthopädischen Gipsverbände stammt von den neuseeländischen Ingenieuren Ollie und Jake Evill. Die beiden entwickelten 2013 einen Prototyp und schufen wenig später einen der ersten 3D-gedruckten orthopädischen Gipsverbände der Welt. Der Gips war leicht, atmungsaktiv, hochtechnologisch und bot lokale Unterstützung für gebrochene Knochen. Dieser orthopädische Gips zeigte, wie vielversprechend diese Technologie ist.
Für den 3D-gedruckten orthopädischen Gips erhielten die beiden Ingenieure den zweiten Platz bei den International James Dyson Technology Awards. Ihre Design-Vision führte dazu, dass sie als Designer in dem kürzlich erschienenen Hollywood-Blockbuster Blade Runner 2049 mitwirkten.
Lassen Sie uns nun ein wenig über spezifische 3D-Drucktechnologien im Bereich der Herstellung von Orthesen und über Unternehmen sprechen, die solche Dienstleistungen für Patienten und Ärzte anbieten.
3D-Druck von orthopädischen Gussteilen Technologien
In den meisten Fällen werden FDM-3D-Drucker zur Herstellung von 3D-gedruckten Orthesen verwendet. Das Modell wird durch schichtweises Auftragen von geschmolzenem Kunststofffilament geformt.
Der Hauptvorteil dieser Technologie sind die niedrigen Materialkosten, was wiederum zu niedrigen Kosten für das Modell selbst führt. Der Nachteil ist jedoch die Druckgeschwindigkeit, die es nicht erlaubt, ein Modell in Anwesenheit eines Patienten zu erstellen.
Beachten Sie auch die maximale Bauhöhe. Großformatige 3D-Drucker wie der Raise3D Pro2 Plus und der Picaso Designer XL sind für diese Aufgaben bestens geeignet. Diese Drucker sind äußerst zuverlässig und können rund um die Uhr betrieben werden.
Seit kurzem werden Orthesen auch mit 3D-Druckern aus Photopolymerharz gedruckt. Diese Drucker drucken schneller und die Oberfläche der fertigen Modelle ist angenehmer anzufassen. Die Technologie hat jedoch ihre Nachteile: die Notwendigkeit der Nachbearbeitung der Modelle und die deutlich höheren Materialkosten für den Druck.
Zu den empfohlenen Harz-3D-Druckern für orthopädische Abgüsse gehören die Modelle Phrozen Transform Fast und FormLabs 3L.
Der FormLabs 3L kann zusammen mit dem gesamten Formlabs-Ökosystem zu einem unverzichtbaren Werkzeug für den 3D-Druck orthopädischer Abdrücke werden. Andererseits ist der Phrozen 3D-Drucker erschwinglich und für jeden sinnvoll, der den 3D-Druck von Gipsen ausprobieren möchte.
Beispiele für 3D-gedruckte Gussteile Business
In diesem Abschnitt sehen wir uns einige interessante Beispiele von Unternehmen aus verschiedenen Teilen der Welt an, die sich mit dem 3D-Druck von Gipsverbänden für gebrochene Knochen beschäftigen.
CastPrint
CastPrint ist ein Dienstleistungsunternehmen, das von den Unternehmern Janis Olins und Sigwards Krongorns in Lettland gegründet wurde. Das Unternehmen entwickelt nicht nur Orthesen für einzelne Teile der Hände (Handgelenk, Daumen, andere Finger), sondern auch für die Behandlung von Beinverletzungen.
CastPrint hat sein Geschäft so weit ausgebaut, dass seine Technologie auf dem lettischen Gesundheitsmarkt alltäglich geworden ist. Das Unternehmen hat auch nach Großbritannien expandiert, wo mehrere private Gesundheitsunternehmen die Entwicklung in die tägliche Praxis eingeführt haben.
Xkelet
Das spanische Unternehmen Xkelet hat beschlossen, den 3D-Druck von orthopädischen Gipsen zu beschleunigen. Der Geschäftsführer Tim Dobrinich war unzufrieden mit dem zweistündigen Scan- bis Produktionsprozess und beschloss, diesen auf 15-30 Minuten zu verkürzen. Er verwendete eine spezielle Kamerahalterung am iPad und eine speziell entwickelte App.
Die Gliedmaße des Patienten wird aus allen Winkeln fotografiert, und in Sekundenschnelle wird ein Gipsmodell erstellt. Damit entfällt die Notwendigkeit eines längeren, separaten 3D-Scans und einer Simulation.
Xkelet-Hosenträger verwenden Verankerungspunkte, sogenannte O-Ringe. Sie ermöglichen es, dass ein und dasselbe Modell mehrfach gegossen werden kann, wodurch das Produkt wiederverwendbar wird.
Im April 2021 erhielt das Unternehmen eine Auszeichnung beim internationalen Designfestival Red Dot Award in Berlin für das Design eines 3D-gedruckten Gipses.
Zdravprint
Das russische Unternehmen Zdravprint ging einen anderen Weg und begann, Orthesen auf der Grundlage der biometrischen Parameter des Patienten zu erstellen. Ein spezielles Programm wandelt die Handmaße des Patienten in ein 3D-Modell einer individuellen Orthese um. Die Druckzeit beträgt 15 bis 90 Minuten.
Die Produkte haben eine innere dreidimensionale Struktur, was den Tiefziehvorgang erleichtert. Die Formung des Produkts für den Patienten dauert 5 Minuten.
Zdravprint arbeitet mit führenden medizinischen Einrichtungen in Moskau zusammen, zum Beispiel mit dem 29. Moskauer Städtischen Klinikum und dem 4. Moskauer Städtischen Klinikum. Hunderte von Patienten wurden bereits mit den Produkten des Unternehmens behandelt.
Vorteile und Nachteile des 3D-Drucks von Gussteilen
Lassen Sie uns zusammenfassend die Vor- und Nachteile der neuen Methode betrachten.
Zu den Vorteilen gehören der Patientenkomfort, das einfache Anlegen und Entfernen sowie die geringeren Kosten im Vergleich zu einem Gipsverband. Die individuelle Modellierung des 3D-gedruckten orthopädischen Gipses macht den Behandlungsprozess wesentlich effizienter. Außerdem verbessert die offene Gitterstruktur die Atmungsaktivität, was besonders bei der Behandlung von Kindern wichtig ist.
3D-gedruckte Gipsabdrücke sind haltbar, leicht und schränken die Bewegungsfreiheit nicht ein wie herkömmlicher Gips. Die Gipsabdrücke können auch wiederverwendet werden, was zur Kostensenkung beiträgt (wie von Xkelet vorgeschlagen). Schließlich können die orthopädischen Gipsabdrücke unter Verwendung der vorhandenen Struktur und mit weniger Material umgebaut und verändert werden.
Nachteilig ist, dass es weniger Daten über die Wirksamkeit von 3D-gedruckten Gipsverbänden bei der Behandlung von Verletzungen gibt als bei der Verwendung von Gips. Selbst jetzt, wo mehr Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um die Wirksamkeit zu belegen, ist ein medizinischer Konsens noch nicht erreicht. Aus diesem Grund hat sich diese Technologie noch nicht durchgesetzt. Es wird einige Zeit dauern, bis die Beweise gesammelt sind.
Auch die Verwendung von Orthesen zur Behandlung von Beinfrakturen ist noch schwierig. Beinorthesen sind vergleichsweise größer und unbequemer als ihre Gegenstücke zur Behandlung von Handbrüchen. Die Gipsverbände erschweren das Tragen von Socken und Schuhen. Außerdem sind sie mit mehr Einschränkungen verbunden.
Weitere Technologieentwicklung
Eine der nächsten Aufgaben, die 3D-gedruckte Orthesen lösen müssen, ist die Fixierung ganzer Gliedmaßen, nicht nur von Hand, Handgelenk, Fuß oder Knöchel. Branchenführer versuchen, Armorthesen zu entwickeln, die über den Ellbogen hinaus bis zur Schulter und zum Bizeps reichen. Es wird auch an orthopädischen Gipsverbänden für die Hüfte zur Behandlung von Beinbrüchen geforscht. Einige der verheerendsten Verletzungen treten in diesen Bereichen auf, vor allem bei Auto- und Motorradunfällen. Gegenwärtig werden für solche Verletzungen Gipsverbände verwendet.
3D-gedruckte orthopädische Gipsverbände für Knochenbrüche sind derzeit weltweit auf dem kommerziellen Gesundheitsmarkt erhältlich. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Patienten, die eine kostenlose öffentliche Gesundheitsversorgung erhalten, davon gehört haben. Das liegt in erster Linie daran, dass auch hier die notwendige Forschungsgrundlage fehlt, die die Wirksamkeit und Sicherheit der Technologie eindeutig bestätigt.
Wir hoffen jedoch, dass die Forschungsergebnisse bald vorliegen und die Technologie dann für alle verfügbar sein wird.
Oben sehen Sie ein Beispiel für einen automatisierten 3D-Prozess in der Orthopädie. Der Scan wird über das Telefon empfangen (die Aufnahme dauerte 5 Minuten), wird automatisch in ein 3D-Modell umgewandelt (20 Minuten) und schließlich auf einem 3D-Drucker gedruckt (5 Stunden). Für den Druck der Orthese wurde ein Raise3D Pro2 Plus Drucker verwendet.
