Aus Science-Fiction wird Realität. Terminator wird reell – durch den 3D-Druck.

Der Film «Terminator» handelt von einem Menschen mit maschinellen Körperteilen. Doch was früher Science-Fiction war, wird zur Realität. Denn ähnlich wie im Film werden heutzutage Körperteile mit Teilen aus dem 3D-Druck ergänzt oder sogar ersetzt.

3D-Druck kurz erklärt

Der 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren. Dabei werden Materialien wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle schichtenmässig aufgetragen damit dreidimensionale Gegenstände entstehen. Die Schichtung ist computergesteuert und erfolgt nach dessen vorgegebenen Massen und Formen. Es werden flüssige oder feste Stoffe verwendet. Damit die Stoffe nach belieben geformt werden können, werden sie durch chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse behandelt. Der 3D-Druck findet hauptsächlich im Modellbau, in der Forschung oder in der Medizin Einsatz. Zu den additiven Fertigungsverfahren gehören unter anderen die folgenden Verfahren: Stereolithografie, Laser-Sintern, Laser-Stahlschmelzen und Elektronen-Stahlschmelzen. (3Druck- The Independent AM Magazine, 2019)

Wie alles begann – Beinprothese aus dem Drucker

Der 3D-Druck besteht bereits seit dem Jahr 1981. Ab diesem Zeitpunkt hat sich der 3D-Druck rasant entwickelt. Der erste käufliche 3D-Drucker gab es im Jahr 1988 zu erwerben. Seit dem Jahr 1990 wird der 3D-Druck in der Medizin angewendet. Im Jahr 2000 produzierten chinesische Wissenschaftler die erste funktionstüchtige Mini-Niere mit einem 3D-Drucker. Diese bestand jedoch nicht aus menschlichem Gewebe, weshalb sie so noch nicht in den menschlichen Körper eingepflanzt werden konnte. Sie «überlebte» lediglich vier Monate. Nach dem Druck der Mini-Niere folgt im Jahr 2008 die Herstellung der ersten Beinprothese. (3D Activation CH, 2018)

Stand heute

Die Forschung hat zwar noch keine funktionstüchtigen Organe gedruckt, welche auch in den Körper eingebaut werden können. Es ist jedoch möglich, Knochen und Gelenke mit einem 3D-Drucker herzustellen. Diese bestehen häufig aus bereits erprobten Materialien wie Titan, Keramik und Kunststoff. Sogar Stützgerüste aus Spezialkunststoffen, welche mit menschlichen Zellen besiedelt werden, sind bereits möglich. (SRF, 2017)

Die Herstellung von Knochen und Gelenken ist oft ähnlich und unabhängig von der Körperstelle. Als Basis dient meist ein dreidimensionales Abbild, welches mit einem Computertomographen erstellt wurde. Mit Hilfe dieses Bildes werden Teile gefertigt, welche aus Hundertstell Millimeter dicken Schichten bestehen. (SRF, 2017)

Das Körperteile aus 3D-Druckern nicht nur in Science-Fiction-Filmen vorkommen, zeigt sich an folgenden Beispielen, bei welchen Körperteilen aus 3D-Druckern bereits hergestellt und erfolgreich implantiert wurden. (SRF, 2017)

• Zahnkronen: Moderne Drucker haben bereits heute die Möglichkeit, innerhalb von 15 Minuten eine Zahnkrone zu Drucken. Dafür müssen die Masse durch den Zahnarzt gemessen und an den Drucker gesendet werden. Die Herstellung von Zahnkronen über den Drucker ist zehnmal günstiger, als die gängige Herstellungsvariante. Gedruckte Zahnkronen finden noch wenig Verwendung, da die Anschaffungskosten des 3D-Drucks immens und die Bedienung der Software komplex sind.
• Knie und Gelenke: Gedruckte Knieprothesen und Knorpel führen zu einem hohen Tragekomfort, da sie individuell gefertigt werden.
• Wachsende Nasen: Diesen Nasen bestehen aus einem Polymer-Gerüst mit Knorpelzellen. Das Gerüst löst sich mit der Zeit auf und es bleiben natürliche Zellen zurück.
• Luftröhren: Die Form der Luftröhre begünstigt eine Herstellung mittels 3D-Druck und kann aus Plastikfasern und Stammzellen hergestellt werden.
• Gesichter: Mit einem CT-Scan eines Schädels können Gesichter rekonstruiert werden. Der Scan dient als Vorlag für den 3D-Druck von Knochenprothesen.
• Künstliche Kieferknochen: Künstliche Kieferknochen werden aus Titanstaub produziert. Zukünftig sollen diese jedoch aus körpereigenen Zellen hergestellt werden können.
• Minisken: Die Herstellung von Minisken von Schafen war bereits erfolgreich. Diese sind sehr ähnlich wie diejenigen der Menschen. Das Gerüstmaterial der Minisken löste sich fortlaufend auf und ein natürlicher Knorpel blieb zurück.

https://www.youtube.com/watch?v=uo7ykElQhyg

Diese Beispiele von Körperteilen aus dem 3D-Drucker lässt in Zukunft grosses erahnen.

Zukunftsausblick – Organe aus dem Drucker

Die Zukunft des 3D-Drucks in der Medizin liegt dabei, Organe zu drucken. Organe können durch einen Bioprinter hergestellt werden. Der Printer arbeitet mit lebendigem Gewebe. Diese Druckart wird auch Bioprinting genannt. (printer4you Magazin, 2017)

Bioprinting ist eine Sonderform des 3D-Drucks. Für den Druck von Organen werden speziell gezüchtete Zellen verwendet. Mit einem Computer können Gewebe oder Strukturen gebildet werden. Mit dieser Technik soll es möglich sein, vollumgänglich funktionstüchtige Organe zu erzeugen. Bioprinting findet jedoch nicht nur in der Medizin, sondern auch in der Biologie und Lebensmittelindustrie Anwendung. In der Biologie können dadurch künstliche Lebewesen erschaffen werden. In der Lebensmittelindustrie kann Bioprinting zur Herstellung von Fleisch verwendet werden. (printer4you Magazin, 2017)

Doch auch die Herstellung von Organen und Körperteilen mit Bioprinting hat Grenzen. Es können lediglich Körperteile mit Stützfunktion oder einer eingeschränkten Funktionalität hergestellt werden. So wurden zum Beispiel bereits Augenprothesen und Gliedmassen hergestellt. Die Herstellung von komplexen Systemen ist noch nicht erfolgt. Zwar konnten bereits Organe erstellt werden, welche jedoch keine Funktionalität hatten. (printer4you Magazin, 2017)

Die Komplexität in der Herstellung von Organen liegt darin, dass die Zellen mit Nähstoffen versorgt werden müssen. Die Herstellung von Blutgefässen erweist sich als sehr komplex. Denn die Zellen dürfen nicht zu weit und nicht zu nah voneinander entfernt sein. Ebenfalls müssen Bedingungen wie der pH-Wert sowie die Temperatur optimiert sein, damit der Körper das Organ nicht abstösst und die Versorgung optimal ist. Das Innere ist das Zentralstück eines Organs. Darin liegt die gesamte Funktionalität, das Äussere bildet das Gerüst dazu. Die Forschung konnte bereits äussere Gerüste mit Bioprinting herstellen, das innere der Organe ist oft zu komplex und konnte bis anhin noch nicht funktionstüchtig hergestellt und in einen Körper implantiert werden. (printer4you Magazin, 2017)

Sollte die komplette Herstellung von Organen und deren Implantation in einen Körper möglich sein, dann wären lange Wartelisten für Spenderorgane Geschichte.

„Fortschritt sollte bedeuten, dass wir ständig die Welt ändern, um sie der Vision anzupassen;

Fortschritt bedeutet in Wirklichkeit, dass wir die Vision ändern.“

– Gilbert Keith Chesterton-

In diesem Sinne, werden wir die Zukunft erwarten, in welcher der Film Terminator tatsächlich im Hier und Jetzt angekommen ist.

Quellenangaben:

3D Activation CH. (2018). 6 bedeutsame Fakten Geschichte des 3D-Drucks – 3D Activation. Gefunden am 09.09.2020 unter https://www.3d-activation.ch/der-3d-druck-blog/6-bedeutsame-fakten-zur-geschichte-des-3d-drucks/

3Druck- The Independent AM Magazine. (2019). Was ist 3D-Druck? Der 3D-Druck Grundkurs – 3Druck.com. Gefunden am 09.09.2020 unter https://3druck.com/3d-druck-grundkurs/

Pixabay. (Ohne Datum). Regenerative Reliquary, Amy Karle. Gefunden am 05.11.2020.144Z unter https://pixabay.com/photos/regenerative-reliquary-amy-karle-2744729/

printer4you Magazin. (2017). Bioprinting – Revolution der Medizin? Gefunden am 09.09.2020 unter https://www.printer4you.com/magazin/bioprinting-3d-drucker-revolutionieren-die-medizin/

Redshift DE. (2014). Geschichtsstunde: Der 3D-Druck ist älter, als Sie denken. Gefunden am 09.09.2020 unter https://www.autodesk.de/redshift/geschichte-des-3d-drucks/

SRF. (2017). Körperteile aus dem Drucker – Doktor 3D. Gefunden am 22.09.2020.092Z unter https://www.srf.ch/news/panorama/koerperteile-aus-dem-drucker-doktor-3d