Ähnlich wie in der Industrie verläuft medizinische Entwicklung im Allgemeinen und in der Unfallchirurgie im Besonderen nicht kontinuierlich, sondern in Schüben, getriggert und getragen von Schlüsselentwicklungen.

Solche Schlüsselentwicklungen waren in der Vergangenheit die Entwicklung von operativen Osteosyntheseverfahren, minimalinvasive Stabilisierungstechniken, intraoperative Bildgebung, Navigationsverfahren und andere. All diese Entwicklungen hatten richtungweisende Einflüsse auf Versorgungskonzepte.

3D-Druck (Synonyme „rapid prototyping“ oder „additive Fertigung“) spielt in der Industrie seit Jahren eine immer größere Rolle, findet bereits intensive Anwendung in der Zahnmedizin- und Kieferchirurgie [49] und wird auch in der muskuloskeletalen, insbesondere der Unfallchirurgie immer interessanter [10, 16, 17, 30, 38, 54, 61, 66, 68, 70, 72].

Es ist die tiefe Überzeugung der Autoren, dass 3D-Druck-Technologie („3D printing [3DP] technology“) die Unfallchirurgie in den nächsten Jahren ebenso intensiv und nachhaltig beeinflussen wird wie die beispielhaft genannten Entwicklungen der Vergangenheit. Die Literatur zu diesem Thema wächst, der Anteil aus dem deutschsprachigen Raum ist allerdings sehr gering und auf wenige Zentren beschränkt.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die vorhandene Literatur zusammenzutragen (Tab. 1 und 2) und in komprimierter Form darzustellen und zu bewerten.

Tab. 1 Schultergürtel und obere Extremität
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Tab. 2 Untere Extremität
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Grundlagen

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).

Tab. 3 3D-Druck-Anwendungsmatrix in der Unfallchirurgie
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Aus 3D-Datensätzen werden individuelle, patientenspezifische Konstrukte und Modelle erstellt

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.

Anwendungsstufe 1: Modell

Mithilfe des 3D-Drucks lassen sich individuelle patientenspezifische anatomische Modelle in unterschiedlichen Größen erstellen, die man aus verschiedenen Winkeln ansehen und anfassen kann. Modelle können z. B. das Verständnis von Arzt und Patient der oft komplexen Frakturgeometrie verbessern sowie topografische und funktionelle Zusammenhänge besser darstellen. Dies kann die präoperative Planung, die intraoperative Umsetzung des Plans und ggf. die postoperative Analyse des erzielten Ergebnisses sowie die Kommunikation mit dem Patienten erleichtern und verbessern.

Anwendungsstufe 2: Werkzeug

Mithilfe des 3D-Drucks lassen sich individuelle patientenspezifische anatomisch angepasste Werkzeuge erstellen. Diese können eingesetzt werden, z. B. als Manipulationshilfe z. B. für die Durchführung oder Überprüfung der Reposition oder zur Führung und Kontrolle von Instrumenten wie Bohr- oder Osteotomiewerkzeugen. Man spricht auch von „Template-gestützter Navigation“ (Abb. 1). Weitere Anwendungsbereiche sind die Herstellung von patientenspezifischen Stützverbänden, Orthesen oder Schaftexoprothesen nach Amputation [16, 17, 66, 68, 72].

Abb. 1
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Klinisches Beispiel einer 3D-Druck-Template-gestützten Navigation. a–c Fehlstellung bei einem 35-jährigen Patienten mit kombinierter Varus- und Torsionsfehlstellung und schmerzhafter Bewegungseinschränkung nach auswärtiger Plattenosteosynthese. d Präoperative Planung mit mehreren Osteotomieebenen (Perfusionserhalt, Humeruskopf). e Virtuelles Aufbringen der Master-Plattform und der drei verschiedenen Sägereferenzen (Cut 1–3), die auf die Basisplattform aufgesteckt werden. f Repositionswerkzeug. g Postoperative C‑Arm-Kontrolle zeigt achsengerechte Korrektur, h gute Kongruenz und i auch im Seitenvergleich zufriedenstellende Wiederherstellung von Symmetrie und Bewegungsumfang

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Anwendungsstufe 3: Implantat

Die individualisierte Herstellung von 3D-gedruckten patientenspezifischen Implantaten stellt eine weitere Stufe der Anwendungsmöglichkeiten dar. Damit kann eine individuelle Anpassung des Implantats an die Patientengeometrie erfolgen. Das Implantat kann darüber hinaus als Manipulationshilfe (Reposition, Bohr- oder Schnittlehre) konfiguriert und eingesetzt werden und erlaubt dann Manipulationen im Sinne einer Template-gestützten Navigation.

Anwendungsstufe 4: Matrix

Grundsätzlich lassen sich 3D-gedruckte Strukturen herstellen, die mit passiven (z. B. Hydroxylapatit) oder aktiven Substanzen (z. B. Wachstumsfaktoren, Medikamenten) verbunden oder beladen sind. Damit lassen sich unterschiedliche Eigenschaften definieren [7, 15, 40, 77].

Anwendungsstufe 5: Gewebe

Es besteht großer Bedarf für den Ersatz von Knochen, Knorpel, Ligamenten, Meniskus und anderen Strukturen. Hier kann der 3D-Druck als „3D bioprinting“ in der Zukunft eine Lösung darstellen. Diese 3D-Druck-Gewebeprodukte könnten als Gewebeverbund zusammengesetzt werden, z. B. als Knochen-Knorpel-Konstrukte, und dann eine Lösung für Defektsituationen am Gelenk darstellen [1, 14, 60].

Anwendungsstufe 6: Gewebe-Implantat-Hybride

Schließlich ist es vorstellbar, diese Gewebeverbünde mit individuell gedruckten Implantaten zusammenzusetzen und damit bestimmte Verankerungs- oder Funktionsaufgaben zu erfüllen [71].

Herstellungsprinzipien

Für den 3D-Druck muss zunächst ein 3D-Bild-Datensatz (z. B. anatomische Struktur) von CT oder MRT in ein vom Drucker erkennbares Dateiformat z. B. das „stl“ (Stereolithographie) umgewandelt werden. In verschiedenen Computer-Aided-Design(CAD)-Programmen kann dann der 3D-Datensatz analysiert und weiterverarbeitet werden [8].

Im Gegensatz zu traditionellen, das Rohmaterial abtragenden Bearbeitungstechniken (sägen, fräsen, bohren, meißeln etc.), arbeiten 3D-Drucker „additiv“, d. h., Objekte werden Schicht für Schicht aufgebaut.

Materialien

Das Ausgangsmaterial für den 3D-Druck wird je nach Anwendungsfall gewählt und den jeweiligen Bedingungen und Aufgaben angepasst und liegt z. B. in Pulverform oder vorgeformt (Spule) vor. Der Drucker fügt nach Fertigstellung einer Schicht eine neue Schicht hinzu, indem das Ausgangssubstrat kontrolliert nach den planerischen Vorgaben aufgeschmolzen wird. Der Zyklus wird fortgesetzt, bis das gesamte Modell erzeugt ist. Als Ausgangssubstrat können ganz unterschiedliche Substanzen (Kunststoffe, Metalle) und ganz verschiedene physikalische (Festigkeit, Steifigkeit, Verhalten bei Dampfsterilisation), chemische (Bindungseigenschaften) und biologische Eigenschaften (Resorbierbarkeit) verwendet werden [38, 59].

Anwendungsentwicklung

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].

3D-Modelle verbessern das Geometrieverständnis

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, 73,74,75, 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].

Spiegelung der kontralateralen Geometrie

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.

Repositionsfixateure

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

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].

Wundauflagen und Gewebeersatz

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].

Knochen und Knorpel aus dem 3D-Drucker

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].

Stützverbände, Exoprothesen und aktive Exoskelette

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].

Präzision und Zuverlässigkeit

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].

Fazit für die Praxis

Auf der der ganzen Welt haben Ingenieure, Wissenschaftler und Chirurgen erkannt, dass sich mit 3D-Druck-Technologie insbesondere im Bereich der muskuloskeletalen Chirurgie ganz neue, bislang ungeahnte Gestaltungsmöglichkeiten für patientenspezifische Anwendungen wie Frakturmodelle, Repositionshilfen, Bohr- und Schnittlehren, Implantate, Orthesen und Prothesen bis hin zu 3D bioprinting von Knochen- und Knorpelgeweben u. v. a. mehr ergeben. Diese Entwicklung wird durch die rasante Zunahme an Veröffentlichungen im Zusammenhang mit 3D-Druck in der muskuloskeletalen Chirurgie im Allgemeinen und in der Unfallchirurgie im Besonderen belegt [20, 26, 27, 69]. Es ist zu erwarten, dass diese Entwicklung weiter rasant voranschreiten wird.