3D-gedruckte Modelle von menschlichen Organen sind von Vorteil für den behandelnden Chirurgen. Er kann Operationen besser vorab ausprobieren und dies auch besser planen. Noch realitätsnahere Organmodelle helfen umso mehr, denn dann erhalten Chirurgen genaueres Feedback und spüren besser, wie weit sie bei lebenswichtigen Eingriffen gehen können. Forscher der University of Minnesota haben daran gearbeitet und ihr Ergebnis in einer Studie präsentiert.

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Die Technologie rund um den 3D-Druck kommt immer mehr in der Medizin zur Anwendung. Ärzte nutzen häufig 3D-gedruckte anatomische Modelle, um sich auf Operationen vorzubereiten. Die 3D-gedruckte Kopie eines Organs eines Patienten eignet sich gut, um Eingriffe zu üben und Verschiedenes auszuprobieren. Die benötigte Zeit für eine Operation verringert sich und der Patient erholt sich schneller.

Die Organmodelle aus dem 3D-Drucker sehen den echten Organen sehr ähnlich, denn sie basieren auf CT- und MRI-Scandaten. Aber es ist nur eine visuelle Kopie. Dass sie aus hartem Kunststoff bestehen, bewirkt ein völlig anderes Gefühl als bei einem lebendigen Organ. Sie sind schwieriger zu schneiden, so dass das Planen des echten Schnittes zeitlich zumindest nur eine Schätzung bleibt. Sie reagieren nicht wie ein tatsächliches Organ dies bei einer echten Operation macht.

Organe mit realistischem Feedback

Das heißt nicht, dass 3D-Druck Organmodelle nicht nützlich wären, aber sie könnten durchaus noch weiter verbessert werden. Daran arbeitet ein Forscherteam der US-University of Minnesota im Rahmen einer Studie über 3D-gedruckte Organmodelle, die nicht nur wie echte Organe aussehen, sondern sich auch wie diese anfühlen und dieselben mechanischen Eigenschaften haben. Weiche Sensoren sorgen für ein realistisches Feedback, damit Chirurgen wissen, wie viel Druck sie ohne Gewebeschäden ausüben können.

Kürze Operation, gesündere Patienten
Durch die kürzere Operationsdauer profitieren auch Patienten davon (Bild © University of Minnesota).

Die Studie wurde in einem Artikel mit dem Titel „3D Printed Organ Models with Physical Properties of Tissue and Integrated Sensors“ veröffentlicht, die man hier nachlesen kann.

„Wir entwickeln Organmodelle der nächsten Generation für die präoperative Praxis. Die 3D-gedruckten Organmodelle stammen aus speziell angefertigten 3D-Druckern und sind eine perfekte Nachbildung des Aussehens und der Haptik des Organs“, sagte der leitende Forscher Michael McAlpine, Professor für Maschinenbau an der University of Minnesota College of Science and Engineering und ein 2017 Empfänger des Presidential Early Career Award für Wissenschaftler und Ingenieure (PECASE).
„Wir glauben, dass diese Organmodelle eine wirkliche Verbesserung sind, um Chirurgen dabei zu helfen, ihre Operationen besser planen und durchführen zu können. Wir hoffen, dass dies Leben retten wird, indem medizinische Fehler während der Operation reduziert werden.“

Die Idee

Das Team wurde zuerst von Dr. Robert Sweet kontaktiert, einem Urologen der University of Washington, der früher an der University of Minnesota war. Er suchte nach besseren 3D-Modellen der Prostata. Die Forscher nahmen MRT-Scans und Gewebeproben aus den Prostata von drei Patienten und entwickelten maßgeschneiderte Silikon-basierte 3D-Drucktinten, die genau auf die mechanischen Eigenschaften der individuellen Prostata eines jeden Patienten abgestimmt werden können – also nicht nur 3D-Druck.

Operation besser umsetzbar
Realistischere 3D-gedruckte Modelle von Organen können dabei helfen, den Operationsprozess zu verbessern (Bild © University of Minnesota).

Die Modelle wurden im 3D-Drucker der Universität gedruckt und mit 3D-gedruckten Sensoren versehen. Die Forscher beobachteten, wie die Modelle auf Kompressionstests und eine Vielzahl von chirurgischen Instrumenten reagierten.

„Die Sensoren könnten Chirurgen in Echtzeit Feedback geben, wie viel Kraft sie während der Operation verwenden können, ohne das Gewebe zu schädigen“, sagte Kaiyan Qiu, ein Postdoc-Forscher der University of Minnesota und leitender Autor der Studie. „Dies könnte die Meinung der Chirurgen über personalisierte Medizin und präoperative Praxis verändern.“

Die Forscher hoffen, weitere komplizierte Organe mittels 3D-Druck mit mehreren Tinten herzustellen. Mit dieser Methode lässt sich auch ein 3D-Druck eines tatsächlichen Tumors herstellen. Man kann viele verschiedene Methoden testen, um zu sehen, welche die erfolgreichste ist, bevor man am Patienten operiert.McAlpine hat jedoch Ziele, die darüber hinausgehen.

Bessere Organmodelle sind eine bessere Hilfe
Organe aus dem 3D-Drucker, die sich echter anfühlen und auch Feedback wie das richtige Organ wiedergeben, sind für Ärzte wesentlich nützlicher (Bild © University of Minnesota).

„Wenn wir die Funktion dieser Gewebe und Organe wiederholen könnten, könnten wir eines Tages sogar „bionische Organe“ für Transplantationen schaffen“, sagte McAlpine. „Ich nenne dies das „Human X“-Projekt. Es klingt ein bisschen wie Science-Fiction, aber wenn diese synthetischen Organe wie echtes Gewebe oder Organe aussehen, fühlen und handeln, sehen wir nicht, warum wir sie nicht in 3D drucken können, um echte Organe zu ersetzen.“

Der nächste Schritt wären funktionierende Organe aus dem 3D-Drucker. Knochen werden teilweise schon mit Repliken aus dem 3D-Drucker ersetzt. Forscher arbeitet bereits an Organen. Wissenschaftler der UC San Diego stellten erfolgreich Blutgefässsysteme mit dem 3D-Drucker her.

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