„3D-Druck verändert unser Denken“

„Wir bewegen Zahnmedizin“

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„Die digitale Welt ist komplex und steckt noch in der Anfangsphase – die große Welle, die kommt erst noch“, legt sich Marco Gadola, Vorstandschef der Straumann Group, fest. Digitale Technologien und ein digitaler Workflow seien klar die Zukunft, denn „sie machen die Arbeitsprozesse effizienter, effektiver und ermöglichen patientenfreundlichere Abläufe“. In diesem Zusammenhang haben beispielsweise Intraoralscanner eine zentrale Bedeutung, „doch in Deutschland beispielsweise arbeiten die überwiegende Mehrzahl der Zahnarztpraxen immer noch konventionell, nur 15 Prozent nutzen einen Intraoralscanner“, führt Gadola aus.

Dagegen sei die Digitalisierung der Dentallabore heute schon viel weiter fortgeschritten, und in Deutschland setzen „drei von vier Laboren Scanner ein“. Gleichwohl sieht das Unternehmen weltweit enorme Wachstumsmärkte und nennt Brasilien, wo „mehr als 70 Prozent der Labore noch konventionell arbeiten“. Digitale Technologien werden in Zahntechnik und Zahnmedizin zunehmend an Bedeutung gewinnen. Hinsichtlich 3D-Druck sei das Interesse stark gewachsen und mit der Teil-Akquise von Rapid Shape, die bei 3D-Drucktechnologien führend ist, soll 3D-Druck auch in der Breite angewandt werden können. Bei den Intraoralscannern wurden in Deutschland sehr hohe Wachstumsraten („30 Prozent in 2017“) erzielt, und „in drei bis vier Jahren wird die Durchdringungsrate weit über 50 Prozent liegen“, ist Gadola überzeugt. Denn „die Intraoralscanner heute, wie unser 3Shape Trios, funktionieren präzise und anwenderfreundlich“ und die Indikationsbreite nehme stetig zu („Prothetik, Orthodontie, auch Prävention“). Das Unternehmen habe sich durch Partnerschaften und Akquisen gut auf den Wandel innerhalb der Zahnmedizin aufgestellt und investiere weiter stark in Wachstumsmärkte, u.a. im asiatischen Raum.

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Werden 3D-Printer die Zahnmedizin revolutionieren? Mit dieser Frage griff Prof. Dr. Dr. Bilal Al-Nawas, Direktor der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kieferund Gesichtschirurgie der Uni Mainz, ein hochspannendes Thema auf und ging während seines Vortrages auf verschiedene Anwendungen in der Zahnmedizin und in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie („Im 3D-Druck steckt extrem viel“) ein.

Unterschiedliche Verfahren für den 3D-Druck

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„Ein dreidimensionales Objekt wird in Scheibchen zerlegt und anschließend im 3D-Drucker additiv wieder zusammengebaut“, skizziert Prof. Al-Nawas das Prinzip der so genannten additiven Fertigung (additive manufacturing). Den Umbruch von konventionellen abtragenden Verfahren hin zur additiven Fertigung leitete der Amerikaner Charles W. Hull („Chuck Hall“) ein, der 1983 mit einem ersten 3D-gedruckten Objekt die Stereolithografie begründet. Dabei wird ein flüssiges Harz (Resin) per Laser Schicht für Schicht zusammengeschmolzen und in feste Objekte verwandelt. Die Stereolithografie (SLA) gilt als Mutter aller 3D-Druck-Verfahren.

Inzwischen kommen bei der 3D-Herstellung sehr unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Das „Fused Deposition Modeling“ (FDM) bezeichnet ein 3D-Druck-Verfahren, bei dem ein drahtoder strangförmiger Kunststoff (Filament) in Schichten zu einem dreidimensionalen Objekt aufgeschmolzen respektive aufgebaut wird – ähnlich wie bei einer Heißklebepistole. Die limitierenden Aspekte dieser 3D-Herstellung sind die geringe Druckgeschwindigkeit und die Qualität der Oberfläche, die deutliche Rillen aufweist. Eine in der Zahntechnik relevante Technik und „industriell hochinteressant“, so Al-Nawas, ist „das Selective Laser Melting oder Sintering“ (Laserschmelzen). Hierbei wird schichtweise Metallpulver (z. B. Titan- oder Co-Cr-Mo-Legierungspulver) mithilfe eines Hochleistungs-CO2-Lasers verschmolzen [10]. Die Technologie wird beim digitalen Modellguss, bei größeren Brückenspannen und komplexen Implantatsuprakonstruktionen, die sich schwer fräsen lassen, eingesetzt. Das Verfahren punktet durch kostengünstige Produktionen und passgenaue zahntechnische Werkstücke („Damit lassen sich feinste Strukturen herstellen“).

„Das für uns in der Zahnmedizin interessante Verfahren ist das so genannte Digital Light Processing (DLP)“, erklärt Al-Nawas, auf dessen Initiative hin in Mainz im Mai bereits zum dritten Mal der Kongress „3D Print in der Medizin“ stattgefunden hat. DLP funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Stereolithografie, doch wird als Lichtquelle ein DLP-Projektor verwendet. DLP stellt aktuell die schnellste Produktionsmethode dar (Produktionszeiten von rund zehn Minuten für vier Zahnkränze), die je nach Hersteller für beeindruckende Oberflächenqualitäten sorgt und „extrem detailreiche Strukturen herstellen“ (Al-Nawas) [14].

Die Drucker von RapidShape/Straumann basieren auf der DLP-Technologie im Wellenlängenbereich von 385 nm (UV-LED). Das LED-Licht wird über eine spezielle Spiegeltechnologie auf die auszuhärtenden Bereiche projiziert. Im Drucker befindet sich eine beschichtete Materialwanne mit Kunstharz, und man kann während des Vorgangs zusehen, wie das gedruckte Objekt aus der Flüssigkeit heraus entsteht. Modelle, Bohrschablonen, Zahnfleischmasken, Abformlöffel, Provisorien, Retentionsschienen oder Platzhalter in der Kieferorthopädie, selbst Kronen und Brücken sind damit chairside realisierbar [1,2,4,8,9,12].

Von Bohrschablonen, Provisorien und Epithesen

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„Die Präzision ist beeindruckend“ und Al-Nawas ist davon überzeugt, dass es eine „Technik sein wird, die bei uns Eingang findet. Der Neubau unserer Zahnklinik sieht schon gar kein Lager mehr für Gipsmodelle vor. Natürlich wird gescannt und dann werden die Modelle ausgedruckt, wenn man sie braucht.“ Vom eingesetzten Material hinge ab, verdeutlicht der Fachmann, wie breit die Anwendungsgebiete mit Blick auf die Suprakonstruktionen mit DLP sein können. Al-Nawas: „Im Moment wird häufig PEEK eingesetzt, auch das ist schon extrem unterschiedlich, je nachdem wie der Druckprozess ist. Im Vergleich zum abtragenden Bearbeiten stört noch die raue Oberfläche.“ Polyetheretherketon, kurz PEEK, ist ein hochtemperaturbeständiger, thermoplastischer Kunststoff, der wegen des hohen Schmelzpunktes bis vor kurzer Zeit nur beim 3D-Druckverfahren SLS (Stereolithografie) verwendet wurde. Es ist bis zu 70 Prozent leichter als Metalle bei gleichen thermischen und mechanischen Eigenschaften und bietet Resistenz gegen viele chemische Stoffe. [5]

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„Der Chirurg der Zukunft wird sich mit dem Überweiser abstimmen und unter Einsatz des 3D-Planungssystems die entsprechende Bohrschablone chairside ausdrucken.“ Al-Nawas hält die Option, zukünftig mit PEEK preisgünstig Suprakonstruktionen drucken zu können, um auf diese Weise neben „Highend“-Zahnmedizin auch Alternativen anbieten zu können und keinen Patienten aus Kostengründen auszuschließen, für ausgesprochen reizvoll. „Ich habe meinen Datensatz und kann die Suprakonstruktion leicht erneut ausdrucken.“ Dennoch müssten andere Materialien her: „3D gedruckte Kalziumphosphate als Ersatz von PEEK für Knochen stehen kurz vor der CE-Zertifizierung“ [7].

Die Welt der Kieferorthopädie sei ohne 3D-Druck schon nicht mehr vorstellbar, so sehr habe das Printing die Kieferorthopädie (Al-Nawas:„Stichwort ‚Aligner‘“) bereits stark verändert. Auch bei der Lingualtechnik würden für Übertragungsmodelle und Lingualbrackets digitale Verfahren und 3D-Drucker eingesetzt, um die komplexe Technik zu vereinfachen. „Aber warum soll ich ein Titan-Implantat drucken, von dessen Objekt- Eigenschaften ich dann gar nichts mehr weiß?“, bemerkt er kritisch. Nichtsdestoweniger stelle die Anwendung von 3D-Druck-Verfahren in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie eine wichtige Entwicklung dar, und der „MKG-Chirurg der Zukunft wird einen 3D-Drucker in seiner Klinik haben“, prophezeit Al-Nawas, „unter anderem für In-house gedruckte Operationsschablonen.“ Hochinteressant seien auch „individuell hergestellte Titan-Meshes“, die als Alternative zum Beckenkammknochen bei umfangreichen Augmentationen eingesetzt werden können. Er stellt einen beeindrucken Fall aus der Klinik vor, einen Patienten mit einem Ameloblastom mit Riesendefekt. „Das vorhersagbar zu regenerieren ist extrem schwierig.“ Das Titan- Mesh sei der erste Schritt, „jetzt muss man das blöde Titan aber irgendwann entfernen“, die weitere Forschung bemühe sich, andere Materialien – vielleicht Polymere für den 3D-Druck – zu entwickeln.

Auch der Epithetiker, dem „wir eine 3D-gedruckte Form zur Verfügung stellen“, profitiert von der Digitalisierung und dem 3D-Druck. „Irgendwann wird er sein Silikon für eine Epithese auch im 3D-Druck herstellen“, ist Al-Nawas sicher. Digitalisierung und 3D-Druck würde schon heute die Kommunikation im Team, auch mit dem Patienten, deutlich beschleunigen und vereinfachen. „Wenn der Patient das Modell sieht, versteht er, was wir machen wollen.“ Al-Nawas führt aus, wie auch bei kurzfristig anberaumten Operationen heutzutage die Planung „übers Wochenende“ am Bildschirm vorgenommen wird und „die Chirurgen dann am Montag mit der fertigen Schiene in den Operationssaal“ gehen. Mit eindrucksvollen Bildern veranschaulicht Al-Nawas, wie auch bei komplexen Fällen – einem Patienten fehlt das Kinn – sowohl Patienten als auch dem Ärzte-Team dank Digitalisierung und 3D-Druck das Leben erleichtert werden kann. „Dann wird auf Wunsch des Prothetikers die Implantatprothetik schon vor der Operation am Kopf in die Fibula eingesetzt. „So kann das Weichgewebe schöner ausgeformt werden.“ Dank digitaler Planung und 3D-Druck können „auch jüngere Kollegen in einen so komplexen Fall einsteigen“ und insgesamt sieht Al-Nawas es als großen Vorteil an, dass „ich gezwungen bin, mich vor der Operation mit dem Fall auseinanderzusetzen.“

Bioprinting

Gehen Materialwissenschaftlern beim Thema 3D-Druck vor allem Polymere und Metalle durch den Kopf, denkt der Biologe an lebendes Gewebe und damit an Bioprinting. 3D-Biodrucker, bei denen Hydrogel als Trägermaterial und ein Stützbad aus Gelatine eingesetzt wird, sollen das Drucken lebendiger Zellen ermöglichen. „Die Idee des Bioprinting ist es, bei den Gefäßen anzufangen und dann die komplexe Architektur eines Organs in die virtuelle Welt zu übertragen. Das ist phänomenal, wenn man sieht, wie klein diese Architektur wird“, ist Al-Nawas begeistert und ergänzt: „Stellen Sie sich vor, wenn wir eines Tages einfach 3D-gedruckte Gefäße von einer Rolle entnehmen können – reproduzierbar, unendlich verfügbar. Dann muss auch der Gefäßchirurg keinen Eingriff am Bein vornehmen, um eine Vene zu erhalten… „In ersten Tiermodellen hat es funktioniert: Dabei verwendeten die Forscher Hydrogel- und Endothelzellen und setzten das DLP-Verfahren ein, um 3D-gedruckte Blutgefäß-Netzwerke herzustellen. Zwei Wochen nach der Implantation waren die künstlichen Adern mit dem vorhandenen Gerüst verschmolzen und Blut konnte zirkulieren. Doch noch sind die 3D-gedruckten Gefäße nicht in der Lage, Nährstoffe und Abfallprodukte zu transportieren. [15]

Straumann

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Al-Nawas sieht großes Potenzial für den Bereich des Tissue Engineerings. [3,6,11,13]. „Firmen beschäftigen sich bereits damit, Gewebe zu drucken. So ließen sich perspektivisch vielleicht auch Tierexperimente vermeiden.“ In drei bis vier Jahren, prophezeit Al-Nawas, werden wir noch ganz andere Anwendungen kennen lernen. „3D-Druck ist viel mehr, als ein Objekt dreidimensional darzustellen. Es verändert unser Denken.“

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