Die Schädeldecke aus dem 3D-Drucker

Modellieren von Hand war gestern: Heute werden Schädelimplantate in Bern mittels 3-D-Drucker gefertigt. Die Innovation entstammt der Zusammenarbeit des Inselspitals und des ARTORG Centers for Biomedical Engineering Research der Universität Bern.

Ein schwerer Unfall, Autoimmunerkrankungen oder Entzündungsherde, welche die Knochensubstanz zerstören: Dies kann dazu führen, dass ein Teil des Schädelknochens entfernt und durch ein Implantat ersetzt werden muss. Am Inselspital ist dies rund 50 Mal pro Jahr der Fall: Fast jede Woche wird hier ein speziell an den Patienten angepasstes Schädelimplantat eingesetzt. Was diese Implantate so besonders macht, ist ihr Herstellungsprozess. Sie werden nicht mehr komplett von Hand modelliert, sondern mithilfe einer Formvorlage aus dem 3-D-Drucker gefertigt. Eine Erfolgsgeschichte, die aus der Zusammenarbeit von Assistenzärzten und -ärztinnen an der Universitätsklinik für Neurochirurgie und Ingenieuren des ARTORG Centers for Biomedical Engineering Research hervorgegangen ist.

Wie ein Bildhauer im Dunkeln
Bevor der Fertigungsprozess von patientenspezifischen Schädelimplantaten durch den Einsatz von Additiver Fertigung – 3-D-Druck – revolutioniert wurde, wurden die Implantate in Handarbeit hergestellt. Basierend auf Röntgenaufnahmen und CT-Aufnahmen wurde ein Kunststoffteil gefertigt, um das fehlende Stück Schädelknochen zu ersetzen. «Diese Handmodellage von Implantaten können Sie sich ungefähr so vorstellen, wie wenn ein Bildhauer im Dunkeln eine Statue schaffen müsste», veranschaulicht Andreas Raabe, Direktor und Chefarzt der Universitätsklinik für Neurochirurgie, den Herstellungsprozess. Denn: «Die Oberfläche des Schädels ist mit kleinsten, schwer abbildbaren Unebenheiten versehen, die ihm seine einzigartige Form verleihen.» Die von Hand gefertigten Implantate konnten dieser einzigartigen Struktur denn auch nur ansatzweise gerecht werden – entsprechend mässig befriedigend fiel für die Patientinnen und Patienten in der Folge das kosmetische Ergebnis aus.

Ästhetischer, verträglicher – und günstiger
Modelliermasse von Hand in Form bringen, das war gestern – seit rund fünf Jahren setzt man in Bern bei der Fertigung der patientenspezifischen Schädelimplantate auf die Hilfe des 3-D-Druckers. Das Verfahren schreibt Jürgen Beck, Chefarzt an der Uniklinik für Neurochirurgie, der grossen Innovationskraft der Ärztinnen und Ingenieure, aber auch der hervorragenden Infrastruktur am ARTORG zu: «Dass in Bern beides zusammentrifft, ist ein Glücksfall.»

Der neue Herstellungsprozess führt nicht nur kosmetisch zu einem hervorragenden Ergebnis. Untersuchungen belegen, dass die Implantate auch den Härtetest in Bezug auf Belastbarkeit und Verträglichkeit mit ausgezeichneten Werten bestehen. Und damit nicht genug: Die Fertigung mit der Form aus dem Drucker ist erst noch wesentlich kostengünstiger als eine Handmodellage, betont Beck.

Das innovative Herstellungsverfahren stösst auf grossen Anklang: Kliniken aus ganz Europa melden sich bei den Berner Beteiligten und wollen wissen, wie denn nun dieser Deckel für den Schädel hergestellt wird.

Was passiert also in Bern, wenn ein Patient ein spezifisches Implantat benötigt? Zuallererst muss die Grunderkrankung behandelt werden, also zum Beispiel das krankhaft veränderte oder beschädigte Knochenstück entfernt werden. Damit ein passgenauer «Deckel» rekonstruiert werden kann, müssen sowohl die Aussen- als auch die Innenseite des Knochens mit bildgebenden Verfahren wie der Magnetresonanztomografie abgebildet werden. Werden diese beiden Aufnahmen am Computer übereinandergelegt, entsteht so erst einmal ein virtueller Knochendeckel auf dem Bildschirm. Der dazugehörige Datensatz dieses digitalen Modells wird anschliessend ans ARTORG übermittelt – dort befindet sich der 3-D-Drucker.

Hergestellt wird allerdings nicht das Teil, das später in den Schädel implantiert wird, sondern dessen Negativabbildung. «Mithilfe dieser Form stellt der Chirurg direkt im Operationssaal das Implantat her, indem er Knochenzement in die Form modelliert», erklärt Stefan Weber, Professor für bildgestützte Therapie, der das ARTORG seit fast fünf Jahren leitet. «Ganz plakativ erklärt: Die Chirurgen wallen den Kunststoff mit dem Nudelholz aus und drücken das Ganze anschliessend in die Form aus dem 3-D-Drucker – dieses Vorgehen erinnert, salopp gesagt, an das Backen von Weihnachtskeksen», fügt er an. Bei dem sogenannten «Knochenzement», dem verwendeten Kunststoff, handelt es sich um polymeres Methyl-Methacrylat, ein Material, das bestens erforscht und sehr verträglich ist. 

Quelle: Wissenschaftsmagazin UniPress der Universität Bern, Nr. 170, Februar 2017. Autorin Marla Eva Moser.