Ingenieure der UT Dallas entwerfen 3D-gedruckten Oberschenkelknochen
Unterstützung von Ärzten bei der Vorbereitung von Operationen zur Knochenreparatur und Entwicklung von Behandlungen für Knochentumore
Laut der University of Texas at Dallas (UT Dallas) haben Maschinenbauingenieure einen 3D-gedruckten Oberschenkelknochen entworfen, der Ärzten bei der Vorbereitung von Operationen zur Knochenreparatur und bei der Entwicklung von Behandlungen für Knochentumore helfen könnte. Die Ingenieure, die mit Orthopäden des UT Southwestern Medical Center zusammenarbeiteten, veröffentlichten ihre erste Studie über den 3D-gedruckten Oberschenkelknochen im Journal of Orthopaedic Research.
Die Studie, die sich auf den mittleren Abschnitt des Knochens konzentrierte, legt 3D-Druckparameter für einen Oberschenkelknochen zur Verwendung in biomechanischen Tests fest. Die Forscher gaben an, dass weitere Studien erforderlich seien, bevor die Technologie für eine breite Anwendung zur Verfügung stehen könnte.
Um innovative chirurgische Implantate und Techniken zu untersuchen und zu validieren, führen Chirurgen biomechanische Studien mit gespendeten Leichen oder handelsüblichen synthetischen Knochen durch, die ihnen dabei helfen, die optimale chirurgische Fixierung zu bestimmen und die Reaktion des Knochens vorherzusagen. Synthetische Knochen, die auch in der chirurgischen Ausbildung verwendet werden, können teuer sein, ihre Beschaffung kann zeitaufwendig sein und es fehlt die Möglichkeit für patientenspezifische Lösungen.
Forscher der UT Southwestern wandten sich vor zwei Jahren an Dr. Wei Li, einen Experten für 3D-Drucktechnologie an der UT Dallas, um gemeinsam an einer kostengünstigeren und schnelleren Alternative für orthopädische biomechanische Studien zu arbeiten. „Um eine Operation planen zu können, müssen Chirurgen die Geometrie des Knochens kennen“, sagte Li, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science und korrespondierender Autor der aktuellen Studie. „Mit dem 3D-Druck können wir die Oberschenkelknochenprobe mit der gleichen Geometrie des Oberschenkelknochens im Körperinneren ausdrucken.“
Durch Versuch und Irrtum entwickelte der Doktorand der UT Dallas im Fach Maschinenbau, Kishore Mysore Nagaraja, viele Iterationen des Oberschenkelknochens. Mysore Nagaraja, der im Lis „Comprehensive Advanced Manufacturing Lab“ arbeitet, führte eine Reihe von Tests an jedem künstlichen Knochen durch, um die mechanische Leistung und die Materialeigenschaften zu messen und die Proben so realistischen Oberschenkelknochen wie möglich zu gestalten.
„Diese Erfahrung der Zusammenarbeit ist das Beste, was einem Studenten passieren kann“, sagte Mysore Nagaraja, der voraussichtlich im Dezember seinen Abschluss machen wird. „Eine Bewertung meiner Testforschung direkt von den Ärzten zu erhalten, die sie anwenden werden, ist eine sehr gute Bestätigung unserer Forschung.“
Die Knochenreplik besteht aus Polymilchsäure, einem biobasierten, kostengünstigen und biologisch abbaubaren Polymer, das häufig im 3D-Druck verwendet wird. Das Design, das den Mittelteil des Oberschenkelknochens darstellt, ist fast 20 cm lang und hat einen Durchmesser von fast 2,5 cm. In biomechanischen Tests schnitt es genauso gut ab wie ein menschlicher Oberschenkelknochen. Die Forscher schätzten, dass die Herstellung jedes 3D-gedruckten Oberschenkelknochens 7 US-Dollar kostet.
Li zufolge gibt es für 3D-gedruckte Knochen eine Reihe potenzieller Anwendungen. Das Polymer könnte beispielsweise andere Materialien ersetzen, die bei der Knochenreparatur verwendet werden, wie z. B. Titan. Li zufolge könnten Forscher auch Tumore auf 3D-gedruckte Knochen drucken und Behandlungen an den gedruckten Proben testen, oder die Nachbildungen könnten zur Züchtung von menschlichem Knochengewebe verwendet werden.
Zu den an der Studie beteiligten Forschern der UT Southwestern gehörten der Erstautor Dr. Robert Weinschenk, ein orthopädischer Onkologe, und Dr. Richard Samade, ein Chirurg für Hand- und obere Extremitätenchirurgie, der ein 3D-Drucklabor leitet. Beide sind Assistenzprofessoren für orthopädische Chirurgie mit Zweitanstellung in biomedizinischer Technik. Samade hat eine Zweitanstellung in plastischer Chirurgie.
„Ich habe Dr. Li und sein Team kontaktiert, und glücklicherweise hat sich daraus eine hervorragende Zusammenarbeit zwischen uns entwickelt“, sagte Weinschenk. „Mit dem Wissen und den Fähigkeiten, die Dr. Samade und ich als Chirurgen – beide mit ingenieurwissenschaftlichem Hintergrund – haben, in Kombination mit Dr. Lis enormem Wissen und seiner Expertise im Bereich mechanischer Tests und seinen erstaunlichen Ressourcen ist unser Team in einzigartiger Weise in der Lage, diese Art von Herausforderungen anzugehen.“
Weitere Autoren waren die ehemalige UTD-Studentin Faiqa Alam BS’23 und Dr. Blaine Oldham, die im Mai ihr Studium an der UT Southwestern abgeschlossen hat.
