Massgeschneiderte Atemwegsprothesen aus dem 3D-Drucker

Individuell für den Patienten hergestellte Stents aus dem 3D-Drucker, die auch Medikamente abgeben, sind keine Science-Fiction. Möglich macht dies ein innovatives Forschungsprojekt des Interventionellen Lungenzentrums am UniversitätsSpital Zürich in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich und dem Veterinärmedizinischen Institut der Universität Zürich. Der Schweizerische Nationalfonds fördert das Projekt mit 2'341'446 Franken.

​Die Herstellung dreidimensionaler Objekte mit 3D-Druckern bringt auch für medizinische Anwendungen neue, revolutionäre Möglichkeiten. Ein Forscherteam des Interventionellen Lungenzentrums des UniversitätsSpitals Zürich will zusammen mit Forscherinnen und Forschern der ETH Zürich und des Zürcher Tierspitals diese Technologie einsetzen, um für Patienten massgeschneiderte Stents herzustellen, die Atemwege nicht nur stützen, sondern zudem im Körper gezielt und dosiert Medikamente oder antimikrobielle Wirkstoffe abgeben. Der Schweizerische Nationalfonds (SNF) unterstützt die Entwicklung und Erforschung dieser Innovation mit einer Förderung von 2'341'446 Franken.

Experten aus drei wissenschaftlichen Institutionen spannen zusammen

Ziel des Forschungsprojekts «3D printing manufacturing of patient-tailored drug releasing airway stents» ist die Herstellung und Erprobung eines Luftröhren- und Bronchial-Stents. Die Entwicklung der dafür nötigen Materialien sowie die Herstellung und Erprobung der Stents erfordert die Expertise und die interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen. Daran beteiligt sind neben der Klinik für Pneumologie des UniversitätsSpitals Zürich drei Labore der ETH Zürich und der Universität Zürich mit besonderer Erfahrung in der Medikamentendosierung, in den Materialwissenschaften und in der präklinischen und klinischen Forschung. Das Forschungsprojekt zeigt damit beispielhaft die enge und translationale Vernetzung mehrerer Forschungsgruppen am Forschungsstandort Zürich auf.

Stents aus «pharmazeutischen Tinten»

In einem ersten Schritt werden unter der Leitung der ETH-Forscher Jean-Christophe Leroux und Prof. André Studart neue Materialien, so genannte «pharmazeutische Tinten», entwickelt, die die Anforderungen an den 3D-Druck und die Verwendung im Körper erfüllen. In einem zweiten Schritt sollen anhand von Computertomographiebildern aus diesen Materialien massgeschneiderte 3D-Stents für die Luftröhre hergestellt werden. Daran schliesst eine praktische Erprobungsphase an, unter der Leitung von PD Dr. med. Daniel Franzen, Leitender Arzt in der Klinik für Pneumologie am UniversitätsSpital Zürich, und Prof. Brigitte von Rechenberg vom Veterinärmedizinischen Institut der Universität Zürich. Zudem sollen in diesem Projekt Leitlinien für die Herstellung und für die Anforderungen von Atemwegsprothesen aus dem 3D-Drucker erarbeitet werden.

Individuelle Lösungen bringen bessere Behandlung

Erkrankungen oder Verletzungen der Atemwege können zu deren Verengung führen. Ursachen dafür sind angeborene Fehlbildungen, Infektionen, Tumorerkrankungen oder Verletzungen durch Intubationen. Die Verengung führt zu Atemnot und Erstickungsgefühl bei den Patienten, ein Verschluss der Luftröhre ist lebensbedrohlich. Um die Atemwege offen zu halten, wird deshalb oft ein Implantat, ein so genannter Stent, eingesetzt. Derzeit stehen dafür lediglich industrielle Standardstents zur Verfügung. Die Anatomie der Atemwege sowie die Verengung selbst variieren bezüglich Form und Durchmesser jedoch von Patient zu Patient stark. Zudem ziehen diese Standardstents, die aus Nitinol und/oder Silikon hergestellt werden, Nebenwirkungen wie überschiessendes Narbengewebe (Granulationsgewebe), Infektionen und starke Schleimbildung nach sich, die die Funktion der Stents einschränken. Mit individuell massgeschneiderten sowie medikamentös beschichteten Stents könnte dieses Problem behoben werden. Durch die Beschichtung der Stents mit zytostatischen Medikamenten könnte auch das Wachstum bösartiger Tumoren der Atemwege verhindert oder eingedämmt werden.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt werden absehbar auch in andere medizinische Bereiche und Anwendungen übertragbar sein sowie die Möglichkeiten der 3D-Druckertechnologie erweitern. Für Patientinnen und Patienten bedeutete die massgeschneiderte Anpassung von Atemwegsstents an ihre individuellen Bedürfnisse schon bald eine mit den bisherigen Standardlösungen nicht erreichbare Behandlungsqualität.

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