Polymeres 3D-Rüstzeug stabilisiert schwaches Organ

Statistisch gesehen leidet eines von 2200 Kindern von Geburt an Tracheomalazie [2]; diese Erkrankung ist gekennzeichnet von einer Erschlaffung der Luftröhre infolge unzureichender Knorpelspannung. Aufgrund der Gewebeschwäche droht die Luftröhre bei der Einatmung aber auch im Verlauf der Ausatmungsphase durch den sich im Organ bildenden Unterdruck zu kollabieren. Die Konsequenz ist, der Atemwiderstand steigt; der Patient kann ersticken.

Von diesem Schicksal betroffen waren der nicht ganz zwei Lenze zählende Kaiba Gionfriddo und der nur wenige Wochen alte Garrett Peterson [3, 4].

Um das Überleben von Kaiba zu sichern, entschied sich der behandelnde Arzt Glenn Green, Professor für pädiatrische Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde an der Universität von Michigan, zu einer bislang noch nicht erprobten Therapie. Er überlegte, die labilen Bronchialäste des Kindes im Verlauf eines operativen Eingriffs unter Einsatz röhrenartiger Stützschienen zu stabilisieren und so Kaibas Überleben zu sichern. 

Bei der Ausformulierung seiner Idee und der Entwicklung eines Implantats erfuhr Green Unterstützung durch seinen Kollegen Scott Hollister, Professor für biomedizinische Technik und Maschinenbau und außerordentlicher Professor für Chirurgie an der Universität von Michigan. 

Bei der Frage nach dem Material, aus dem das Implantat gefertigt werden sollte, fiel die Wahl auf Polycaprolacton, einen auf Erdöl basierenden thermoplastischen Kunststoff, der über Eigenschaften verfügt, die ihn für medizinische Anwendung in besonderer Weise prädestinieren. Blicken wir auf einige Materialeigenschaften von Polycaprolacton.

Polycaprolacton besteht aus einer Abfolge von Methylen-Einheiten, zwischen denen Estergruppen ausgebildet sind. Der sehr einfache Aufbau des Polymers ermöglicht eine beinahe uneingeschränkte Rotation der einzelnen Kettenglieder; die Glas-Übergangstemperatur (TG), also die Aushärtetemperatur, ist sehr niedrig. Bei Raumtemperatur ist kurzkettiges, amorphes (molekular ungeordnetes) Polycaprolacton weich und gummiartig. Aufgrund der gleichmäßigen Struktur ist es jedoch gut kristallisierbar – was das Gegenteil des amorphen Zustands beschreibt; hierdurch tritt eine Verstärkung des Materials auf. [5] 

Obendrein ist Polycaprolacton biologisch abbaubar. Der Abbau erfolgt durch Mikroorganismen, im Regelfall unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob). Diese durchaus bemerkenswerte Tatsache dürfte sich für Green und Hollister als höchst interessant herausgestellt haben. Ferner ist das Material gut mischbar; es verbindet sich mit anderen Kunststoffen sowie mit Lignin [6], Gelen, Stärke und weiteren Materialien. Außerdem haftet es an einer Vielzahl von Oberflächen, ist leicht zu verarbeiten, gut schmelzbar und nicht toxisch, was von übergeordneter Bedeutung ist, soll das Material im menschlichen Organismus eingesetzt werden. 

Die Weichen waren gestellt, und nachdem auch noch die US-amerikanische „Food and Drug Administration“ (FDA) dem Vorhaben die Zulassung und damit ihren Segen erteilt hatte, ging es für Green und Hollister an die praktische Umsetzung.

Anhand eines Models der Bronchialäste, entwickelt unter Zuhilfenahme bildgebender Verfahren, ging es darum, einen Prozess zu finden, der es erlaubte, hinreichend schnell, effizient und präzise wenige Zentimeter lange, rohrartige Stützschienen aus Polycaprolacton herzustellen. In allen Punkten erwies sich der 3D-Druck als besonders geeignet – auch zur Herstellung eines maßstabsgetreuen Modells der Bronchien. 

Unter einem 3D-Druck versteht man einen Fertigungsprozess des Urformens, was bedeutet, das aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, wie es etwa auch beim Gießen, Sintern oder Extrudieren der Fall ist. Der Aufbau dreidimensionaler Werkstücke im 3D-Drucker erfolgt computergestützt aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD) [7]. 

Letzten Endes resultierten aus dem Prozess ein bis zwei Zentimeter stentartige, über die Länge hin partiell geöffnete Ringschlüsse, die operativ über die kollabierenden Bronchien gestülpt und mit ihnen vernäht werden konnten. Die Stützten schlossen sich um die Bronchien wie ein von außen anliegendes Gerüst oder Skelett und ermöglichten Kaiba eine barrierefreie Atmung und ein ordnungsgemäßes Wachstum der Atemwege. 

„Es war erstaunlich“, erinnert sich Glenn Green. „Nachdem die Schiene platziert war, begann sich die Lunge tüchtig mit Luft zu füllen; wir wussten, alles wird gut.“ Und was das verwendete Material betrifft, fügt Scott Hollister hinzu: „ Es dauert etwa zwei bis drei Jahren, bis sich Luftröhre regeneriert hat und in einem gesunden Zustand gewachsen ist. Bis dahin hat sich das Polycaprolacton aufgelöst.“

Die Meldung von der erfolgreichen Therapie des 20 Monate alten Kaiba Gionfriddo machte seine Runde und erreichte auch die Eltern des erst wenige Wochen alten Garrett Peterson. Dieses Kind litt ebenfalls von Geburt an unter den Folgen der Tracheomalazie, und die Eltern befürchteten, ihr Sohn würde vermutlich nie ohne Beatmungsgerät leben können. Da hörten sie die Neuigkeit von Kaiba ... 

Hollister erstellte ein 3D-Modell von Garretts Atemwegen und passte entsprechende Stützschienen aus Polycaprolacton an. Am 31. Januar 2014 wurde Garretts Brustkorb geöffnet und die heilbringende Operation von Richard G. Ohye, dem Leiter der Kinderherzchirurgie an der Universität von Michigan, durchgeführt. Der erste Einblick war jedoch alles andere als ermutigend. Eine Luftröhre war bereits kollabiert, ein Lungenflügel so weiß und mangeldurchblutet wie der einer Leiche. Ohye befestigte eine Schiene an linkseitigen Bronchienweg, eine weitere an der rechten Seite. Mit Spannung wurde beobachtet, was dann geschah. Erleichterung machte sich breit. Die Luftröhre blieb offen, kollabiert nicht, und Luft blähte die Lunge. 

Das Warten hatte ein Ende. Garrett würde in den kommenden drei Jahren, während sein kleiner Organismus die Schienen aus Polycaprolacton langsam zersetzt und resorbiert, genügend Atemluft bekommen. Seine Organe werden die Möglichkeit haben, wie die eines gesunden Kindes, zu wachsen und sich zu entwickeln. Dank kluger Köpfe, moderner Medizin, ausgefeilter Technik und nicht zuletzt innovativer Polymermaterialien. GD

1. Robert J. Morrison, Scott J. Hollister, Matthew F. Niedner, Maryam Ghadimi Mahani, Albert H. Park, Deepak K. Mehta, Richard G. Ohye and Glenn E. Green, Mitigation of tracheobronchomalacia with 3D-printed personalized medical devices in pediatric patients, Science Translational Medicine 29 Apr 2015: Vol. 7, Issue 285, pp. 285ra64, DOI: 10.1126/scitranslmed.3010825
2. de.wikipedia.org/wiki/Tracheomalazie
3. www.plasticstoday.com/articles/3d-printed-plastic-saves-babys-life0524201301
4. www.plasticstoday.com/articles/how-3d-printing-saving-lives-again
5. de.wikipedia.org/wiki/Polycaprolacton
6. www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/257/
7. de.wikipedia.org/wiki/3D-Drucker