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Int J Comput Dent 19 (2016), No. 4     26. Dec. 2016
Int J Comput Dent 19 (2016), No. 4  (26.12.2016)

Page 301-321, PubMed:28008428, Language: English/German


Materials and scaffolds in medical 3D printing and bioprinting in the context of bone regeneration
Materialien und Gerüste im medizinischen 3-D-Druck und Bioprinting im Kontext der Knochenregeneration

Heller, Martin / Bauer, Heide-Katharina / Goetze, Elisabeth / Gielisch, Matthias / Ozbolat, Ibrahim T. / Moncal, Kazim K. / Rizk, Elias / Seitz, Hermann / Gelinsky, Michael / Schröder, Heinz C. / Wang, Xiaohong H. / Müller, Werner E. G. / Al-Nawas, Bilal
The structural and functional repair of lost bone is still one of the biggest challenges in regenerative medicine. In many cases, autologous bone is used for the reconstruction of bone tissue; however, the availability of autologous material is limited, which always means additional stress to the patient. Due to this, more and more frequently various biocompatible materials are being used instead for bone augmentation. In this context, in order to ensure the structural function of the bone, scaffolds are implanted and fixed into the bone defect, depending on the medical indication. Nevertheless, for the surgeon, every individual clinical condition in which standardized scaffolds have to be aligned is challenging, and in many cases the alignment is not possible without limitations. Therefore, in the last decades, 3D printing (3DP) or additive manufacturing (AM) of scaffolds has become one of the most innovative approaches in surgery to individualize and improve the treatment of patients. Numerous biocompatible materials are available for 3DP, and various printing techniques can be applied, depending on the process conditions of these materials. Besides these conventional printing techniques, another promising approach in the context of medical AM is 3D bioprinting, a technique which makes it possible to print human cells embedded in special carrier substances to generate functional tissues. Even the direct printing into bone defects or lesions becomes possible. 3DP is already improving the treatment of patients, and has the potential to revolutionize regenerative medicine in future.

Eine der größten Herausforderungen in der regenerativen Medizin ist nach wie vor die funktionelle und strukturelle Wiederherstellung von verloren gegangenem Knochen. In vielen Fällen wird für die Rekonstruktion von Knochengewebe autologer Knochen verwendet, allerdings ist dieser nur begrenzt verfügbar und der Eingriff bedeutet immer eine zusätzliche Belastung für den Patienten. Deshalb kommen immer häufiger alternative biokompatible Materialien bei der Knochenaugmentation zum Einsatz. Um in diesem Zusammenhang die strukturelle Funktion des Knochens zu gewährleisten, werden - je nach medizinischer Indikation - Gerüste verwendet, die in die Knochendefekte eingebracht und fixiert werden. Trotzdem stellt jede individuelle klinische Situation den Chirurgen vor die Herausforderung, standardisierte Gerüste an die jeweilige Patientensituation anpassen zu müssen, was in vielen Fällen nicht uneingeschränkt möglich ist. Deshalb entwickelte sich in den letzten Jahrzehnten besonders der 3-D-Druck oder die additive Fertigung von Gerüsten zu einem der innovativsten Ansätze in der Chirurgie, um Patienten individualisiert und besser behandeln zu können. Zahlreiche Materialien sind für den 3-D-Druck verfügbar und je nach Bearbeitungsbedingungen dieser Materialien auch verschiedene Druckverfahren. Neben den konventionellen Druckverfahren ist im Kontext der medizinischen additiven Fertigung das sogenannte 3-D-Bioprinting ein weiterer vielversprechender Ansatz. Mit diesem Verfahren ist es möglich, menschliche Zellen eingebettet in speziellen Trägersubstanzen zu drucken, um funktionelle Gewebe zu generieren. Sogar das direkte Drucken in Knochendefekte oder Läsionen ist möglich. Der 3-D-Druck verbessert schon jetzt die Behandlung von Patienten und verfügt über das Potenzial, die regenerative Medizin in Zukunft zu revolutionieren.

Keywords: 3D printing (3DP), additive manufacturing (AM), bioprinting, bone regeneration, regenerative medicine, scaffolds, biocompatible materials
3-D-Druck, additive Fertigung, Bioprinting, Knochenregeneration, regenerative Medizin, Gerüste, biokompatible Materialien

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