Der medizinische 3D-Druck hat sich in wenigen Jahren von einer experimentellen Labortechnologie zu einer etablierten Produktionslösung entwickelt. Kundenspezifische chirurgische Instrumente, orthopädische Führungen, personalisierte Prothesen, Komponenten für die Diagnostik und Einwegprodukte werden heute zunehmend häufig mittels additiver Fertigung hergestellt.
Wenn eine Komponente jedoch für den Kontakt mit dem Patienten oder dem medizinischen Fachpersonal bestimmt ist, reichen die technischen Leistungen allein nicht aus. Der Werkstoff und das Produkt müssen eine angemessene Biokompatibilität und die Konformität mit einem detaillierten regulatorischen Rahmen nachweisen, der durch internationale Normen und branchenspezifische Anforderungen definiert wird.
Dieser Leitfaden erläutert, was unter Biokompatibilität zu verstehen ist, welche die wichtigsten Referenzzertifizierungen sind (darunter USP Klasse VI, ISO 10993 und ISO 13485) und welche Verantwortlichkeiten den verschiedenen Akteuren der Lieferkette obliegen.
Biokompatibilität ist die Fähigkeit eines Werkstoffs oder eines Produkts, seine Funktion zu erfüllen, ohne unerwünschte biologische Reaktionen in dem Organismus hervorzurufen, mit dem es in Kontakt kommt. Solche Reaktionen können Reizung, allergische Sensibilisierung, Zytotoxizität, chronische Entzündung, Abstoßung oder andere lokale und systemische unerwünschte Wirkungen umfassen. Es handelt sich nicht um eine absolute Eigenschaft des abstrakt betrachteten Werkstoffs. Die Biokompatibilität muss stets in Bezug auf den Anwendungskontext bewertet werden: Dauer des Kontakts, Art des betroffenen Gewebes, angewandte Sterilisation, Betriebsbedingungen.
Gemäß dem Ansatz der ISO 10993-1 berücksichtigt die biologische Beurteilung von Medizinprodukten unter anderem die Art des Kontakts mit dem menschlichen Körper. Die wichtigsten Kategorien sind:
Für jede Kategorie steigen die erforderlichen Prüfungen in Anzahl und Strenge in Abhängigkeit vom zugehörigen biologischen Risiko. Folglich kann ein für ein wiederverwendbares chirurgisches Instrument geeigneter Werkstoff nicht automatisch als für ein dauerhaftes Implantat geeignet angesehen werden. Die Konformität muss stets in Bezug auf die spezifische Endanwendung nachgewiesen werden.
Die drei grundlegenden Prüfungen, die fast allen Anwendungen gemeinsam sind, lauten:
Für implantierbare Produkte oder solche mit längerem Blutkontakt kommen systemische Toxizität, Genotoxizität, Hämokompatibilität, subakute und chronische Toxizität sowie Kanzerogenität hinzu.
Der USP <88> Biological Reactivity Test ist das Kapitel der United States Pharmacopeia, das der Bewertung der biologischen Reaktivität von Kunststoffen bestimmt ist, die für medizinische und pharmazeutische Anwendungen vorgesehen sind. Die Werkstoffe werden in sechs Klassen von I bis VI eingeteilt, je nach der bestandenen Prüfreihe. Klasse VI stellt die strengste Stufe dar.
Die Bewertung umfasst hauptsächlich:
Ein nach USP Klasse VI zertifizierter Werkstoff hat somit alle drei Prüfungen bestanden, die an in Wasser, Pflanzenöl, Kochsalzlösung und Ethanol vorbereiteten Extrakten durchgeführt wurden. Es ist die Standardvoraussetzung für Werkstoffe, die für den Kontakt mit Arzneimitteln, biologischen Geweben oder Patienten im pharmazeutischen und biomedizinischen Bereich bestimmt sind. Viele industrielle 3D-Druck-Werkstoffe für den Medizinsektor weisen diese Qualifikation auf Werkstoffgüteebene aus.
Die Normenreihe ISO 10993 „Biological evaluation of medical devices" ist die internationale Norm, die die biologische Beurteilung von Medizinprodukten regelt. Sie umfasst mehr als zwanzig Teile, die jeden Aspekt der biologischen Sicherheit abdecken, darunter:
Der wesentliche Unterschied gegenüber der USP Klasse VI besteht darin, dass die ISO 10993 keinen Werkstoff zertifiziert, sondern das fertige Produkt in seinem spezifischen Anwendungskontext. Es ist der von der europäischen Regelung (MDR 2017/745) und von der FDA für die biologische Beurteilung von Medizinprodukten verfolgte Ansatz.
Die ISO 13485 ist die internationale Norm, die das Qualitätsmanagementsystem für die Medizinprodukteindustrie definiert. Sie zertifiziert nicht das Produkt, sondern die Organisation: Entwicklung, Produktion, Kontrolle, Rückverfolgbarkeit, Beschwerdemanagement und kontinuierliche Verbesserung.
Ein nach ISO 13485 zertifizierter Lieferant gewährleistet rückverfolgbare, dokumentierte und wiederholbare Produktionsprozesse, eine von der europäischen MDR für die CE-Kennzeichnung von Medizinprodukten geforderte Anforderung.
Dies ist einer der heikelsten Abschnitte jedes medizinischen Projekts und auch einer der am häufigsten missverstandenen. An der Produktionskette eines im 3D-Druck gefertigten Medizinprodukts sind verschiedene Akteure beteiligt, jeder mit einem klar definierten Verantwortungsbereich.
| Akteur | Zertifiziert | Typische bereitgestellte Dokumente |
|---|---|---|
| Werkstoffhersteller | Die Biokompatibilität des Rohwerkstoffs gemäß USP Klasse VI, einige Teile der ISO 10993, RoHS/REACH | Technisches Datenblatt, Zusammensetzungserklärung, USP-Zertifikat, MSDS |
| Anbieter des 3D-Druck-Service | Die Verwendung zertifizierter Werkstoffe, die Chargenrückverfolgbarkeit, den kontrollierten Produktionsprozess, gegebenenfalls ISO 13485 | Verwendung zertifizierter Werkstoffe, Zusammensetzungserklärung, Chargenrückverfolgbarkeit |
| Hersteller des Medizinprodukts | Die Biokompatibilität des fertigen Produkts in seiner Zweckbestimmung, die CE-/FDA-Kennzeichnung, die klinische Bewertung, das Post-Market-Management | Technische Dokumentation MDR, biologische Beurteilung ISO 10993-1, EG-Konformitätserklärung, CE-Kennzeichnung |
| Benannte Stelle / FDA | Validiert die gesamte Kette und erteilt die Marktzulassungen | CE-Zertifikat, 510(k) clearance, PMA approval |
Der entscheidende Punkt, den man verinnerlichen muss, ist dieser: Der 3D-Druck-Anbieter kann das Medizinprodukt nicht zertifizieren. Auch dann nicht, wenn der Werkstoff USP Klasse VI und der Prozess ISO 13485 ist. Die Verantwortung für die biologische Beurteilung des fertigen Produkts, seine Sterilisation, seine Zweckbestimmung und seine CE-Kennzeichnung verbleibt stets beim Hersteller des Produkts (also bei dem Akteur, der das Produkt mit einer spezifischen medizinischen Verwendungsangabe in Verkehr bringt).
Ein kompetenter Lieferant unterstützt den Kunden mit zertifizierten Werkstoffen, rückverfolgten Chargen und Zusammensetzungserklärungen, die die notwendigen Eingangsdaten für die biologische Beurteilung des Produkts sind, sie jedoch nicht ersetzen.
Nicht immer. Die ISO 13485 ist für den Hersteller des Medizinprodukts verpflichtend, der es in Europa vermarkten will (MDR). Für Komponenten- oder Dienstleistungslieferanten ist sie nicht immer verpflichtend, wird aber empfohlen, weil sie dokumentierte und rückverfolgbare Prozesse gewährleistet, dem Kunden bei MDR-Audits das Leben erleichtert und einen Vertrauensfaktor darstellt. Viele Medizinproduktehersteller verlangen von ihren Lieferanten die ISO 13485 als Qualifikationsvoraussetzung.
Der Markt der biokompatiblen Werkstoffe für den 3D-Druck expandiert rasch. Nachfolgend zwei der am häufigsten verwendeten Werkstoffe.
ABS in medizinischer Güte ist ein Acrylnitril-Butadien-Styrol, das für Anwendungen im Gesundheitsbereich formuliert und gemäß USP <88> Klasse VI qualifiziert ist. Es ist angezeigt für Krankenhausinstrumente, Diagnosekomponenten, funktionale Prototypen für Medizinprodukte, elektromedizinische Gehäuse und andere Anwendungen mit nicht länger andauerndem Oberflächenkontakt.
Seine Vorteile sind die geringen Kosten, die ausgezeichnete Verarbeitbarkeit im FDM, eine ansprechende Oberflächengüte und eine für Krankenhausreinigungsmittel angemessene chemische Beständigkeit.
ECOtech ist ein technisches Polymer mit reduzierter Umweltbelastung, ausgezeichneter Biegefestigkeit, geringen Verformungen und einer hochwertigen Oberflächengüte. Es verbindet hohe mechanische Leistungen mit einem Nachhaltigkeitsprofil, das es für verschiedene sensible Anwendungen geeignet macht, von Medizinprodukten bis zu FDA-zugelassenen Lebensmittelverpackungen.
Seine typischen Anwendungen sind anatomische Modelle und chirurgische Führungen mit engen Toleranzen, Präzisions-Medizinprodukte, Behälter im Kontakt mit Arzneimitteln und Lebensmitteln, Komponenten, bei denen Maßstabilität in heißen Umgebungen erforderlich ist, und Produkte mit Anforderungen an das Umweltprofil.
Die Sterilisation ist integraler Bestandteil des Lebenszyklus eines Medizinprodukts und muss von den ersten Konstruktionsphasen an berücksichtigt werden. Nicht alle Werkstoffe sind mit allen Sterilisationsverfahren kompatibel, und einige Zyklen können deren mechanische oder dimensionale Eigenschaften beeinträchtigen. Es gibt fünf Hauptmethoden.
Die am weitesten verbreitete, kostengünstige und rückstandsfreie Methode. Sie hat jedoch eine hohe Betriebstemperatur, die Polymere mit unzureichender HDT ausschließt.
Sterilisation bei niedriger Temperatur (30–60 °C) mit Ethylenoxidgas. Kompatibel mit fast allen Polymeren. Sie erfordert einen Belüftungszyklus nach der Behandlung, um die toxischen Rückstände zu beseitigen, und einige Drucktechnologien (zum Beispiel poröse Werkstoffe) können das EtO länger als erwartet zurückhalten.
Sterilisation durch Bestrahlung (typisch 25–40 kGy). Kompatibel mit den meisten Werkstoffen, kann jedoch bei einigen Polymeren eine fortschreitende Vergilbung, eine verringerte Duktilität und einen Abbau des Molekulargewichts verursachen. Es ist die bevorzugte Methode für hohe Stückzahlen von Einwegprodukten.
Sterilisationsmethode bei niedriger Temperatur (40–55 °C) ohne toxische Rückstände, geeignet für wiederverwendbare Instrumente und wärmeempfindliche Komponenten. Kompatibel mit den meisten medizinischen Polymeren und mit der Mehrheit der Metalle.
Eintauchen in chemische Lösungen (Glutaraldehyd, Peressigsäure, Hypochlorit). Es handelt sich genauer gesagt um eine High-Level-Desinfektion und nicht um eine Endsterilisation, und sie wird im Krankenhausbereich für wiederverwendbare Instrumente eingesetzt. Sie ist mit den wichtigsten medizinischen Standardpolymeren kompatibel, sofern die Geometrie des Teils eine vollständige Reinigung und Drainage ermöglicht.
Ein gemeinsames Vokabular ist die erste Verteidigung gegen technische und regulatorische Missverständnisse in Lastenheften. Nachfolgend die korrekt zu verwendenden Schlüsseldefinitionen.
Der medizinische 3D-Druck bietet eine beispiellose Konstruktionsfreiheit und Personalisierungsmöglichkeiten, agiert jedoch in einem komplexen regulatorischen Umfeld, in dem die Biokompatibilität des Werkstoffs und die Zertifizierung des fertigen Produkts unterschiedliche Bereiche mit über die gesamte Lieferkette verteilten Verantwortlichkeiten sind.
Für den Konstrukteur oder Hersteller von Medizinprodukten besteht der entscheidende Punkt darin, zu wissen, wer was zertifiziert. Einerseits ist es grundlegend, einen Lieferanten zu wählen, der qualifizierte biokompatible Werkstoffe gewährleisten kann. Andererseits verbleibt beim Hersteller des Produkts die Verantwortung für die vollständige biologische Beurteilung, die validierte Sterilisation, die CE-Kennzeichnung und die Überwachung nach dem Inverkehrbringen.
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