Vom Datensatz zur Operation – wie der digitale Workflow den Praxisalltag verändert

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Die digitale Transformation hat die Zahnmedizin in den vergangenen Jahren grundlegend verändert [13]. Digitale Volumentomografie (DVT), intraorale Scanner und computergestützte Planungssoftware sind heute fester Bestandteil moderner Behandlungskonzepte [4]. Der 3D-Druck erweitert diese digitale Prozesskette konsequent und ermöglicht erstmals, virtuelle Planungen unmittelbar in patientenspezifische Medizinprodukte zu überführen [5]. Damit werden Diagnostik, Planung und klinische Umsetzung zu einem durchgängigen digitalen Workflow verbunden [6,7]. Was vor wenigen Jahren noch überwiegend spezialisierten Laboren oder industriellen Fertigungsprozessen vorbehalten war, ist heute zunehmend auch im Praxisalltag angekommen [8]. Neben Bohrschablonen können inzwischen anatomische Modelle, patientenspezifische Schablonen für Augmentationsverfahren, Provisorien und zahlreiche weitere Anwendungen direkt vor Ort gefertigt werden. Die Vorteile dieses digitalen Workflows – insbesondere hinsichtlich Präzision, Vorhersagbarkeit und Effizienz – sind für viele Indikationen inzwischen wissenschaftlich gut belegt [9,10].

Die Einführung additiver Fertigungsverfahren bedeutet jedoch weit mehr als die Anschaffung eines 3D-Druckers. Erst das Zusammenspiel aus digitaler Bildgebung, virtueller Planung, geeigneten Drucktechnologien, validierten Fertigungsprozessen sowie einer strukturierten Qualitätssicherung ermöglicht eine sichere und reproduzierbare klinische Anwendung. Gleichzeitig stellt die Integration neuer Technologien Praxen und Teams vor organisatorische und regulatorische Herausforderungen. Dies spiegelt sich ebenso in der Ausbildung wider [11].

DLP – Druck in der Praxis

Obwohl häufig synonym verwendet, beschreibt der Begriff 3D-Druck lediglich den eigentlichen finalen Herstellungsprozess innerhalb eines wesentlich komplexeren digitalen Gesamtkonzeptes im Praxisalltag. Für die Herstellung patienten- spezifischer Medizinprodukte in der Zahnmedizin haben sich insbesondere lichtbasierte Photopolymerisationsverfahren etabliert [12]. Hierzu zählen die Stereolithografie (SLA) sowie das Digital Light Processing (DLP). Während bei der SLA ein Laser das Photopolymer schichtweise selektiv aushärtet, erfolgt die Polymerisation beim DLP-Verfahren mittels eines digitalen Projektionssystems, das jeweils eine vollständige Schicht gleichzeitig belichtet [13]. Durch dieses Verfahren lassen sich eine hohe Maßgenauigkeit, gute Oberflächenqualität und vergleichsweise kurze Fertigungszeiten erzielen [14,15].

Im Gegensatz zur häufig verwendeten Bezeichnung „3D-Druck“ handelt es sich beim DLP-Verfahren streng genommen nicht um einen Druckprozess im klassischen Sinne, sondern um einen photochemischen Polymerisationsprozess [16]. Ein flüssiges, lichthärtendes Photopolymer wird durch Licht einer definierten Wellenlänge schichtweise vernetzt und dadurch in einen festen Werkstoff überführt. Nach jeder Belichtung wird die Bauplattform um die zuvor definierte Schichtstärke „hochgefahren“, sodass frisches Material nachfließen kann. Dieser Prozess wiederholt sich bis zur vollständigen Herstellung des Bauteils (Abb. 1). Da beim DLP-Verfahren jeweils die gesamte Schicht gleichzeitig belichtet wird, hängt die Fertigungsdauer primär von der Anzahl der Schichten und damit von der Bauteilhöhe ab, während die geometrische Komplexität des Objekts nur einen geringen Einfluss auf die Druckzeit besitzt. Gleiches gilt für die Anzahl der digital zu druckenden angestifteten Objekte (Abb. 2). Die laterale Auflösung wird dabei maßgeblich durch die Pixelgröße des Projektors bestimmt, wohingegen die vertikale Auflösung von der gewählten Schichtstärke abhängt.

Die Präzision additiv gefertigter Bauteile wird jedoch nicht ausschließlich durch das eingesetzte Druckverfahren bestimmt. Vielmehr handelt es sich um einen mehrstufigen Fertigungsprozess, dessen Genauigkeit von einer Vielzahl prozessabhängiger Einflussgrößen bestimmt wird. Hierzu zählen unter anderem die gewählte Schichtstärke, die virtuelle Orientierung des Bauteils auf der Bauplattform, die Eigenschaften des verwendeten Photopolymers sowie die Parameter der Nachbearbeitung. Insbesondere die Reinigung („Wash“) (Abb. 3), die anschließende Nachpolymerisation („Post-Curing“), aber auch Umgebungsbedingungen wie Temperatur sowie Lagerungsbedingungen der Druckmaterialien und fertigen Bauteile können die Dimensionsstabilität und Passgenauigkeit maßgeblich beeinflussen [17].

Der Nachpolymerisation kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Sie erhöht den Polymerisationsgrad des Werkstoffs und beeinflusst damit sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Biokompatibilität und Dimensionsstabilität der gedruckten Bauteile [18]. Untersuchungen konnten zeigen, dass Abweichungen während der Nachbearbeitung einen größeren Einfluss auf die Passgenauigkeit additiv gefertigter Medizinprodukte haben können als der eigentliche Druckprozess [19]. Der additive Fertigungsprozess ist daher nicht als isolierter Druckvorgang zu verstehen, sondern als validierte Prozesskette, in der jeder einzelne Arbeitsschritt – von der Materiallagerung über die Datenerzeugung und den Druck bis hin zur Nachbearbeitung – zur Präzision des Endprodukts beiträgt [20].

Klinische Anwendungsgebiete

Das Indikationsspektrum des dentaleigenen 3D-Drucks hat sich in den vergangenen Jahren kontinuierlich erweitert. Heute ermöglichen additive Druckverfahren und moderne digitale Workflows die Fertigung einer Vielzahl patientenspezifischer Medizinprodukte für implantologische und oralchirurgische Eingriffe.

Bohrschablonen

Die häufigste klinische Anwendung stellt nach wie vor die Herstellung implantologischer Bohrschablonen dar (Abb. 4). Ziel ist die möglichst präzise Übertragung der virtuellen Implantatplanung auf die klinische Situation. Abhängig von der Komplexität des Eingriffs und dem gewünschten Grad der Navigationsunterstützung stehen unterschiedliche Schablonenkonzepte zur Verfügung [21,22]:

• Bei pilotengeführten Schablonen (pilot guided surgery) erfolgt die Führung der Pilotbohrung. Die weiteren Aufbereitungsschritte werden konventionell durchgeführt. Dieses Konzept zeichnet sich durch einen vergleichsweise einfachen Workflow und geringe Materialkosten aus, bietet jedoch eine geringere Kontrolle über die endgültige Implantatposition.
• Demgegenüber ermöglichen vollständig geführte Systeme (fully guided surgery) die Navigation sämtlicher Bohrschritte bis hin zur Implantatinsertion. Dadurch lässt sich die virtuelle Planung mit hoher Präzision auf die klinische Situation übertragen. Insbesondere bei komplexen anatomischen Verhältnissen, Sofortimplantationen oder minimalinvasiven Behandlungskonzepten kann dies die chirurgische Sicherheit und Reproduzierbarkeit erhöhen.
• Für komplexe Rekonstruktionskonzepte haben sich darüber hinaus Stackable Guides etabliert (Abb. 5). Hierbei werden mehrere aufeinander abgestimmte Schablonen nacheinander verwendet, um verschiedene chirurgische Arbeitsschritte – beispielsweise Knochenresektionen, Augmentationen und Implantatinsertionen – innerhalb eines integrierten digitalen Behandlungskonzepts präzise umzusetzen.

Anatomische Modelle und Schienen

Ein weiteres etabliertes Anwendungsgebiet stellt die Herstellung patientenspezifischer anatomischer Modelle dar [23]. Auf Grundlage der DVT-Daten können knöcherne Strukturen mit hoher Detailtreue reproduziert werden. Diese Modelle erleichtern die präoperative Analyse komplexer Defektsituationen, ermöglichen die Simulation chirurgischer Eingriffe sowie die Anpassung rekonstruktiver Materialien bereits außerhalb des Operationsfeldes (Abb. 6). Darüber hinaus besitzen sie einen hohen Stellenwert für die Patientenaufklärung sowie in der studentischen und postgradualen Aus- und Weiterbildung. Individuell angefertigte Okklusionsschienen stellen ein etabliertes Therapiekonzept zur Behandlung kraniomandibulärer Dysfunktionen (CMD) dar. Darüber hinaus tragen sie zur Unterbrechung parafunktionellen Habits und zur Reduktion persistierender funktioneller und okklusaler Reize bei (Abb. 7).

Augmentationschirurgie

Insbesondere hinsichtlich individueller Augmentationskonzepte eröffnet der 3D-Druck neue Möglichkeiten für patientenspezifische Behandlungskonzepte. Basierend auf der dreidimensionalen Defektmorphologie können chirurgische Schablonen zur standardisierten Konturierung von Membranen oder zur präzisen Positionierung patientenspezifischer Titan- oder Titangitterrekonstruktionen hergestellt werden (Abb. 8). Dadurch lassen sich intraoperative Anpassungen reduzieren und die Operationszeit verkürzen. Die digitale Planung ermöglicht darüber hinaus die patientenspezifische Konstruktion von Titangittern zur Guided Bone Regeneration (GBR) [24]. Durch die CAD/CAM-basierte Fertigung können Geometrie, Kontur und Volumen bereits präoperativ an den individuellen Defekt angepasst werden. Dies verbessert die Vorhersagbarkeit komplexer Augmentationsverfahren und reduziert den intraoperativen Aufwand gegenüber konventionell manuell adaptierten Titangittern.

Schritt für Schritt in der Praxis

Der digitale Workflow (Abb. 9) beginnt mit der Erfassung der individuellen Ausgangssituation. Hierzu wird der 3D-Datensatz der digitalen Volumentomografie (DICOM) mit den Oberflächendaten eines intraoralen Scans (STL) kombiniert. Während das DVT die knöchernen Strukturen sowie anatomische Risikostrukturen/Landmarken abbildet, liefert der Intraoralscan hochauflösende Informationen über Zähne und Weichgewebe. Durch die Registrierung beider Datensätze entsteht ein virtuelles Patientenmodell, das die Grundlage sämtlicher nachfolgender digitaler Arbeitsschritte bildet.

Im nächsten Schritt erfolgt die virtuelle Behandlungsplanung in einer Implantatplanungssoftware. Hier werden die Implantate dreidimensional positioniert. Grundlage der Planung ist das Konzept des „prosthetically driven implant placement“ (backward planning), bei dem zunächst die spätere prothetische Versorgung definiert und anschließend die Implantatposition unter Berücksichtigung des vorhandenen Knochenangebots, der Weichgewebesituation sowie anatomischer Gegebenheiten festgelegt wird. Dadurch können sowohl funktionelle als auch ästhetische Anforderungen bereits präoperativ berücksichtigt werden. Dieser Schritt kann in-house erfolgen, im entsprechenden Dentallabor der Wahl oder beim Implantathersteller selbst (Abb. 10).

Nach Abschluss der Implantatplanung wird auf Basis der virtuellen Implantatposition die Bohrschablone digital konstruiert (CAD). Die Geometrie der Schablone orientiert sich an den Zahn- oder Schleimhautoberflächen der Patientin bzw. des Patienten und integriert die erforderlichen Hülsenpositionen zur präzisen Übertragung der Implantatplanung in die klinische Situation. Hierbei muss zwischen den oben genannten Bohrschablonentypen unterschieden werden. Das fertige CAD-Modell wird anschließend als STL-Datei exportiert und für den additiven Fertigungsprozess vorbereitet („nesting“). Die Herstellung erfolgt anschließend mittels eines geeigneten 3D-Druckverfahrens. Dieser Schritt kann ebenso im Zuge der Wertschöpfungskette in der Praxis erfolgen, im Dentallabor oder beim Implantathersteller. Nach dem Druck schließen sich die materialabhängigen Nachbearbeitungsschritte an (Post-Processing). Hierzu gehören insbesondere das Entfernen der Stützstrukturen, die Reinigung in Isopropanol, die vollständige Nachbelichtung (Post-Curing) sowie eine abschließende Qualitätskontrolle hinsichtlich Passgenauigkeit und Druckqualität. Erst nach erfolgreicher Validierung kann die Bohrschablone sterilisiert und klinisch eingesetzt werden (Abb. 11 bis 14).

Die Genauigkeit dieses digitalen Workflows wird maßgeblich durch die Qualität jedes einzelnen Prozessschrittes bestimmt. Bereits geringe Fehler bei der Datenerfassung oder Datenregistrierung können sich im weiteren Verlauf fortsetzen und schließlich zu Abweichungen zwischen virtueller Planung und klinischer Umsetzung führen. Systematische Übersichtsarbeiten konnten zeigen, dass computergestützte Implantatplanungen eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit ermöglichen [25,26]. Voraussetzung hierfür ist jedoch ein vollständig validierter Workflow – von der initialen Datenerfassung über die virtuelle Planung bis hin zur additiven Fertigung und abschließenden Qualitätskontrolle.

Grenzen und zukünftige Entwicklungen

Trotz der hohen Präzision digitaler Workflows ersetzen digitale Technologien weder chirurgische Erfahrung noch biologisches Verständnis. Die Genauigkeit additiv gefertigter Medizinprodukte und statisch navigierter Implantationen wird durch die gesamte Prozesskette bestimmt [25]. Bereits geringfügige Abweichungen bei der Datenerfassung, Planung, Fertigung oder klinischen Umsetzung können sich entlang des Workflows kumulieren (error accumulation) [17,26]. Eine standardisierte Qualitätssicherung aller Prozessschritte bleibt daher essenziell. Gleichzeitig entwickelt sich der dentale 3D-Druck kontinuierlich weiter. Künstliche Intelligenz, dynamische Navigationssysteme und robotergestützte Implantationsverfahren werden den digitalen Workflow künftig zunehmend ergänzen [5]. Parallel eröffnen patientenspezifische Biomaterialien und resorbierbare Scaffolds neue Perspektiven für die Augmentationschirurgie. Entscheidend für den klinischen Erfolg ist dabei nicht der Einsatz einzelner digitaler Technologien, sondern deren standardisierte Integration in einen validierten und qualitätsgesicherten Workflow innerhalb des Praxisalltags.

Autoren: PD Dr. Amely Hartmann, Dr. Marcus Seiler MSc. MSc.¹, Dr. Moritz Grosse-Lege¹, Dr. Alexander Volkmann², Dr. Dr. Markus Tröltzsch³, PD Dr. Dr. Mathias Tröltzsch³

¹ Praxis Dr. Seiler und Kollegen MVZ GmbH, Volmarstraße 8, 70794 Filderstadt Bernhausen
² Facelook concept, Leutragraben 2, 07743 Jena
³ Zentrum für Zahnmedizin & Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie Dr. Dr. Tröltzsch, Maximilianstraße 5, 91522 Ansbach