Additive manufacturing, ook bekend als 3D-printen, werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren tachtig van de vorige eeuw. Hierbij wordt een digitaal model of een blauwdruk van het onderwerp genomen, dat vervolgens in opeenvolgende lagen van een geschikt materiaal wordt geprint om een nieuwe versie van het onderwerp te maken.
De techniek is toegepast op (en gebruikt door) veel verschillende industrieën, waaronder de medische technologie. Vaak worden medische beeldvormingstechnieken, zoals röntgenstralen, computertomografie (CT) scans, magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) scans en echografie, gebruikt om het originele digitale model te produceren, dat vervolgens in de 3D-printer wordt ingevoerd.
Voorspeld wordt dat 3D-printen op medisch gebied in 2025 3,5 miljard dollar waard zal zijn, vergeleken met 713,3 miljoen dollar in 2016. Het samengestelde jaarlijkse groeipercentage van de industrie wordt verondersteld 17,7% te bereiken tussen 2017 en 2025.
Er zijn vier kerntoepassingen van 3D-printen op medisch gebied die gepaard gaan met recente innovaties: het creëren van weefsels en organoïden, chirurgische hulpmiddelen, patiëntspecifieke chirurgische modellen en op maat gemaakte protheses.
Bioprinten van weefsels en organoïden
Een van de vele soorten 3D-printen die wordt gebruikt op het gebied van medische hulpmiddelen is bioprinten. In plaats van met plastic of metaal te printen, gebruiken bioprinters een computergestuurde pipet om levende cellen, bio-inkt genoemd, op elkaar te stapelen en zo kunstmatig levend weefsel te creëren in een laboratorium.
Deze weefselconstructies of organoïden kunnen worden gebruikt voor medisch onderzoek omdat ze organen op miniatuurschaal nabootsen. Ze worden ook getest als goedkopere alternatieven voor menselijke orgaantransplantaties.
Het in de VS gevestigde medische laboratorium- en onderzoeksbedrijf Organovo experimenteert met het printen van lever- en darmweefsel om te helpen bij het bestuderen van organen in vitro, evenals bij de ontwikkeling van geneesmiddelen voor bepaalde ziekten. In mei 2018 presenteerde het bedrijf preklinische gegevens voor de functionaliteit van zijn leverweefsel in een programma voor tyrosinemie type 1, een aandoening die het vermogen van het lichaam belemmert om het aminozuur tyrosine te metaboliseren als gevolg van het tekort aan een enzym.
Het Wake Forest Institute in North Carolina, VS, koos voor een soortgelijke aanpak door een 3D-hersenorganoïde te ontwikkelen met potentiële toepassingen in geneesmiddelenontdekking en ziektemodellering. De universiteit kondigde in mei 2018 aan dat het organoïden heeft met een volledig op cellen gebaseerde, functionele bloed-hersenbarrière die de normale menselijke anatomie nabootst. Het heeft ook gewerkt aan het 3D-printen van huidtransplantaten die rechtstreeks kunnen worden toegepast op brandwondenslachtoffers.
operatievoorbereiding geholpen door het gebruik van 3D-geprinte modellen
Een andere toepassing van 3D-printen op medisch gebied is het maken van patiëntspecifieke orgaanreplica’s waarop chirurgen kunnen worden gebruikt om te oefenen voordat ze gecompliceerde operaties uitvoeren. Deze techniek heeft bewezen procedures te versnellen en trauma’s voor patiënten te minimaliseren.
Dit type procedure is met succes uitgevoerd bij operaties variërend van een volledige aangezichtstransplantatie tot spinale ingrepen en begint routine te worden.
In Dubai, waar ziekenhuizen een mandaat hebben om 3D-printen vrijelijk te gebruiken, hebben artsen met succes een patiënt geopereerd die een cerebraal aneurysma in vier aderen had opgelopen, met behulp van een 3D-geprint model van haar slagaders om in kaart te brengen hoe ze veilig door de bloedvaten kon navigeren.
In januari 2018 hebben chirurgen in Belfast met succes geoefend voor een niertransplantatie voor een 22-jarige vrouw met behulp van een 3D-geprint model van de nier van haar donor. De transplantatie was beladen met complicaties omdat haar vader, die haar donor was, een incompatibele bloedgroep had en zijn nier een potentieel kankerachtige cyste bleek te hebben. Met behulp van de 3D-geprinte replica van zijn nier konden chirurgen de grootte en de plaats van de tumor en cyste beoordelen.
3D-printen van chirurgische instrumenten
Steriele chirurgische instrumenten, zoals tangen, hemostaten, scalpelgrepen en klemmen, kunnen worden geproduceerd met behulp van 3D-printers.
Niet alleen produceert 3D-printen steriele instrumenten, sommige zijn gebaseerd op de oude Japanse praktijk van origami, wat betekent dat ze nauwkeurig zijn en zeer klein kunnen worden gemaakt. Deze instrumenten kunnen worden gebruikt om kleine gebieden te opereren zonder onnodige extra schade aan de patiënt te veroorzaken.
Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van 3D-printen in plaats van traditionele productiemethoden om chirurgische instrumenten te produceren, is dat de productiekosten aanzienlijk lager zijn.
Op maat gemaakte protheses met behulp van 3D-printen
D3-printen op medisch gebied kan worden gebruikt om prothetische ledematen te produceren die op maat zijn gemaakt en passen bij de drager. Het is gebruikelijk dat geamputeerden weken of maanden moeten wachten op protheses via de traditionele weg; 3D-printen versnelt het proces echter aanzienlijk, en creëert veel goedkopere producten die patiënten dezelfde functionaliteit bieden als traditioneel vervaardigde protheses.
De lagere prijs van deze producten maakt ze bijzonder geschikt voor gebruik bij kinderen, die snel uit hun prothetische ledematen groeien.
Door 3D-printen kan de patiënt ook een prothese ontwerpen die direct aan zijn behoeften voldoet. Body Labs heeft bijvoorbeeld een systeem ontwikkeld waarmee patiënten hun prothese door middel van scanning op hun eigen ledematen kunnen modelleren om een natuurlijker pasvorm en uiterlijk te creëren. Bovendien hebben onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology geprobeerd comfortabelere prothesehouders te ontwerpen.