3D printing en bioprinting in de gezondheidszorg

3D printing ofwel driedimensionaal printen is al jaren enorm in ontwikkeling. Ook in de gezondheidszorg wordt het steeds meer toegepast. Harde materialen zoals botten, kronen en implantaten worden al gebruikt in het menselijk lichaam. Het 3D-printen van kraakbeen en andere menselijke weefsels en cellen staat in 2014 nog in de kinderschoenen en biedt onderzoekers en ontwikkelaars heel wat problemen en uitdagingen.

Inhoud:

• Waarom 3D printing in gezondheidszorg?
• Protheses, botten en gewrichten
• Tandheelkunde en 3D: kronen en bruggen
• Kraakbeen: oren en neuzen 3D-geprint
• Weefsels en kraakbeen 3D bioprinting vergen onderzoek en ontwikkeling
• 3D printing inzetten bij kanker
• 3D bioprint universitaire opleiding: Biofabrication research
• Conclusie

Waarom 3D printing in gezondheidszorg?

Op medisch vlak zijn er enorm veel mogelijkheden om mensen beter te maken en lichaamsdelen en onderdelen daarvan geheel of gedeeltelijk te repareren, zodat het functioneren van het lichaam weer verbetert of zelfs op het oude niveau gebracht wordt. De medische wetenschap is continu in beweging, onderzoeken worden uitgevoerd en verwachtingen en resultaten bereiken ons in de media. Driedimensionaal printen wordt in diverse branches steeds meer toegepast: in de bouw, in de detailhandel en al vele jaren ook in de gezondheidszorg. 3D printing oftwel 3D-printen is het in laagjes printen met verschillende materialen om zo een benodigd onderdeel te maken. Deze techniek maakt maatwerk veel bereikbaarder. Immers: als je een driedimensionaal digitaal ontwerp hebt kan een 3D-printer dit exact overnemen en daarmee is je maatwerk, op maat van de specifieke persoonlijke maten van de patiënt, een feit.

Protheses, botten en gewrichten

Relatief simpel zijn de toepassingen in de 'harde' materialen. Dit zijn dode materialen, als de eigenschappen maar voldoen aan de eisen zoals bestand tegen breken, dan zijn ze prima toepasbaar in een lichaam.

Een vrouw kreeg in het UMC Utrecht in 2014 een compleet nieuwe schedel, die op maat was gemaakt met een 3D-printer. Haar aandoening maakte haar schedelbot steeds dikker waardoor haar hersenen in de verdrukking kwamen. Ze was haar gezichtsvermogen al gedeeltelijk verloren en zou uiteindelijk komen te overlijden. Met de 3D-printtechniek werd een exacte kopie van haar schedel gemaakt die haar eigen bot volledig verving. Enige maanden later zag ze weer volledig en was klachtenvrij en weer aan het werk. Deze techniek wordt verder doorontwikkeld om ook schedels na ongevallen of verminkingen door tumoren te herstellen.

Gewrichten in mens en dier zitten complexer in elkaar dan gedacht wordt. Merk maar eens hoe je pols of knie beweegt: naar voren en achteren makkelijk, andere kanten op iets minder beweeglijk. Vervangende pols- en kniegewrichten zijn maar in een aantal maten beschikbaar. Een verbrijzelde pols is vaak lastig te herstellen en vaak had men na operatie en herstel blijvend last van stijfheid of een toch wat afwijkende stand van de pols. Met 3D printing maakt men een exacte kopie van de goede pols van de patiënt. Door het beeld te spiegelen heeft men een exact voorbeeld hoe de aangedane pols er oorspronkelijk uit zag. De operatie kan door de extra geboden informatie zo veel nauwkeuriger uitgevoerd worden met een veel beter resultaat en herstel dan voorheen.

Tandheelkunde en 3D: kronen en bruggen

Ook voor tandartsen ligt de weg naar 3D printing toepassingen vrij. Met 3D-printers specifiek ontwikkeld voor de tandheelkunde kunnen kronen, bruggen en implantaten gemaakt worden. Maar ook modellen van het gebit en kaak van de patiënt, en instrumenten zoals boormallen. Voordelen zijn dat de 3D-printer erg snel is: een kroon kan binnen 15 minuten klaar zijn. Daarmee kan het volledige proces van scannen, ontwerpen en printen kan door een ervaren tandtechnieker in een half uur gepiept zijn. Ook is de nauwkeurigheid optimaal: voor een menselijk gebit heel bepalend voor het functioneren van het gebit. Vanwege de fikse investering in deze specifieke 3D-printer, zo'n 25.000 euro, zijn driedimensionale oplossingen in deze branche voornamelijk voor grotere tandartspraktijken weggelegd. Omdat er verder onderzoek nodig is naar de veiligheid van het langdurig gebruik van het materiaal polymeren in de mond worden 3D-toepassingen als kronen en bruggen enkel nog voor tijdelijk gebruik toegepast.

Kraakbeen: oren en neuzen 3D-geprint

Al lastiger is het middels 3D printing vervangen van kraakbeen. Bij bijvoorbeeld verbranding of bevriezing verliezen mensen vaak geheel of gedeeltelijk hun neus of hun oren. Ook door kanker moeten soms deze lichaamsdelen verwijderd worden. Omdat kraakbeen door het lichaam niet opnieuw wordt aangemaakt is neus of oor dan voor altijd weg, wat een grote impact heeft op de patiënt. Kraakbeen heeft een mens helaas maar in beperkte hoeveelheid in zijn lichaam, waardoor het lastig is om van dit eigen donorkraakbeen een complete neus of oor te fabriceren. Plastic nagemaakte lichaamsdelen kunnen ontstekingen veroorzaken of zelfs afstoting door het lichaam. Omdat je met 3D een exacte mal kunt maken zijn onderzoeken gaande om deze mal te vullen met eigen kraakbeen, eigen stamcellen en een gel en deze mal onder de huid te plaatsen. De kraakbeencellen kunnen dan weer in de vorm van de mal groeien tot een gekopieerd lichaamsdeel en de mal lost in de loop van de tijd op.

Weefsels en kraakbeen 3D bioprinting vergen onderzoek en ontwikkeling

Het printen van menselijk weefsel is van groot belang, maar nog niet zo simpel. Logisch ook wel, want menselijke weefsels zitten ingenieus in elkaar. Kraakbeen is lastig om te vermenigvuldigen met behoud van de specifieke eigenschappen. Ook de kosten zijn een lastig aspect. Een doorsnee 3D-printer werkt op een veel te hoge temperatuur om menselijke cellen levend te houden. Daarom is een dure 3D-bioprinter nodig om levende weefsels te kunnen printen.

Qua materiaal wordt er veel onderzoek gedaan naar het samenstellen van mengsels als printmateriaal.In het UMC Utrecht wordt getest met een mengsel van hydrogels (soort gelatine), groeifactoren, eiwitten en cellen.

Maar ook een ander aspect is een probleem: het maken van een draagomgeving waarbinnen de nieuwe cellen moeten gaan groeien om genoeg printweefsel te bieden. Toepassing van een synthetisch materiaal vergt eerst goedkeuring door FDA of een CE-markering.

3D printing inzetten bij kanker

Naast het vervangen van door kanker aangetaste botdelen met 3D prints kan de techniek ook nog op een ander vlak bij kanker ingezet worden. De tumor die uit het lichaam weggehaald moet worden kan met 3D exact worden gekopieerd. De chirurg heeft dan een heel precies visueel beeld van de situatie om de vaak ingewikkelde operatie met schone snijwanden en zo weinig mogelijk verlies van eigen weefsel uit te voeren.

3D bioprint universitaire opleiding: Biofabrication research

Per 2015 kunnen studenten in een masterprogramma in Utrecht 'Biofabrication research' studeren. De opleiding is een initiatief van de Universiteit Utrecht en het Universitair Medisch Centrum. Ook in Duitsland wordt de master aangeboden, op de Unversiteit van Wurzburg. Diverse Australische universiteiten werken samen met Utrecht en bieden een deel van de opleiding in de vorm van cursussen aan deze studenten aan. Er wordt in de toekomst veel werkgelegenheid verwacht voor hooggekwalificeerde biomedische ingenieurs.

Conclusie

3D-printen biedt enorm veel mogelijkheden en toepassingen in de gezondheidszorg, van verfraaiend en functioneel tot wellicht in de toekomst levensreddend. Maar er is nog veel onderzoek, ontwikkeling en geld nodig om verdere stappen te nemen.