Nieuwe medische hulpmiddelen en instrumenten
3D-printen is bijna een synoniem geworden voor rapid prototyping. Het gebruiksgemak en de lage kosten van in-house 3D-printen heeft ook een revolutie teweeggebracht in de productontwikkeling en veel fabrikanten van medische hulpmiddelen hebben de technologie geadopteerd om gloednieuwe medische hulpmiddelen en chirurgische instrumenten te produceren.
Meer dan 90 procent van de top 50 bedrijven in medische hulpmiddelen maakt gebruik van 3D-printen om nauwkeurige prototypes van medische hulpmiddelen te maken, evenals mallen en opspanningen om het testen te vereenvoudigen.
In de woorden van Alex Drew, een mechanische projectingenieur bij DJO Surgical, een wereldwijde leverancier van medische hulpmiddelen. “Voordat DJO Surgical aan boord kwam, vertrouwden we bijna uitsluitend op externe printleveranciers voor prototypes. Vandaag gebruiken we vier Formlabs machines en de impact is enorm geweest. Onze 3D-printsnelheid is verdubbeld, de kosten zijn met 70 procent gedaald en het detailniveau van de prints maakt duidelijke communicatie van ontwerpen met orthopedische chirurgen mogelijk.”
Bedrijven in medische hulpmiddelen zoals Coalesce gebruiken 3D-printen om nauwkeurige prototypes van medische hulpmiddelen te maken.
D3-printen kan het ontwerpproces versnellen door complexe ontwerpen in dagen in plaats van weken te itereren. Toen Coalesce de opdracht kreeg om een inhalator te ontwikkelen die het inspiratoire flowprofiel van een astmapatiënt digitaal kan beoordelen, zou uitbesteding aan dienstverleners hebben geleid tot lange doorlooptijden voor elk prototype. De ontwerpbestanden hadden zorgvuldig moeten worden verfijnd door middel van verschillende iteraties voordat ze naar een externe locatie waren gestuurd om te worden gebouwd.
In plaats daarvan kon Coalesce door middel van desktop SLA 3D-printen het gehele prototype-proces in eigen huis houden. De prototypes waren geschikt voor gebruik in klinische studies en zagen er net zo uit als een eindproduct. Toen ze het apparaat presenteerden, zagen hun klanten het prototype zelfs aan voor het eindproduct.
In totaal betekende in-house een enorme reductie van 80-90% in doorlooptijd voor prototypes. Bovendien duurde het slechts acht uur om de onderdelen te printen en konden ze binnen een paar dagen worden afgewerkt en geschilderd, terwijl hetzelfde proces een week of twee zou hebben geduurd via een externe contractant.
Betaalbare Prothesen
Elk jaar verliezen honderdduizenden mensen een ledemaat, maar slechts een subgroep van hen krijgt toegang tot een prothese om de functie ervan te herstellen.
Eenvoudige prothesen zijn slechts in enkele maten verkrijgbaar, zodat patiënten het moeten doen met wat het beste past, terwijl op maat gemaakte bionische apparaten die zijn ontworpen om de bewegingen en grepen van echte ledematen na te bootsen en die afhankelijk zijn van spieren in iemands resterende ledemaat om hun functies te controleren, zo duur zijn dat ze alleen toegankelijk zijn voor patiënten met de beste ziektekostenverzekering in ontwikkelde landen. Dit heeft vooral gevolgen voor prothesen voor kinderen. Als kinderen groeien en avonturen beleven, ontgroeien ze onvermijdelijk hun prothesen en hebben ze dure reparaties nodig.
De moeilijkheid is het gebrek aan fabricageprocessen die op maat gemaakte onderdelen betaalbaar kunnen produceren. Maar in toenemende mate, prothesisten kunnen profiteren van 3D-printing veel-geroemde ontwerpvrijheid om deze hoge financiële barrières voor de behandeling te verzachten.
Initiatieven zoals e-NABLE stellen hele gemeenschappen over de hele wereld in staat om zich te vormen rond 3D-geprinte prothesen. Zij stimuleren een onafhankelijke beweging in de productie van prothesen door informatie en open-source ontwerpen vrij online te delen, zodat patiënten een op maat ontworpen prothese kunnen krijgen die goed op hen is afgestemd voor slechts $ 50.
Andere uitvinders, zoals Lyman Connor, gaan nog een stap verder. Met slechts een kleine faciliteit van vier desktop 3D-printers, was Lyman in staat om zijn eerste productieprothesen te voltooien en te passen. Zijn ultieme doel? Het maken van een aanpasbare, volledig bionische hand die kan worden verkocht voor een fractie van de huidige tienduizenden dollars retail prijskaartje voor dergelijke geavanceerde prothesen.
Elders hebben onderzoekers van het MIT ook 3D-printen geïdentificeerd als een optimale manier om comfortabelere prothesekassen te produceren.
Nadeloos te zeggen dat de lage kosten van het produceren van deze prothesen, samen met de vrijheid die komt met op maat gemaakte ontwerpen, een openbaring is gebleken. Prothesen gemaakt met 3D-printen kan worden omgezet in slechts twee weken en vervolgens kunnen worden uitgeprobeerd en onderhouden tegen een veel lagere kosten dan hun traditionele tegenhangers.
Als de kosten blijven dalen en de materiaaleigenschappen verbeteren, zal 3D-printen ongetwijfeld een steeds grotere rol spelen in deze afdeling van de gezondheidszorg.
Correctieve inlegzolen en orthesen
Veel van dezelfde hoge financiële barrières voor behandeling die bij protheses worden gezien, zijn ook eigen aan gebieden zoals orthesen en inlegzolen. Net als veel andere patiëntspecifieke medische hulpmiddelen, zijn op maat gemaakte orthesen vaak ontoegankelijk vanwege hun hoge kosten en duurt het weken of maanden om ze te laten maken. Met 3D-printing hoeft dat niet langer het geval te zijn.
Het voorbeeld van Matej en zijn zoon Nik schiet ons te binnen. Nik werd in 2011 te vroeg geboren en kreeg als gevolg van problemen tijdens de bevalling een hersenverlamming, een aandoening die wereldwijd bijna twintig miljoen mensen treft. Matej werd geïnspireerd door de onwrikbare wil van zijn zoon om de beperkingen van zijn aandoening te overstijgen, maar hij stond voor de keuze tussen een standaard, vooraf gemaakte orthese die ontoereikend en oncomfortabel zou zijn geweest voor zijn zoon, of een dure oplossing op maat die weken of maanden op zich zou laten wachten, om vervolgens snel verouderd te raken door een groeiend kind.
Hij besloot het heft in eigen handen te nemen en zocht naar nieuwe oplossingen om dit doel te bereiken. Met de vrijheid die digitale technologieën, waaronder 3D-scannen en 3D-printen, bieden, konden Matej en Nik’s fysiotherapeuten volop experimenteren en een geheel nieuwe innovatieve werkwijze voor enkel-voetorthesen (AFO’s) ontwikkelen.
De resulterende op maat gemaakte, 3D-geprinte orthese bood Nik steun, comfort en correctie precies waar het nodig was, en hielp Nik om eindelijk zijn eerste zelfstandige stappen te zetten. Deze op maat gemaakte orthese had de sterk aangepaste afwerking van hoogwaardige steunzolen, tegen een fractie van de prijs en zonder dat verdere aanpassingen nodig waren.
Professionals over de hele wereld gebruiken 3D-printen om patiënt- en klantspecifieke inlegzolen en orthesen opnieuw uit te vinden, evenals een reeks andere hulpmiddelen om de fysiotherapie te verbeteren. In het verleden was het verloop van fysiotherapie met op maat gemaakte hulpmiddelen moeilijk gebleken. Patiënten kregen vaak te maken met lange wachttijden en afgewerkte stukken die tot ongemak leidden. 3D-printing is op weg om deze status quo te veranderen. 3D-geprinte inlegzolen en orthesen blijken beter te passen, leiden tot betere therapeutische resultaten en bieden patiënten meer comfort en gebruiksgemak.
Bioprinting, Tissue Engineering, 3D Printed Organs and Beyond
De conventionele middelen voor de behandeling van patiënten met ernstige orgaanfalen omvatten momenteel het gebruik van autografts, een transplantatie van weefsel van de ene plaats naar de andere van het lichaam van hetzelfde individu, of orgaantransplantaties van een donor. Onderzoekers op het gebied van bioprinting en tissue engineering hopen daar binnenkort verandering in te brengen en op verzoek weefsels, bloedvaten en organen te kunnen maken.
3D bioprinting verwijst naar het gebruik van additieve fabricageprocessen om materialen, bekend als bioinks, te deponeren om weefselachtige structuren te creëren die op medisch gebied kunnen worden gebruikt. Tissue engineering verwijst naar de verschillende zich ontwikkelende technologieën, waaronder bioprinting, om vervangende weefsels en organen te kweken in het laboratorium voor gebruik bij de behandeling van letsel en ziekte.
Met behulp van zeer nauwkeurige 3D-printing hebben onderzoekers zoals Dr. Sam Pashneh-Tala van de Universiteit van Sheffield nieuwe mogelijkheden gebracht voor weefselmanipulatie.
Om de celgroei zo te sturen dat het gewenste weefsel wordt gevormd, kweekt Dr. Pashneh-Tala levende cellen op een steiger in het lab, die een sjabloon van de gewenste vorm, grootte en geometrie biedt. Er is bijvoorbeeld een buisvormige structuur nodig om een bloedvat te maken voor een cardiovasculaire patiënt. De cellen zullen zich vermenigvuldigen en de steiger bedekken, waarbij ze de vorm aannemen. De steiger breekt dan geleidelijk af, waardoor de levende cellen de vorm van het doelweefsel aannemen, dat wordt gekweekt in een bioreactor, een kamer die het zich ontwikkelende weefsel bevat en de interne omgeving van het lichaam kan reproduceren, om mechanische en biologische prestaties van organisch weefsel te verkrijgen.
Een 3D-geprinte bioreactorkamer met een weefselmanipulatie miniatuur aorta die binnenin groeit. Het weefsel wordt in de bioreactor gekweekt om de mechanische en biologische prestaties van organisch weefsel te verkrijgen.
Dit zal wetenschappers in staat stellen patiëntspecifieke vasculaire transplantaatontwerpen en verbeterde chirurgische opties te creëren en biedt een uniek testplatform voor nieuwe vasculaire medische hulpmiddelen voor mensen die lijden aan hart- en vaatziekten, die momenteel doodsoorzaak nummer één zijn in de wereld. Daarna is het uiteindelijke doel bloedvaten te creëren die klaar zijn om bij de patiënten te worden geïmplanteerd. Aangezien bij tissue engineering cellen worden gebruikt die afkomstig zijn van de patiënt die de behandeling nodig heeft, wordt de mogelijkheid van afstoting door het immuunsysteem geëlimineerd – een groot probleem bij de huidige conventionele orgaantransplantatieprocedures.
D3D-printen is in staat gebleken om te reageren op de uitdagingen van het produceren van synthetische bloedvaten door de moeilijkheden op te lossen van het nabootsen van de precieze vormen, maten en geometrieën van het benodigde bloedvat. De mogelijkheid om geprinte oplossingen nauwkeurig af te stemmen op de specifieke behoeften van patiënten is een openbaring gebleken.
In de woorden van Dr. Pashneh-Tala: ” biedt het potentieel voor verbeterde chirurgische opties en zelfs op de patiënt afgestemde bloedvatontwerpen. Zonder toegang tot hoge-precisie, betaalbare 3D-printing, zou het creëren van deze vormen niet mogelijk zijn.”
We hebben opwindende doorbraken gezien in biologische materialen die geschikt zijn voor gebruik in 3D-printers. Wetenschappers ontwikkelen nieuwe hydrogelmaterialen die dezelfde consistentie hebben als orgaanweefsel dat kan worden gevonden in de menselijke hersenen en longen en compatibel kan zijn met verschillende 3D-printprocessen. Wetenschappers hopen ze te kunnen implanteren op een orgaan, om te fungeren als ‘steiger’ waarop cellen zouden worden aangemoedigd om te groeien.
Terwijl het bioprinten van volledig functionele interne organen zoals harten, nieren en levers nog futuristisch klinkt, gaat de vooruitgang met hybride 3D-printtechnieken in een zeer snel tempo.
Vroeg of laat zal het bouwen van biologische materie in laboratoriumprinters naar verwachting leiden tot de mogelijkheid om nieuwe, volledig functionele 3D-geprinte organen te genereren. In april 2019 creëerden wetenschappers het eerste 3D-hart met behulp van de biologische materialen van een patiënt aan de universiteit van Tel Aviv. De minuscule replica werd gemaakt met behulp van de eigen biologische materialen van de patiënt, waardoor het immunologische, cellulaire, biochemische en anatomische profiel van de patiënt volledig overeenkomt.
“In dit stadium is ons 3D-hart klein, zo groot als het hart van een konijn, maar grotere menselijke harten vereisen dezelfde technologie,” zei professor Tal Dvir.
Het eerste 3D-bioprinted hart, gemaakt aan de Universiteit van Tel Aviv.
What’s Next for Medical 3D Printing?
Nauwkeurige en betaalbare 3D-printprocessen zoals desktop stereolithografie zorgen voor een betere toegang tot de technologie, bieden professionals in de gezondheidszorg de mogelijkheid om nieuwe klinische oplossingen te ontwikkelen en snel aangepaste apparaten te vervaardigen, en stellen artsen in staat om nieuwe behandelingen over de hele wereld te leveren.
Naarmate 3D-printtechnologieën en -materialen zich blijven verbeteren, zullen ze de weg vrijmaken voor gepersonaliseerde zorg en medische toepassingen met een grote impact.
Meer informatie over 3D-printen in de gezondheidszorg