Additieve productie in de geneeskunde – hoe 3D-printen levens kan redden

Weinig wetenschappen hebben in de geschiedenis van de mensheid zulke constante vooruitgangen geboekt als de geneeskunde. Van aderlating als algemeen erkend geneesmiddel en bizarre therapieën, zoals bijvoorbeeld 30 uur zitten in een rottende bos om reuma te genezen (dit is geen grap!), via de IJzeren Long en de bijna overdreven voor het voorschrijven van methamfetamine, tot de dag van vandaag, waarop hoog complexe hersenoperaties en harttransplantaties mogelijk zijn.

Deze vooruitgang is nog lang niet voorbij. Er blijven doorbraken plaatsvinden in de genezing van voorheen ongeneeslijke ziektes, zoals kanker en HIV, en nieuwe niet-invasieve chirurgische procedures die het risico voor de patiënt tijdens de operatie minimaliseren.

Additive manufacturing vindt steeds meer zijn plek in deze vooruitgang. Of het nu gaat om vooruitgang in de patiëntveiligheid en het welzijn van de patiënt, vooruitgang in de voorbereiding van operaties en het vereenvoudigen van operaties voor chirurgen, of vooruitgang in op maat gemaakte implantaten en organen – 3D-printen staat aan de frontlinie.

Additive manufacturing beperkt zich niet alleen tot een deelgebied van de geneeskunde. Tandheelkunde, neurochirurgie, diergeneeskunde en zelfs de forensische wetenschap maken tegenwoordig gebruik van 3D-printen en de voordelen ervan.

In deze blogpost wil ik de vele voordelen en toepassingsgebieden van 3D-printen binnen de geneeskunde belichten. Laten we dus zonder verdere omhaal beginnen met een van de grootste toepassingsgebieden.

Implantaten

Hoge kosten en lange wachttijden – de problemen van implantaten

Implantaten, ongeacht het type, zijn duur. Zelfs standaard implantaten kunnen duizenden euro's kosten om te produceren. Wanneer op maat gemaakte implantaten nodig zijn, stijgen de kosten snel.

Naast de kosten zijn er vaak lange wachttijden. Standaard implantaten zijn nog snel beschikbaar, maar voor op maat gemaakte implantaten worden wachttijden van enkele weken tot zelfs maanden ingepland.

Voor veel patiënten gaan deze wachttijden gepaard met grote pijn. In noodsituaties worden vaak standaard implantaten gebruikt om de wachttijd te omzeilen, maar dit kan in het ergste geval leiden tot complicaties en daarmee tot extra pijn voor de patiënt.

Hoe additive manufacturing deze problemen kan oplossen

Additive manufacturing biedt een oplossing voor deze problemen. Het maakt een veel snellere en goedkopere productie van implantaten mogelijk. Deze productie kan zelfs direct naar ziekenhuizen worden verplaatst om lange levertijden te vermijden. Hierdoor kunnen noodoperaties met op maat gemaakte implantaten veel sneller worden uitgevoerd, wat levens van patiënten kan redden.

Voor implantaten wordt meestal titanium gebruikt. Het metaal biedt uitstekende sterkte, duurzaamheid en biocompatibiliteit. Daarnaast zijn er dankzij de grote materiaalkeuze veel andere materialen waaruit implantaten vervaardigd kunnen worden. Zo kunnen tegenwoordig ook PEEK en siliconen worden gebruikt voor de productie van implantaten.

3D-printen is geschikt voor een breed scala aan verschillende implantaten. Tanden, kniegewrichten, kruisbanden, evenals delen van het bekken en borstbeen behoren inmiddels tot de standaardtoepassingen voor additive manufacturing op het gebied van implantaten.

Daarnaast zijn ook kaak- en zelfs schedelimplantaten mogelijk met behulp van additive manufacturing. Zo werd enkele maanden geleden in het Universitair Ziekenhuis Salzburg met succes een PEEK-schedelimplantaat bij een patiënt getransplanteerd.

Ook voor de dierenwereld biedt 3D-geprinte implantaten nieuwe mogelijkheden. Van beenprotheses voor honden tot een nieuwe snavel voor papegaaien – additive manufacturing opent ook nieuwe mogelijkheden in de veterinaire geneeskunde.

Meer toepassingen en materialen – Wat de toekomst biedt

Implanten worden steeds belangrijker. De gemiddelde leeftijd stijgt, mensen worden ouder, en daarmee ook hun botten, tanden en gewrichten. In de afgelopen 20 jaar is alleen al het aantal benodigde tandimplantaten gestegen van ongeveer 380.000 naar ongeveer 1,3 miljoen. In 2021 waren er in totaal 172.011 knieimplantaten in Duitse ziekenhuizen, en zelfs het aantal mensen onder de 60 jaar met knieimplantaten stijgt gestaag.

De snelle en kosteneffectieve productie van implantaten van allerlei soorten zal in de toekomst dus steeds belangrijker worden. Tegelijkertijd zal de additieve fabricage zich verder ontwikkelen om de geneeskunde meer materialen, meer doeleinden en meer mogelijkheden te bieden.

Een ontwikkeling die ik bijzonder onder de aandacht wil brengen, is het onderzoek naar materialen met antimicrobiële, dus infectiebestrijdende, eigenschappen voor de additieve fabricage. Onderzoekers van de Britse University of Bath, in samenwerking met de Ulster University, hebben begin april 2023 een persbericht gepubliceerd, waarin ze hun nieuwste resultaten van dit onderzoek presenteerden.

Kort samengevat: Het materiaal slaagt erin om, zelfs bij een hoge concentratie van agressieve E. coli-bacteriën, 70% van de bacteriën in slechts 15 minuten te doden.

Zo'n antimicrobieel materiaal kan het infectierisico drastisch verlagen, waardoor enerzijds de behandelingstijd en -kosten worden verminderd, omdat er minder ingrijpende vervolgoperaties nodig zijn vanwege infecties, en anderzijds het welzijn van de patiënt wordt verhoogd.

Naast het verlagen van kosten en tijd maakt de additieve fabricage dus ook een hogere patiëntveiligheid mogelijk. Maar niet alleen in verband met antimicrobiële materialen. Een belangrijk aspect van patiëntveiligheid is de voorbereiding van chirurgen op een operatie – en ook hier kan de additieve fabricage hulp bieden.

Chirurgische voorbereiding

Kleine fouten met drastische gevolgen

De op twee na grootste doodsoorzaak in de Verenigde Staten zijn medische fouten. Hoe ver de technologie ook gevorderd is, zolang operaties niet volledig door robots worden uitgevoerd, zullen er altijd menselijke fouten in de geneeskunde zijn die het leven van patiënten kosten.

Bij een operatie zijn geen grote uitglijders nodig; een klein moment van onoplettendheid of een onverwachte bloeding is al genoeg om een levensbedreigende complicatie te veroorzaken.

3D-printing kan de foutenmarge natuurlijk niet magisch naar nul brengen. Het kan nooit garanderen dat alle artsen op elk moment voorbereid zijn op alle mogelijke complicaties. Maar additive manufacturing kan de voorbereiding en zelfs de opleiding van chirurgen vergemakkelijken en realistischer maken.

Meer realiteit in de oefening betekent minder fouten in de praktijk.

Dank 3D-printing kunnen chirurgische modellen met hoge snelheid en precisie worden vervaardigd. De verhoogde snelheid helpt chirurgen meer tijd te geven voor voorbereiding, terwijl de verhoogde precisie de voorbereiding realistischer maakt, wat fouten vermindert en chirurgen de mogelijkheid biedt om onvoorziene zaken eerder te anticiperen.

Deze chirurgische modellen kunnen in veel gevallen zelfs direct worden aangepast aan de eigenheden van de patiënt. Grootte, vorm, gewicht en vele andere factoren van deze modellen, of het nu organen, gewrichten of botten zijn, kunnen op basis van CT-scans als digitaal model worden nagebouwd en vervolgens op een 3D-printer worden geprint.

Realistische modellen helpen echter niet alleen al werkende chirurgen – ook chirurgen in opleiding profiteren ervan. Tot nu toe werden voor studenten vooral organen, gewrichten, botten, etc. van overledenen gebruikt, die echter zeer duur en moeilijk te verkrijgen waren. 3D-printing maakt de snelle, precieze en kosteneffectieve replicatie van al deze oefenmodellen mogelijk, zodat studenten nog steeds een realistische opleiding kunnen volgen, maar zonder de torenhoge kosten die daar vroeger mee gepaard gingen.

Tot slot helpen deze modellen ook patiënten en hun families voor de operatie. Aan de hand van deze modellen kunnen chirurgen hun patiënten gedetailleerd laten zien hoe de operatie zal verlopen, welke problemen zich kunnen voordoen en hoe deze overwonnen kunnen worden. Voor sommige patiënten en familieleden kan deze visuele uitleg voor de operatie zekerheid bieden – al zouden anderen, zoals ik bijvoorbeeld, al flauwvallen bij het tonen van zo’n model.

Meer details en verfijningen – Wat de toekomst biedt

Additive manufacturing wordt steeds gedetailleerder, preciezer en sneller. Nieuwe technologieën worden ontwikkeld, nieuwe printers komen op de markt, nieuwe materialen worden geproduceerd – permanent.

Voor chirurgen, of ze nu in de praktijk werken of in opleiding zijn, betekent dit een hoger detailniveau met de kleinste verfijningen voor oefening en voorbereiding. Hoe dichter het oefenmodel bij de werkelijkheid ligt, hoe groter de kans om fouten te voorkomen.

Veel klinieken en ziekenhuizen maken nu al gebruik van 3D-printen voor operatievoorbereiding. Van het Universitätsklinikum Leipzig tot het Hôpital Marie-Lannelongue in de buurt van Parijs en het Seattle Children’s Hospital – 3D-printen helpt al veel chirurgen wereldwijd.

Na verloop van tijd zal deze technologie zich verder verspreiden en nog meer chirurgen de mogelijkheid geven om hun operaties voor te bereiden op realistische modellen, waardoor wereldwijd levens van patiënten gered kunnen worden.

Misschien, of liever gezegd hopelijk, zal additive manufacturing zelfs de statistieken van doodsoorzaken drastisch veranderen door medische fouten aanzienlijk te verminderen. Ik kan het niet voorspellen, maar het is zonder twijfel mogelijk.

Medische Instrumenten

Levensreddend en duur

Medische instrumenten zijn essentieel in elk ziekenhuis. Schalpels, boorsjablonen, wondhaken, curettes en allerlei andere wonderlijke apparaten die operaties mogelijk maken.

Deze instrumenten worden meestal in zeer kleine aantallen geproduceerd. Dit komt vooral door de verschillende maten waarin deze instrumenten nodig zijn. Door deze lage productieaantallen zijn de instrumenten vaak relatief duur – een enkel wondhaakje kan bijvoorbeeld meer dan 15 euro kosten – en door de vele verschillende maten zijn er toch veel afzonderlijke instrumenten nodig, wat de kosten vermenigvuldigt.

Naast de kosten kan ook de beschikbaarheid een probleem zijn. Tijdens de coronapandemie waren er tekorten aan medische instrumenten, omdat de productie ervan grotendeels naar Azië was verplaatst, en in ontwikkelingslanden ontbreken medische instrumenten zelfs zonder een wereldwijde pandemie.

Additive manufacturing kan beide problemen niet volledig oplossen – maar het kan helpen om ze te verminderen!

Individuelere instrumenten maken nauwkeuriger werk mogelijk

Voordat we ingaan op de kosten en beschikbaarheid, wil ik een ander enorm voordeel van de additive productie van medische instrumenten benadrukken – de verhoogde individualiteit.

Met additive productie worden nieuwe geometrieën mogelijk gemaakt die met conventionele productie onmogelijk zouden zijn. Dit maakt het mogelijk om bepaalde instrumenten te verfijnen, andere instrumenten te combineren en bijna alle instrumenten aan de arts en de patiënt aan te passen. Dit biedt artsen en chirurgen meer mogelijkheden om hun instrumenten perfect aan de omstandigheden aan te passen, zonder enorme meerkosten te veroorzaken.

De kosten van medische instrumenten, of ze nu individueel of universeel zijn, kunnen aanzienlijk worden verlaagd door additive productie. In een 3D-printer kunnen meerdere verschillende componenten in één drukproces worden geproduceerd, dus ook verschillende maten van hetzelfde instrument. Dit vermindert niet alleen de kosten, maar ook de tijd voor de productie enorm.

Het verkorten van de productietijd is ook belangrijk om de beschikbaarheid te verhogen. Zo kunnen bij mogelijke tekorten de benodigde instrumenten eenvoudig zelf worden geproduceerd, wat ook opslagcapaciteit bespaart.

Deze eigen productie kan ook ziekenhuizen in ontwikkelingslanden helpen. In plaats van lange wachttijden voor levering en zeer hoge cumulatieve kosten, is een eenmalige investering in een 3D-printersysteem voldoende om instrumenten snel, eenvoudig en goedkoop zelf te produceren.

Snellere reacties en complexere instrumenten – Wat de toekomst brengt

Hoewel de coronapandemie inmiddels achter ons lijkt te liggen, mogen we de lessen die we ervan hebben geleerd niet vergeten. Een van de belangrijkste lessen is zonder twijfel dat productie in noodsituaties de snelst mogelijke reactietijd vereist!

Maskers, teststaafjes, beschermingsmiddelen en nog veel meer waren van de ene op de andere dag schaars. Aangezien de productie van deze medische hulpmiddelen voor het grootste deel niet meer in Europa plaatsvindt, waren de wereldwijde reisbeperkingen, vooral aan het begin van de pandemie, verwoestend.

Additive manufacturing kan de herhaling van dergelijke situaties in de toekomst zeer effectief voorkomen. Al tijdens de coronatijd werden bijvoorbeeld teststaafjes en maskers met behulp van additive manufacturing geproduceerd om leveringsuitval te compenseren.

In deze 3 jaar, ja, het is inderdaad al zo lang geleden dat de coronapandemie begon, heeft 3D-printing zich, mede door de pandemie, sterk verspreid. Veel meer medische instellingen gebruiken inmiddels een 3D-printer om hun productie van medische instrumenten te ondersteunen.

Door deze brede verspreiding kan additive manufacturing in noodsituaties veel meer hulp bieden om leveringsproblemen te omzeilen. Natuurlijk zou het beter zijn om geen noodsituaties met leveringsproblemen te hebben – maar op dit moment gaat toch alles door elkaar, dus liever eenmaal te vaak onterecht voorbereid dan achteraf een gebrek aan voorbereiding te betreuren. Vooral in de geneeskunde.

Ook de steeds grotere complexiteit van componenten die met 3D-printing kunnen worden geproduceerd, zal in de toekomst een grote rol spelen in medische instrumenten. Daardoor kunnen steeds meer verschillende instrumenten door additive manufacturing worden vervaardigd. Ook de ontwikkeling van volledig nieuwe instrumenten door additive manufacturing en de grote ontwerpvrijheid die daarmee gepaard gaat, zal in de toekomst zeker een rol spelen.

Waar echter veel onderzoekers en artsen zich nog veel meer op richten in de toekomst, is de productie van volledig functionerende organen via 3D-printing. Wat voor sommigen nog steeds als verre toekomst klinkt, wordt al lange tijd uitgebreid onderzocht en ontwikkeld, en de resultaten zijn werkelijk verbazingwekkend.

Organen

8.200 wachten – 960 doneren

Volgens een artikel in het Oncology Journal is het aantal orgaandonoren in 2024 afgenomen. In 2023 waren het er nog 965, maar in 2024 waren het er 12 minder. Tegelijkertijd wachten ongeveer 8.260 mensen op een donororgaan, dat hun leven ten minste kan verbeteren, in veel gevallen zelfs redden.

De orgaandonorpercentages zijn veel te laag om iedereen die hulp nodig heeft te kunnen helpen. Vorig jaar konden 2.695 mensen geholpen worden door de transplantatie van een of meer organen. In verhouding tot de cijfers op de wachtlijst is dit blijkbaar te weinig.

Er zijn verschillende redenen waarom mensen zich tegen orgaandonatie kunnen verzetten. En zelfs als ze ervoor kiezen om donor te zijn, moeten er veel eisen worden voldaan voor de orgaandonatie – de belangrijkste is dat de patiënt op de intensive care moet sterven, omdat hij of zij verder beademd moet worden om de organen van zuurstof te voorzien.

Ook voor medisch onderzoek zijn orgaandonaties essentieel. Met dergelijke organen kunnen tests voor medicijnen worden uitgevoerd, die het goedkeuringsproces voor effectieve behandelingen versnellen.

Er ontbreken donoren, er ontbreken organen. Helaas kan de additieve productie niets doen tegen de ontbrekende donoren – tegen de ontbrekende organen wel, althans in de toekomst.

Van sciencefiction naar werkelijkheid

Het 3D-printen van organen klinkt voor velen surrealistisch – waarschijnlijk zelfs terecht. Een volledig functionerend orgaan machinaal laten maken lijkt op een creatieve ingeving van een sciencefictionauteur. Maar het onderzoek om het 3D-printen van organen werkelijkheid te maken, vordert in grote stappen.

Zo heeft de Boston University al een miniatuurweergave van een menselijk hart ontwikkeld, dat met behulp van additieve productie kan worden gemaakt. Dit miniatuurhart, bekend als miniPUMP, bestaat uit menselijke hart- en stamcellen en microscopisch kleine, 3D-geprinte acrylonderdelen. Dankzij het levende weefsel kan het zelfstandig kloppen – net als een echt menselijk hart.

In Brazilië zijn miniatuurweergaven van een lever volledig additief geproduceerd. Deze mini-organen, bestaande uit menselijke bloedcellen, kunnen volgens de onderzoekers alle functies vervullen die noodzakelijk zijn voor de mens.

Er wordt ook actief onderzoek gedaan naar de additieve productie van nieren. Zo werken het Amerikaanse bedrijf United Therapeutics en het Israëlische biotechnologiebedrijf CollPlant samen om door middel van 3D-printen perfecte reconstructies van nierweefsel mogelijk te maken. In de eerste stap zou dergelijk nierweefsel mensen met nierfalen dialyse kunnen besparen, in de tweede stap zou het volledige replica's van nieren kunnen mogelijk maken.

Lege wachtlijsten en beter onderzoek – Wat de toekomst biedt

Het onderzoek naar de additieve productie van organen bevindt zich nog aan het begin van een lange reis. Het zal nog enige tijd duren voordat we het eerste volledig functionerende orgaan kunnen transplantateren.

Desondanks geven de al bestaande projecten, waarvan er veel meer zijn dan ik heb opgenoemd, hoop. Hoop op het verviervoudigen van de beschikbare organen, om zowel het medische onderzoek als de orgaandonatiestatistieken fundamenteel te veranderen.

Wanneer precies het zover zal zijn, staat echter nog in de sterren. De schattingen over wanneer dit doel bereikt kan worden, variëren sterk. Van enkele jaren tot meerdere decennia. Maar hoe lang het ook mag duren – de hoop blijft.