Additive Manufacturing in de geneeskunde - Hoe 3D-printen levens kan redden

Bijna geen enkele wetenschap in de geschiedenis van de mensheid heeft zo'n gestage vooruitgang geboekt als de geneeskunde. Van aderlating als universele remedie en krankzinnige therapeutische benaderingen zoals 30 uur in een rottende walvis zitten om reuma te genezen (dit is geen grap!), de ijzeren long en het bijna inflatoire voorschrift van methamfetamines, tot de huidige tijd, wanneer zeer complexe hersenoperaties en harttransplantaties kunnen worden uitgevoerd.

Implantaten

Hoge kosten en lange wachttijden - de problemen van implantaten

Implantaten, van welke soort dan ook, zijn duur. Zelfs uniforme implantaten kunnen duizenden euro's kosten om te vervaardigen. Wanneer er implantaten nodig zijn, lopen de kosten snel op.

Naast de kosten zijn er soms lange wachttijden. Terwijl standaardimplantaten nog steeds snel verkrijgbaar zijn, zijn voor individuele implantaten wachttijden van enkele weken tot enkele maanden voorzien.

Voor veel patiënten gaan deze wachttijden gepaard met veel pijn. In noodsituaties worden dan vaak tijdelijke implantaten gebruikt om de wachttijd over te slaan - maar in het ergste geval kan dit leiden tot complicaties en dus nog meer pijn voor de patiënt.

Hoe Additive Manufacturing deze problemen kan oplossen

Additive Manufacturing biedt een oplossing voor deze problemen. Implantaten kunnen zo veel sneller en goedkoper worden vervaardigd. Deze productie kan ook rechtstreeks naar ziekenhuizen worden verplaatst om lange levertijden te voorkomen. Hierdoor kunnen spoedoperaties met precies passende implantaten veel sneller worden uitgevoerd, wat het leven van patiënten kan redden.

Titanium wordt het meest gebruikt voor implantaten. Dit metaal biedt uitstekende sterkte, duurzaamheid en biocompatibiliteit. Maar daarnaast zijn er dankzij het brede scala aan materialen nog vele andere materialen waaruit implantaten kunnen worden gemaakt. PEEK en siliconen kunnen nu bijvoorbeeld ook gebruikt worden om implantaten te vervaardigen.

3D-printen is geschikt voor een groot aantal verschillende implantaten. Tanden, kniegewrichten, kruisbanden en delen van het bekkenbeen en borstbeen behoren inmiddels tot de standaard toepassingen voor Additive Manufacturing op het gebied van implantaten.

Daarnaast zijn kaak- en zelfs schedelimplantaten nu mogelijk met behulp van Additive Manufacturing. Slechts een paar maanden geleden werd bijvoorbeeld met succes een PEEK-schedelimplantaat getransplanteerd bij een patiënt in het academisch ziekenhuis van Salzburg.

3D-geprinte implantaten creëren ook nieuwe kansen voor de dierenwereld. Van prothesepoten voor honden tot een nieuwe snavel voor papegaaien, Additive Manufacturing opent ook nieuwe mogelijkheden in de diergeneeskunde.

Meer toepassingen en materialen - Wat de toekomst brengt

Implantaten 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 tandheelkundige implantaten gestegen met bijna 30%. Maar ook het aantal patiënten met knieimplantaten neemt gestaag toe.

De snelle en kosteneffectieve productie van alle soorten implantaten zal daarom in de toekomst steeds belangrijker worden. Tegelijkertijd zal Additive Manufacturing zich blijven ontwikkelen om de geneeskunde van meer materialen, meer doeleinden en meer mogelijkheden te voorzien.

Een ontwikkeling waar ik me in het bijzonder op wil richten is onderzoek naar materialen met antimicrobiële, dus infectiebestrijdende, eigenschappen voor Additive Manufacturing. Onderzoekers van de Universiteit van Bath in het Verenigd Koninkrijk, in samenwerking met Ulster University, hebben begin april een persbericht uitgegeven met hun laatste bevindingen over dit onderzoek.

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

Een dergelijk antimicrobieel materiaal kan het risico op infectie drastisch verminderen, zowel de behandeltijd als de kosten verminderen door de noodzaak van dure vervolgoperaties als gevolg van infectie te verminderen en het comfort van de patiënt te vergroten.

Naast het verminderen van kosten en tijd, verhoogt Additive Manufacturing ook de patiëntveiligheid. Maar niet alleen op het gebied van antimicrobieel materiaal. Een belangrijk aspect van patiëntveiligheid is de voorbereiding van chirurgen op een operatie. Ook hier kan Additive Manufacturing helpen.

Operatie voorbereiding

Kleine foutjes met ingrijpende gevolgen

De derde belangrijkste doodsoorzaak in de Verenigde Staten zijn medische fouten. Hoe geavanceerd de technologie ook mag zijn, totdat operaties volledig door robots worden overgenomen, zullen er altijd menselijke fouten in de geneeskunde zijn die patiënten het leven kosten.

Bij een operatie zijn er geen grote fouten; het enige dat nodig is, is een klein moment van onoplettendheid of een onvoorziene bloeding om een levensbedreigende complicatie te veroorzaken.

Natuurlijk kan 3D-printen het foutenpercentage niet op magische wijze op nul zetten. Het kan er nooit voor zorgen dat alle artsen te allen tijde op alle mogelijke moeilijkheden voorbereid zijn. Maar Additive Manufacturing kan de voorbereiding en zelfs training van chirurgen eenvoudiger en realistischer maken.

Meer realiteit in de praktijk betekent minder fouten in de praktijk

Met 3D-printen kunnen chirurgische modellen met hoge snelheid en precisie worden geproduceerd. De verhoogde snelheid helpt chirurgen meer tijd te geven om zich voor te bereiden, terwijl de verhoogde precisie de voorbereiding realistischer maakt, fouten vermindert en chirurgen in staat stelt sneller te anticiperen op het onverwachte.

In veel gevallen kunnen deze chirurgische modellen zelfs direct worden aangepast aan de eigen kenmerken van de patiënt. De grootte, vorm, gewicht en vele andere factoren van deze modellen, of het nu gaat om organen, gewrichten of botten, kunnen worden gereproduceerd als een digitaal model op basis van CT-scans en vervolgens worden afgedrukt op een 3D-printer.

Realistische modellen helpen echter niet alleen chirurgen die al werk verrichten, ook chirurgen in hun studie hebben er baat bij. Tot nu toe gebruikten studenten vooral organen, gewrichten, botten etc. van overleden patiënten, maar die waren erg duur en moeilijk verkrijgbaar. 3D-printen maakt de snelle, nauwkeurige en kosteneffectieve replicatie van al deze oefenmodellen mogelijk om studenten een realistische studie-ervaring te blijven bieden, maar zonder de grote kosten die er voorheen mee gepaard gingen.

Last but not least helpen deze modellen ook patiënten en familieleden voor de operatie. Met behulp van deze modellen kunnen chirurgen hun patiënten in detail laten zien hoe de operatie verloopt, welke problemen zich kunnen voordoen en hoe deze problemen kunnen worden overwonnen. Voor sommige patiënten en familieleden kan deze demonstratie voorafgaand aan de operatie hen gemoedsrust geven.

Meer details en subtiliteiten - Wat de toekomst in petto heeft

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

Voor chirurgen, zowel praktiserend als ambitieus, betekent dit een hoger detailniveau met minutieuze subtiliteiten voor oefening en voorbereiding. En hoe dichter het praktijkmodel bij de werkelijkheid staat, hoe groter de kans dat fouten worden voorkomen.

Tegenwoordig gebruiken veel klinieken en ziekenhuizen al 3D-printen om zich voor te bereiden op een operatie. Van het academisch ziekenhuis van Leipzig tot het Hôpital Marie-Lannelongue in de buurt van Parijs tot het kinderziekenhuis van Seattle, 3D-printen helpt nu al veel chirurgen over de hele wereld.

Na verloop van tijd zal deze technologie wijdverspreider worden, waardoor nog meer chirurgen hun operaties kunnen voorbereiden op realistische modellen, waardoor wereldwijd patiëntenlevens worden gered.

Misschien, hopelijk, zal Additive Manufacturing er zelfs in slagen om de statistieken van doodsoorzaken drastisch te veranderen door medische fouten massaal te verminderen. Ik kan het niet voorspellen, maar het lijdt geen twijfel dat het mogelijk is.

Medische instrumenten

Levensreddend en duur

Medische instrumenten zijn onmisbaar in elk ziekenhuis. Scalpels, boorsjablonen, oprolmechanismen, curettes en alle andere wonderbaarlijke apparaten die chirurgische ingrepen mogelijk maken.

Deze instrumenten worden meestal in zeer kleine aantallen geproduceerd. Dit komt vooral door de verschillende dimensies waarin al deze instrumenten nodig zijn. Door dit lage productieaantal zijn de instrumenten vaak relatief duur. Een enkele oprolmechanisme kan bijvoorbeeld meer dan 15 euro kosten. En door de vele verschillende afmetingen zijn er in totaal nog veel individuele instrumenten nodig, wat de kosten vermenigvuldigt.

Naast de kosten kan beschikbaarheid ook een probleem worden. Tijdens de Corona-pandemie waren er enkele tekorten aan medische instrumenten omdat het grootste deel van hun productie werd uitbesteed aan Azië, en ontwikkelingslanden hebben een tekort aan medische instrumenten, zelfs wanneer er gèèn wereldwijde pandemie is.

Additive Manufacturing kan geen van beide problemen in de lucht laten verdwijnen, maar het kan ze wel helpen verminderen!

Meer individuele instrumenten maken nauwkeuriger werken mogelijk

Voordat we ingaan op kosten en beschikbaarheid, wil ik nog een ander groot voordeel van Additive Manufacturing voor medische instrumenten onder de aandacht brengen: meer maatwerk.

Additive Manufacturing maakt nieuwe geometrieën mogelijk die met conventionele productie onmogelijk zouden zijn. Hierdoor kunnen bepaalde instrumenten worden verfijnd, andere instrumenten worden samengevoegd en bijna alle instrumenten kunnen worden aangepast aan de arts en de patiënt. Hierdoor krijgen artsen en chirurgen meer mogelijkheden om hun instrumenten perfect aan te passen aan de omstandigheden zonder dat dit enorme extra kosten met zich meebrengt.

De kosten van medische instrumenten, of ze nu op maat of universeel zijn, kunnen enorm worden verlaagd door Additive Manufacturing. In een 3D-printer kunnen in één printproces meerdere verschillende componenten worden geproduceerd, dus ook verschillende afmetingen uit hetzelfde instrument. Dit vermindert niet alleen de kosten, maar ook de productietijd enorm.

Reducing manufacturing time is also important to increase availability. Thus, in the event of possible bottlenecks, the required instruments can simply be manufactured in-house, which also saves storage capacity.

Het verkorten van de productietijd is ook belangrijk om de beschikbaarheid te vergroten. Zo kunnen bij eventuele knelpunten de benodigde instrumenten eenvoudig in eigen huis worden vervaardigd, wat ook weer bespaart op opslagcapaciteit.

Snellere reacties en complexere instrumenten - wat de toekomst in petto heeft

Ook al lijkt de Corona-pandemie inmiddels verleden tijd, we mogen onze lessen hieruit niet vergeten. Een van de belangrijkste lessen is ongetwijfeld dat de productie in noodsituaties zo snel mogelijk moet kunnen reageren!

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

Additive Manufacturing kan zeer effectief zijn om herhaling van dergelijke situaties in de toekomst te voorkomen. Zelfs in de Corona-dagen werden teststaafjes en maskers vervaardigd met behulp van Additive Manufacturing om leveringstekorten te compenseren.

In die 3 jaar is 3D-printen enorm toegenomen, mede door de pandemie. Veel meer medische instellingen gebruiken nu een 3D-printer om hun productie van medische instrumenten te ondersteunen.

Dit toenemende gebruik betekent dat Additive Manufacturing veel meer hulp kan bieden in noodsituaties om knelpunten in de bevoorrading te omzeilen. Het is natuurlijk beter om geen noodsituaties met bevoorradingsknelpunten te hebben, maar op dit moment loopt alles toch in de war, dus het is beter om een keer te vaak onnodig voorbereid te zijn dan achteraf spijt te krijgen van een gebrek aan voorbereiding. Vooral in de geneeskunde.

De steeds toenemende complexiteit van componenten die met 3D-printing kunnen worden geproduceerd, zal ook een grote rol spelen in de toekomst van medische instrumenten. Hierdoor kunnen door middel van Additive Manufacturing steeds meer verschillende soorten instrumenten geproduceerd worden. Ook de ontwikkeling van compleet nieuwe instrumenten door middel van Additive Manufacturing en hun grote ontwerpvrijheid zullen in de toekomst zeker een rol gaan spelen.

Waar veel onderzoekers en medische professionals hun aandacht echter veel meer op richten wat de toekomst betreft, is de productie van volledig functionele organen door middel van 3D-printen. Wat in sommige oren nog steeds als een verre toekomst klinkt, is lange tijd uitgebreid onderzocht en ontwikkeld, en de resultaten zijn werkelijk verbluffend.

Organen

8.500 wachten - 869 doneren

Volgens een persbericht van de Duitse Stichting voor Orgaantransplantatie (DSO) is het aantal orgaandonoren in 2022 gedaald. Waren het er in 2021 nog 933, in 2022 zijn dat er 64 minder. Tegelijkertijd wachten zo'n 8.500 mensen op een donororgaan dat in ieder geval hun leven kan verbeteren en in veel gevallen kan redden.

De tarieven voor orgaandonatie zijn veel te laag om iedereen in nood te helpen. Vorig jaar werden 2.695 mensen geholpen door de transplantatie van een of meer organen. In verhouding tot de aantallen op de wachtlijst uiteraard te weinig.

Er zijn verschillende redenen waarom mensen afzien van orgaandonatie. En zelfs als ze ervoor kiezen om dit te doen, zijn er veel vereisten waaraan moet worden voldaan voor orgaandonatie. De belangrijkste daarvan is dat de patiënt moet sterven op de intensive care-afdeling, omdat hij of zij aan de beademing moet blijven om de organen nog van zuurstof te kunnen voorzien.

Orgaandonaties zijn ook essentieel voor medisch onderzoek. Dergelijke organen kunnen worden gebruikt om tests uit te voeren voor medicijnen die het goedkeuringsproces voor effectieve genezing versnellen.

Donoren ontbreken, organen ontbreken. Helaas kan Additive Manufacturing niets doen aan de ontbrekende donoren - maar het kan wel iets doen aan de ontbrekende organen, in ieder geval in de toekomst.

Van sciencefiction tot realiteit

3D-geprinte organen klinken voor veel oren onwerkelijk, en waarschijnlijk terecht. Het hebben van een volledig functioneel orgaan geproduceerd door een machine lijkt het creatieve geesteskind van een sciencefictionauteur. Maar het onderzoek om het 3D-printen van organen mogelijk te maken, gaat met grote sprongen vooruit.

Boston University heeft bijvoorbeeld al een miniatuurreplica van een menselijk hart ontwikkeld die met behulp van Additive Manufacturing kan worden vervaardigd. Dit miniatuurhart, dat bekend staat als miniPUMP, bestaat uit menselijk hart en stamcellen en microscopisch kleine 3D-geprinte acrylonderdelen, en kan dankzij levend weefsel onafhankelijk kloppen. Net als een echt mensenhart!

In Brazilië werden volledig additief miniatuurreplica's van een lever geproduceerd. Volgens de onderzoekers zijn deze miniatuurorganen, gemaakt van menselijke bloedcellen, in staat om alle functies uit te voeren die de mens nodig heeft.

Er wordt ook actief onderzoek gedaan naar Additive Manufacturing van nieren. Zo werken het Amerikaanse bedrijf United Therapeutics en het in Israël gevestigde 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 nierfalendialyse kunnen besparen. In de tweede stap kan het volledige replica's van nieren mogelijk maken.

Lege wachtlijsten en beter onderzoek - wat de toekomst brengt

Onderzoek naar Additive Manufacturing van organen staat nog aan het begin van een lange reis. Het zal nog wel even duren voordat we het eerste volledig functionerende orgaan kunnen transplanteren.

Desalniettemin geven de reeds lopende projecten, waarvan er veel meer zijn dan ik heb opgesomd, hoop. Hoop de beschikbare organen te vermenigvuldigen om zowel medisch onderzoek als statistieken over orgaandonaties fundamenteel te veranderen.

Wanneer dat precies gaat gebeuren, staat echter nog in de sterren geschreven. Schattingen van wanneer dit doel kan worden bereikt lopen sterk uiteen. Van enkele jaren tot enkele decennia. Maar hoe lang het ook duurt, de hoop blijft.