De ontwikkeling van 3D-printers gaat razendsnel en dat is niet alleen goed nieuws voor de industrie, maar zeker ook voor de medische wereld. Op dit moment is het al mogelijk om modellen van bepaalde organen te printen. Of statische implantaten. De volgende stap is het printen van levende stukjes weefsel. Hoe ver staan we daar nog vanaf?
Vincent Abee, oprichter van het bedrijf Tridimensio, is de medische markt van het 3D-printen al volop aan het verkennen. “Op dit moment kunnen we modellen en protheses printen met kunststof, metaal of gipsachtig materiaal. Dat doen we op basis van scans in STL-formaat, dat is een soort PDF voor de 3D-printer.” De aanvragen lopen nog niet storm en dat komt volgens Abee omdat de zorg nogal conservatief is. Zorgverzekeraars zijn van mening dat de toepassingen van de 3D-printer nog in de kinderschoenen staan en willen daar daarom op dit moment nog niet voor vergoeden.
Voordelen voor de patiënt
Aan de hand van twee voorbeelden illustreert Abee welke rol de 3D-printer zou kunnen spelen in de medische wereld. “Een belangrijk werkgebied is denk ik de tandtechniek. Op basis van een scan van de mond zou je namelijk van alles kunnen printen; bruggen, kronen of bijvoorbeeld kleine kunststof kapjes die een vervanging zijn van de metale slotjes zoals we die nu kennen.” De oude methode van het ‘happen’, waarmee een afdruk van het gebit wordt gemaakt in gips, kan daarmee de prullenbak in.
Dankzij de 3D-printer zijn metale slotjes straks misschien wel verleden tijd.
Wikimedia Commons“Verder zou de 3D-printer een belangrijke rol kunnen spelen binnen de chirurgie”, gaat Abee verder. “Neem een botoperatie waarbij de chirurg een prothese moet aanbrengen. Nu moet de arts er, op het moment dat de patiënt al open ligt, voor zorgen dat de prothese precies past. Straks kan hij, op basis van een geprinte scan, vooraf bepalen hoe de prothese geplaatst moet worden. En dat werkt kostenbesparend. Omdat de chirurg al precies weet waar hij moet snijden, is de operatietijd veel korter. En bovendien blijft de wond veel kleiner. Allemaal voordelen voor de patiënt.”
Hoe ver de mogelijkheden van de 3D-printer op medisch gebied gaan reiken, vindt Abee moeilijk te zeggen. “Er zijn onderzoekers die proberen om bijvoorbeeld nieuwe hartkleppen te printen met behulp van menselijke cellen. Ik heb zelfs weleens iemand horen vertellen over een ‘gekke professor’ die beweerde dat we in de toekomst zo onder de printer kunnen gaan liggen op het moment dat we een nieuwe nier nodig hebben. Dat lijkt mij wel erg ver gaan, maar wie weet.”
Oren uit de printer
Arts-onderzoeker plastische chirurgie Ernst Jan Bos ziet het printen met levende cellen ook niet direct als eerste optie voor medische behandelingen. “Met een zogenaamde bioprinter is het wel mogelijk om laagjes cellen op elkaar te printen. Dan krijg je uiteindelijk het orgaan waar je naar zocht, maar vaak kent dit toch zijn beperkingen. Zo printten Duitse wetenschappers twee jaar geleden bloedvaten, die er in het laboratorium heel netjes uitzagen maar die in het lichaam gingen scheuren omdat zij niet bestand bleken tegen alle krachten die erop kwamen te staan. En in 2006 printte de Amerikaan Anthony Atala voor het eerst een menselijke blaas. Dat was toen groot nieuws, maar er is weinig aandacht geweest voor het feit dat veel van die geprinte blazen uiteindelijk geïnfecteerd zijn geraakt.”
Bos doet zelf onderzoek naar nieuwe behandelingen voor gezichtsreconstructie, bijvoorbeeld bij slachtoffers van brandwonden. Met behulp van de 3D-printer probeert hij voor deze patiënten nieuwe oren te maken. Dat betekent overigens niet dat er direct een compleet oor uit de printer rolt. Bos: “Wij gebruiken geen bioprinter omdat daar gewoon nog veel nadelen aanzitten. Misschien dat het in de toekomst een optie is, want de ontwikkelingen in het 3D-printen gaan razendsnel, maar op dit moment willen we een zo simpel mogelijk plan hebben dat we snel naar patiënten in de kliniek kunnen brengen.”
Plastic mal
“Op basis van een scan van het oor van een patiënt, maken we een mal van printbaar plastic. Het plastic dat we op dit moment gebruiken is oplosbaar in het lichaam en is door de Amerikaanse FDA (Food and Drug Administration, red.) al goedgekeurd voor bepaalde behandelingen bij patiënten. Zo’n geprinte mal vullen we vervolgens met een mengsel van gel en stamcellen. De stamcellen zijn afkomstig uit het lichaam van de patiënt zelf en moeten kraakbeen gaan vormen. De geprinte mal dient daarbij vooral om het nieuw gevormde kraakbeen stevigheid te geven en in de goede vorm te duwen.”
Op papier is dit dus een simpel plan, maar in de praktijk blijken er toch nog wel wat obstakels te zijn. “Zo is het bijvoorbeeld nog lastig om ervoor te zorgen dat het geprinte plastic precies op het juiste moment begint met oplossen”, legt Bos uit. “En bovendien blijkt het afbreekbare plastic toch een aantal afvalstoffen achter te laten die schadelijk kunnen zijn voor cellen.” Geen onoverkomelijke problemen, maar wel zaken om rekening mee te houden.
Deze geprinte plastic mal heeft precies de vorm van het oor van de patiënt.
Vrijgegeven in het publieke domeinBuitenkans
Binnen het VU Medisch Centrum, waar Bos werkzaam is, neemt het gebruik van de 3D-printer al een tijdje een sterke vlucht. “We hebben een groep specialisten die zich hiermee bezighoudt en die wordt steeds groter. Vooral voor artsen die werken aan weefseldefecten (zoals het vervangen van stukjes kraakbeen voor defecte knieën of het vervangen van een stukje van de schedel) is de 3D-printer een buitenkans.”
Dat merkt ook bio-engineer Jos Malda, die aan het UMC Utrecht onderzoek doet aan kraakbeen regeneratie. “Bij een kraakbeendefect is het op dit moment mogelijk om kanaaltjes door het beschadigde kraakbeen te boren die leiden naar onderliggend beenmerg dat stamcellen bevat”, legt hij uit. “De stamcellen kunnen door deze kanaaltjes migreren naar het beschadigde gebied en daar het defect tot op zekere hoogte herstellen. Een andere mogelijkheid is celtherapie, waarbij kraakbeencellen van de patiënt in het laboratorium worden vermenigvuldigd en vervolgens teruggeplaatst om het defect op te vullen. Het grote nadeel van deze behandelingen is dat je er de gelaagde organisatie, die kraakbeen normaal gesproken heeft, niet mee terugkrijgt.”
Met de 3D-printer is het juist uitstekend mogelijk om gelaagdheid aan te brengen. En daar maakt Malda in zijn onderzoek dankbaar gebruik van. Afgelopen januari startte hij met het onderzoeksproject HydroZONES. Doel van dit project is om een kraakbeenimplantaat te printen dat klaar is voor evaluatie in de mens. Malda: “We hebben goede hoop dat dit echt mogelijk is, maar we moeten ook een beetje oppassen voor de hype die er op dit moment om 3D-printen heen hangt. Een geprint implantaat kan op zich goed werken, maar het moet ook goed werken in het weefsel waarin het wordt getransplanteerd. Met andere woorden; er moet een goede communicatie zijn tussen het implantaat en het omliggende weefsel.”
Printen met levende cellen
Malda wil zijn implantaat printen met levende cellen, maar krijgt daardoor wel te maken met allerlei bijzondere randvoorwaarden. “Zo moeten de temperatuur en de zuurstofconcentratie in de 3D-printer bijvoorbeeld goed zijn, anders gaan de cellen gewoon dood”, legt hij uit. Het UMC Utrecht heeft zo’n zes jaar geleden een geavanceerde bioprinter aangeschaft. Daarmee is het op dit moment al mogelijk om laagjes cellen en 3D-constructen te printen. De uitdaging voor Malda en zijn collega’s is nu om dat in hoge resolutie te doen. Daarnaast wordt er hard gewerkt aan de ontwikkeling van bio-inkt. Zo’n inkt kan, naast cellen, bijvoorbeeld ook groeifactoren bevatten die ervoor zorgen dat de geprinte cellen zich ontwikkelen tot het weefsel dat zij uiteindelijk moeten worden.
In Utrecht wordt er momenteel geïnvesteerd in een nieuw instituut dat zich volledig richt op regeneratieve geneeskunde. Het 3D-printen krijgt daarbinnen een eigen faciliteit. Zo komen alle printers die nu op verschillende locaties staan in 2015 bij elkaar op één toegewijde locatie. Dat moet het onderzoek een belangrijke stap vooruit gaan helpen.
Consumentenprinters
Ook voor consumenten komen 3D-printers steeds meer binnen handbereik. Voor een paar duizend euro kun je nu al zo’n printer kopen. Maar kun je daar straks ook levend weefsel mee printen? Malda denkt van niet. “Deze relatief goedkope printers zijn geschikt voor het printen van plastics. Ze bevatten een warmte-element dat het plastic verwarmt tot zo’n tweehonderd graden, waardoor het smelt. Cellen overleven dat natuurlijk niet. Bovendien is voor het maken van stukjes weefsel een zeer steriele omgeving nodig. Dat gaat thuis nooit lukken.”
http://www.youtube.com/watch?v=D2YFI-zXY8Y
Animatie van het gebruik van een 3D-printer bij het behandelen van een kraakbeendefect (UMC Utrecht).