IA Washington Karin Louzada, meer informatie:
[email protected] of www.rvo.nl/ia‐netwerk
3D‐printen van medische implantaten en protheses Een aantal recente verhalen in de Amerikaanse media laat zien dat sommige 3D geprinte medische implantaten en protheses nu al levensreddend worden toegepast. 3D printers maken op‐maat gemaakte medische implantaten en protheses mogelijk. Deze technologie is vaak goedkoper dan conventionele prothese technologieën. De kosten van de ruwe materialen zijn laag en het is mogelijk om een ongelimiteerd aantal ontwerpen in korte tijd te maken en aan te passen. Dit biedt vooral aantrekkelijke oplossingen voor kinderen in de groei, voor wie conventionele implantaten kostbaar zijn omdat ze maar een korte tijd passen. Hieronder vier voorbeelden van 3D geprinte toepassingen in de geneeskunde in de VS. Spalkjes voor kinderen met een te zwakke luchtpijp Een recent verhaal gaat over een jongetje, geboren met een ernstig verzwakte luchtpijp (tracheobronchomalacia), bij wie de kleinste stress of veslikking ervoor kon zorgen dat de luchtpijp inklapt en de luchttoevoer afsluit. Het jongetje had dagelijks met verstikkingen te maken, waardoor het in de 18 maanden sinds zijn geboorte nog niet uit het ziekenhuis en van de beademing af is geweest. Chirurgen van C.S. Mott Children’s Hospital (University of Michigan) plaatsten twee op‐maat gemaakte spalkjes om de luchtpijp van het jongetje. De spalkjes zijn gemaakt van een biologisch afbreekbaar materiaal (het biopolymeer polycaprolacton). Ze zijn zodanig ontworpen dat ze kunnen uitzetten terwijl het kind groeit. Na verloop van tijd (ongeveer drie jaar) zullen de spalkjes oplossen, wanneer de luchtpijp voldoende zou moeten zijn aangesterkt.
Een 3D model van de luchtpijp en de exacte kopieën van de twee spalkjes die eromheen werden geplaatst. [Bron: Juliet Fuller/University of Michigan Health System]
Het was de tweede keer dat deze behandeling met succes is toegepast op een kindje met ademhalingsproblemen. De eerste keer was in februari 2012. De spalkjes zijn ontwikkeld aan de University of Michigan door dr Glenn Green (associate professor of pediatric otolaryngology) en Scott Hollister, Ph.D. (professor of biomedical engineering and mechanical engineering and associate professor of surgery at U‐M). Eerst werd er een hoge resolutie CT scan gemaakt van de luchtpijp, waarvan een 3D computer model werd gemaakt. Met een hoge resolutie 3D‐printer werden daarna de spalkjes gemaakt. Uit voorzorg waren er twee exacte kopieën gemaakt, voor het geval dat één 1
van de twee sets tijdens de operatie zou beschadigen of besmet zou raken (bijvoorbeeld door op de grond te vallen).
Het operatieteam van dr. Richard G. Ohye (head of pediatric cardiovascular surgery) en dr. Green moesten een spoed‐goedkeuring van de Food and Drug Administration krijgen om de spalkjes te mogen plaatsen. Het kind verkeerde op dat moment in kritieke toestand. Een van zijn longen was ingeklapt en wit van kleur en zijn darmen werkten niet meer door de hoge druk van de beademingsapparatuur. Enkele weken na de operatie gaat het goed met het jongetje en bereidt zijn familie zich voor op zijn thuiskomst in Utah verwacht over enkele maanden. Ondanks twee keer succes van deze levensreddende behandeling, benadrukt dr. Green dat er nog veel struikelblokken zijn in de brede toepassing van deze technologie. Het is gevaarlijk en kostbaar om kinderen met deze aandoening te vervoeren. Verzekeraars willen er daarom niet voor betalen. De aandoening is ook zeldzaam waardoor er nog veel data ontbreekt. Door een formele studie te starten wil hij proberen om meer kinderen met deze technologie te behandelen enhet leven te redden. Een videofilmpje over de operatie en additioneel materiaal is te bekijken op de websites van NPR en de Universiteit van Michigan.
http://www.npr.org/blogs/health/2014/03/17/289042381/doctors‐use‐3‐d‐printing‐to‐help‐ a‐baby‐breathe http://www.uofmhealth.org/news/archive/201403/baby%E2%80%99s‐life‐saved‐after‐3d‐ printed‐devices‐were‐implanted‐u http://www.mottchildren.org/news/archive/201305/baby%E2%80%99s‐life‐saved‐ groundbreaking‐3d‐printed‐device
Sensoren op dierenharten Ander onderzoek richt zich op het maken van exacte 3D modellen van dierenharten, waarop sensoren van flexibel en rekbaar materiaal geplaatst werden. De sensoren waren vervolgens makkelijk te verwijderen en pasten precies op het oorspronkelijk dierenhart. Medische apparaten zoals pacemakers en defibrillatoren zijn meestal “one size fits all”. Door sensoren op maat te maken, kan veel nauwkeuriger informatie over het functioneren van het orgaan worden verzameld. Daarnaast wordt het mogelijk om steeds meer specifieke sensoren te integreren naar de behoefte van de patiënt. Bij de Washington University in St. Louis integreerde Igor Efimov (een cardiac physiologist en bioengineer) rekbare rasters van sensoren met zuurstof detectoren, spanningsmeters, elektroden en thermometers die perfect om een bepaald orgaan (in dit geval een hart) pasten. Hij werkt aan dit project samen met John Rogers van de University of Illinois at Urbana‐Champaign (een materiaalkundige die specialiseert in het maken van grote vellen van dunne, rekbare elektronica die de elektrische activiteit in weefsels meten) en Yonggang Huang (een mechanical engineer aan Northwestern University in Evanston, Illinois). Rogers heeft ook het bedrijf MC10 opgericht.
2
Een 3D model van een konijnen hart met rekbare sensoren aangebracht. [Bron: http://www.technologyreview.com/news/525221/heart‐implants‐3‐d‐printed‐to‐order/]
Een geïmplanteerde defibrillator bepaalt aan de hand van maar één of twee elektrodes geplaatst op het hart, of het nodig is om met behulp van een schok het hart in een normaal ritme te brengen. Met behulp van informatie van verschillende sensoren uit verschillende delen van het hart zou het mogelijk zijn om een beter “geïnformeerd” besluit te nemen over wanneer wel en niet te shocken en daarmee onnodige shoks te voorkomen. Daarnaast zouden verschillende sensoren kunnen helpen met diagnostiseren van verschillende problemen zoals een vroeg stadium geblokkeerde hartslagader, gebieden met te weinig zuurstof in het weefsel en een mogelijke hartaanval. Door de sensoren op een 3D‐model van een orgaan te plaatsen en daarna te coaten met een rekbare, FDA‐goedgekeurde polymeer, voorkomen de onderzoekers dat er kreukels ontstaan in de film wanneer het van het model af wordt gepeld en over het orgaan wordt geplaatst. De technologie is alleen nog maar getest op kloppende konijnenharten en alleen nog buiten het lichaam. De volgende stap is om te bewijzen dat de technologie ook werkt op levende dieren en mensen.
http://www.technologyreview.com/news/525221/heart‐implants‐3‐d‐printed‐to‐order/ http://www.technologyreview.com/demo/428944/making‐stretchable‐electronics/
Goedkope protheses voor kinderen Protheses aanmeten en afstellen voor kinderen gaat vaak lastig. Kinderen zitten niet graag stil voor metingen, willen de prothese soms niet gebruiken of raken ze kwijt. En kinderen groeien, waardoor een prothese een levensduur heeft van ongeveer zes maanden. Conventionele protheses kosten al gauw 10.000 dollar en het is het vaak niet waard om een prothese voor korte duur aan te schaffen (of met de verzekeraar hierover te onderhandelen). In de afgelopen jaren zijn 3D printers aanzienlijk goedkoper geworden, met name omdat er een aantal patenten zijn verlopen. John Hundley van technologiebedrijf Zero Point Frontiers in Cambridge, Massachusetts, wilde een meisje zonder vingers aan één hand helpen aan een betaalbare prothese die ze zelf kan aansturen.
3
Met behulp van een online design archief (Thingiverse) maakte een stagiair van het bedrijf een aantal prototypes met als doel om het design gratis beschikbaar te stellen aan anderen. Na een aantal pogingen was het gelukt om een prothese van een paar dollar aan het meisje beschikbaar te stellen. Het design kan makkelijk worden aanpast wanneer een kind groeit of voor andere ledematen of doeleinden, bijvoorbeeld een hand die een fietsstuur kan grijpen of kan helpen bij het zwemmen.
Zulke voorbeelden komen nu dagelijks voor. Zo maakte de middelbare scholier Mason Wilde in Kansas met behulp van de 3D printer van de lokale openbare bibliotheek een robotische hand voor een 9 jarige jongen uit de buurt. Dit voorbeeld toont aan dat particulieren steeds meer vertrouwd raken met deze technologie. Het geeft de mogelijkheid aan particulieren om zelf betrokken te zijn in het ontwerp en gebruik van zulke protheses.
Een jongen in Kansas met een robot hand die is geprint op de 3D printer van een lokale openbare biblioteek. [Bron: KCTV]
http://www.dailymail.co.uk/news/article‐2562310/Boy‐9‐born‐without‐fingers‐gets‐robotic‐ hand‐thanks‐internet‐plans‐librarys‐3D‐printer.html http://www.npr.org/2014/03/13/289836980/with‐3‐d‐printing‐affordable‐prosthetics‐are‐ in‐reach http://www.zeropointfrontiers.com/
3D printen van menselijks weefsels Organovo Holdings Inc. (San Diego, Californië) gebruikt 3D printers om levend weefsel te printen met het doel om uiteindelijk een volledig functionele lever te maken. Momenteel anticiperen cosmetica en farmaceutische bedrijven er al op dat ze 3D geprinte menselijke weefsels zullen gebruiken voor producttesten (een alternatief voor dierproeven). Organovo neemt zich voor om dit jaar nog stroken van leverweefsel te verkopen aan farmaceutische bedrijven zodat ze gebruikt kunnen worden voor toxiciteitsstudies van potentiële geneesmiddelen. In vijf tot tien jaar hoopt het bedrijf patiëntspecifieke weefsels te kunnen bieden voor het repareren van beschadigde of falende organen. Het lange‐termijn doel is om uiteindelijk volledige organen te maken..
4
http://www.pressherald.com/news/nationworld/Medical_uses_expand_for_human_tissue_ from_3‐D_printers_.html http://www.organovo.com/
Conclusies Er zijn al tal van voorbeelden van 3D geprinte toepassingen in de medische sector. Er is een grote behoefte aan betaalbare en patiëntspecifieke oplossingen voor protheses en implantaten. De verwachting is dat er in de komende jaren steeds meer van zulke voorbeelden zullen komen.
5
