Inhoud
- Geneeskunde transformeren met 3D-printers
- Hoe werkt een 3D-printer?
- Een oor maken
- Verschil tussen een mal en een steiger
- Potentiële voordelen van bedrukte oren
- Een onderkaak afdrukken
- Protheses en implanteerbare artikelen
- Meer voorbeelden
- Bioprinting met levende cellen: een mogelijke toekomst
- Orgaan- en weefselvervanging
- Enkele successen op het gebied van bioprinting
- Delen van het hart afdrukken
- Een hoornvlies creëren
- Voordelen van mini-orgels, organoïden of orgels op een chip
- Een structuur die de long nabootst
- Enkele uitdagingen voor bioprinting
- Referenties
Linda Crampton gaf jarenlang les in wetenschap en informatietechnologie aan middelbare scholieren. Ze leert graag over nieuwe technologie.
Geneeskunde transformeren met 3D-printers
3D-printen is een opwindend aspect van technologie dat veel nuttige toepassingen kent. Een fascinerende en potentieel zeer belangrijke toepassing van 3D-printers is het maken van materialen die in de geneeskunde kunnen worden gebruikt. Deze materialen omvatten implanteerbare medische apparaten, kunstmatige lichaamsdelen of protheses en op maat gemaakte medische instrumenten. Ze bevatten ook bedrukte stukjes levend menselijk weefsel en mini-organen. In de toekomst kunnen implanteerbare organen worden geprint.
3D-printers kunnen solide, driedimensionale objecten afdrukken op basis van een digitaal model dat is opgeslagen in het geheugen van een computer. Een veelgebruikt printmedium is vloeibaar plastic dat stolt na het printen, maar er zijn ook andere media beschikbaar. Deze omvatten poedervormig metaal en "inkten" die levende cellen bevatten.
Het vermogen van printers om materialen te produceren die compatibel zijn met het menselijk lichaam, verbetert snel. Sommige materialen worden al in de geneeskunde gebruikt, terwijl andere zich nog in de experimentele fase bevinden. Bij het onderzoek zijn veel onderzoekers betrokken. 3D-printen heeft het verleidelijke potentieel om medische behandelingen te transformeren.
Hoe werkt een 3D-printer?
De eerste stap bij het maken van een driedimensionaal object door een printer is om het object te ontwerpen. Dit gebeurt in een CAD-programma (Computer-Aided Design). Zodra het ontwerp is voltooid, maakt een ander programma instructies om het object in een reeks lagen te produceren. Dit tweede programma staat ook wel bekend als een slicing-programma of als slicersoftware, omdat het de CAD-code voor het hele object omzet in code voor een reeks plakjes of horizontale lagen. Het aantal lagen kan honderden of zelfs duizenden bedragen.
De printer maakt het object door lagen materiaal neer te leggen volgens de instructies van het snijprogramma, beginnend aan de onderkant van het object en naar boven toe te werken. Opeenvolgende lagen worden samengesmolten. Het proces wordt additive manufacturing genoemd.
Plastic filament wordt vaak gebruikt als medium voor 3D-printen, vooral in consumentgerichte printers. De printer smelt het filament en extrudeert vervolgens heet plastic door een mondstuk. Het mondstuk beweegt in alle dimensies terwijl het het vloeibare plastic vrijgeeft om een object te maken. De beweging van het mondstuk en de hoeveelheid plastic die wordt geëxtrudeerd, worden gecontroleerd door het snijprogramma. Het hete plastic stolt vrijwel onmiddellijk nadat het uit het mondstuk is losgelaten. Voor speciale doeleinden zijn andere soorten afdrukmedia verkrijgbaar.
Het deel van het oor dat zichtbaar is vanaf de buitenkant van het lichaam, staat bekend als de oorschelp of oorschelp. De rest van het oor bevindt zich in de schedel. De functie van de oorschelp is om geluidsgolven op te vangen en naar het volgende deel van het oor te sturen.
Een oor maken
In februari 2013 maakten wetenschappers van Cornell University in de Verenigde Staten bekend dat ze met behulp van 3D-printen een oorschelp hadden kunnen maken. De stappen die door de Cornell-wetenschappers werden gevolgd, waren als volgt.
- In een CAD-programma is een model van een oor gemaakt. De onderzoekers gebruikten foto's van echte oren als basis voor dit model.
- Het oormodel is geprint door een 3D-printer, waarbij plastic is gebruikt om een mal te maken met de vorm van het oor.
- Een hydrogel met een eiwit genaamd collageen werd in de mal geplaatst. Een hydrogel is een gel die water bevat.
- Chondrocyten (cellen die kraakbeen produceren) werden verkregen uit het oor van een koe en aan het collageen toegevoegd.
- Het collageenoor werd in een voedingsoplossing in een laboratoriumschaal geplaatst. Terwijl het oor in de oplossing zat, vervingen sommige chondrocyten het collageen.
- Het oor werd vervolgens onder de huid in de rug van een rat geïmplanteerd.
- Na drie maanden was het collageen in het oor volledig vervangen door kraakbeen en had het oor zijn vorm en onderscheid met de omringende rattencellen behouden.
Verschil tussen een mal en een steiger
Bij het hierboven beschreven proces van oorcreatie was het plastic oor een inerte vorm. Zijn enige functie was om de juiste vorm voor het oor te geven. Het collageenoor dat zich in de mal vormde, fungeerde als een steiger voor de chondrocyten. Bij tissue engineering is een scaffold een biocompatibel materiaal met een specifieke vorm waarop en waarin cellen groeien. De steiger heeft niet alleen de juiste vorm, maar heeft ook eigenschappen die de levensduur van de cellen ondersteunen.
Sinds het oorspronkelijke oorcreatieproces werd uitgevoerd, hebben de Cornell-onderzoekers een manier gevonden om een collageen-scaffold te printen met de juiste vorm die nodig is om een oor te maken, waardoor er geen plastic mal meer nodig is.
Potentiële voordelen van bedrukte oren
Oren gemaakt met behulp van printers kunnen nuttig zijn voor mensen die hun eigen oren hebben verloren door letsel of ziekte. Ze kunnen ook mensen helpen die zonder oren zijn geboren of die zich niet goed hebben ontwikkeld.
Op dit moment worden vervangende oren soms gemaakt van kraakbeen in de rib van een patiënt. Het verkrijgen van het kraakbeen is een onaangename ervaring voor de patiënt en kan de ribbe beschadigen. Bovendien ziet het resulterende oor er misschien niet erg natuurlijk uit. Oren zijn ook gemaakt van een kunstmatig materiaal, maar nogmaals, het resultaat is misschien niet helemaal bevredigend. Bedrukte oren hebben het potentieel om meer op natuurlijke oren te lijken en efficiënter te werken.
In maart 2013 meldde een bedrijf genaamd Oxford Performance Materials dat ze 75% van de schedel van een man hadden vervangen door een bedrukte polymeer schedel. 3D-printers worden ook gebruikt om medische hulpmiddelen te maken, zoals prothetische ledematen, gehoorapparaten en tandheelkundige implantaten.
Een onderkaak afdrukken
In februari 2012 meldden Nederlandse wetenschappers dat ze een kunstmatige onderkaak hadden gemaakt met een 3D-printer en deze in het gezicht van een 83-jarige vrouw hadden geïmplanteerd. De kaak was gemaakt van lagen van titaniummetaalpoeder, versmolten door hitte en was bedekt met een biokeramische coating. Biokeramische materialen zijn compatibel met menselijk weefsel.
De vrouw kreeg de kunstkaak omdat ze een chronische botontsteking had in haar eigen onderkaak. Artsen waren van mening dat traditionele operaties voor gezichtsreconstructie vanwege haar leeftijd te riskant waren voor de vrouw.
De kaak had gewrichten zodat hij kon worden bewogen, evenals holtes voor spieraanhechting en groeven voor bloedvaten en zenuwen. De vrouw kon een paar woorden zeggen zodra ze wakker werd uit de verdoving. De volgende dag kon ze slikken. Ze ging na vier dagen naar huis. Het was de bedoeling dat er op een later tijdstip een kunstgebit in de kaak zou worden geïmplanteerd.
Gedrukte structuren worden ook gebruikt bij medische opleidingen en bij pre-chirurgische planning. Een driedimensionaal model dat is gemaakt op basis van de medische scans van een patiënt, kan erg handig zijn voor chirurgen, omdat het de specifieke omstandigheden in het lichaam van de patiënt kan laten zien. Dit kan een complexe operatie vereenvoudigen.
Protheses en implanteerbare artikelen
De hierboven beschreven metalen kaak is een soort prothetisch of kunstmatig lichaamsdeel. De productie van protheses is een gebied waarin 3D-printers belangrijk worden. Sommige ziekenhuizen hebben nu hun eigen printers of werken samen met een medisch toeleveringsbedrijf dat een printer heeft.
Het maken van een prothese door middel van 3D-printen is vaak een sneller en goedkoper proces dan het maken van conventionele productiemethoden. Bovendien is het gemakkelijker om een aangepaste pasvorm voor een patiënt te creëren wanneer een apparaat specifiek voor die persoon is ontworpen en afgedrukt. Ziekenhuisscans kunnen worden gebruikt om op maat gemaakte apparaten te maken.
Vervangende ledematen worden tegenwoordig vaak 3D-geprint, althans in sommige delen van de wereld. Bedrukte armen en handen zijn vaak aanzienlijk goedkoper dan die met conventionele methoden. Een 3D-printbedrijf werkt samen met Walt Disney om kleurrijke en leuke prothetische handen voor kinderen te maken. Naast het creëren van een goedkoper product dat betaalbaarder is, beoogt het initiatief "kinderen te helpen hun protheses te zien als een bron van opwinding in plaats van schaamte of beperking".
Meer voorbeelden
- Eind 2015 werden met succes geprinte wervels bij een patiënt geplaatst. Patiënten hebben ook een geprint borstbeen en een ribbenkast gekregen.
- 3D-printen wordt gebruikt om verbeterde tandheelkundige implantaten te produceren.
- Vervangende heupgewrichten worden vaak geprint.
- Katheters die passen bij de specifieke grootte en vorm van een doorgang in het lichaam van een patiënt, kunnen binnenkort gebruikelijk zijn.
- 3D-printen is vaak betrokken bij de fabricage van hoortoestellen.
Bioprinting met levende cellen: een mogelijke toekomst
Afdrukken met levende cellen, of bioprinting, gebeurt tegenwoordig. Het is een delicaat proces. De cellen mogen niet te heet worden. Bij de meeste methoden voor 3D-printen zijn hoge temperaturen nodig, waardoor cellen zouden doden. Bovendien mag de dragervloeistof voor de cellen ze niet beschadigen. De vloeistof en de cellen die het bevat, staat bekend als een bio-inkt (of een bioink).
Orgaan- en weefselvervanging
De vervanging van beschadigde organen door organen gemaakt van 3D-printers zou een geweldige revolutie in de geneeskunde zijn. Op dit moment zijn er niet genoeg gedoneerde organen beschikbaar voor iedereen die ze nodig heeft.
Het plan is om cellen uit het eigen lichaam van een patiënt te halen om een orgaan af te drukken dat ze nodig hebben. Dit proces moet orgaanafstoting voorkomen. De cellen zouden waarschijnlijk stamcellen zijn, dit zijn niet-gespecialiseerde cellen die in staat zijn om andere celtypen te produceren als ze correct worden gestimuleerd. De verschillende celtypen zouden door de printer in de juiste volgorde worden gedeponeerd. Onderzoekers ontdekken dat in ieder geval sommige soorten menselijke cellen een verbazingwekkend vermogen hebben om zichzelf te organiseren wanneer ze worden afgezet, wat erg nuttig zou zijn bij het maken van een orgaan.
Een speciaal type 3D-printer, een bioprinter genaamd, wordt gebruikt om levend weefsel te maken. Bij een gebruikelijke methode om het weefsel te maken, wordt een hydrogel vanaf één printerkop geprint om een steiger te vormen. Kleine vloeistofdruppeltjes, die elk vele duizenden cellen bevatten, worden vanaf een andere printerkop op de steiger gedrukt. De druppels komen snel samen en de cellen worden aan elkaar gehecht. Wanneer de gewenste structuur is gevormd, wordt de hydrogelsteiger verwijderd.Het kan worden afgepeld of het kan worden weggespoeld als het in water oplosbaar is. Biologisch afbreekbare steigers kunnen ook worden gebruikt. Deze worden geleidelijk afgebroken in een levend lichaam.
In de geneeskunde is een transplantatie de overdracht van een orgaan of weefsel van een donor naar een ontvanger. Een implantaat is het inbrengen van een kunstmatig apparaat in het lichaam van de patiënt. 3D-bioprinting valt ergens tussen deze twee uitersten in. Zowel "transplantatie" als "implantaat" worden gebruikt wanneer wordt verwezen naar items die zijn geproduceerd door een bioprinter.
Enkele successen op het gebied van bioprinting
Niet-levende implantaten en protheses gemaakt door 3D-printers worden al bij mensen gebruikt. Het gebruik van implantaten met levende cellen vereist meer onderzoek, dat wordt uitgevoerd. Gehele orgels kunnen nog niet worden gemaakt door middel van 3D-printen, maar delen van orgels wel. Er zijn veel verschillende structuren afgedrukt, waaronder stukjes hartspier die kunnen kloppen, huidpleisters, segmenten van bloedvaten en kniekraakbeen. Deze zijn nog niet in mensen geïmplanteerd. In 2017 presenteerden wetenschappers echter een prototype van een printer die menselijke huid kan maken voor implantatie, en in 2018 hebben andere wetenschappers hoornvliezen geprint in een proces dat ooit kan worden gebruikt om schade aan de ogen te herstellen.
In 2016 werden enkele hoopvolle ontdekkingen gedaan. Een team van wetenschappers implanteerde drie soorten bioprintstructuren onder de huid van muizen. Deze omvatten een menselijke oorschelp ter grootte van een baby, een stuk spier en een stuk menselijk kaakbot. Bloedvaten uit de omgeving strekten zich uit in al deze structuren terwijl ze zich in de lichamen van de muizen bevonden. Dit was een spannende ontwikkeling, aangezien bloedtoevoer nodig is om weefsels in leven te houden. Het bloed transporteert voedingsstoffen naar levende weefsels en neemt hun afvalstoffen af.
Het was ook opwindend om op te merken dat de geïmplanteerde structuren in leven konden blijven totdat de bloedvaten zich hadden ontwikkeld. Deze prestatie werd bereikt door het bestaan van kleine poriën in de structuren waardoor voedingsstoffen erin konden binnendringen.
Delen van het hart afdrukken
Een hoornvlies creëren
Wetenschappers van de Universiteit van Newcastle in het VK hebben 3D-geprinte hoornvliezen gemaakt. Het hoornvlies is de doorzichtige, buitenste bedekking van onze ogen. Ernstige schade aan deze bekleding kan blindheid veroorzaken. Een hoornvliestransplantatie lost vaak het probleem op, maar er zijn niet genoeg hoornvliezen beschikbaar om iedereen te helpen die ze nodig heeft.
De wetenschappers haalden stamcellen uit een gezond menselijk hoornvlies. De cellen werden vervolgens in een gel van alginaat en collageen geplaatst. De gel beschermde de cellen terwijl ze door het enkele mondstuk van de printer gingen. Er waren minder dan tien minuten nodig om de gel en de cellen in de juiste vorm te printen. De vorm is verkregen door het oog van een persoon te scannen. (In een medische situatie zou het oog van de patiënt worden gescand.) Nadat het gel- en celmengsel was gedrukt, produceerden de stamcellen een compleet hoornvlies.
De hoornvliezen die door het drukproces zijn gemaakt, zijn nog niet in menselijke ogen geïmplanteerd. Het zal waarschijnlijk nog enige tijd duren voordat ze dat zijn. Ze hebben echter het potentieel om veel mensen te helpen.
Het stimuleren van stamcellen om de gespecialiseerde cellen te produceren die nodig zijn om op het juiste moment een specifiek deel van het menselijk lichaam te maken, is een uitdaging op zich. Het is echter een proces dat geweldige voordelen voor ons kan hebben.
Voordelen van mini-orgels, organoïden of orgels op een chip
Wetenschappers hebben mini-orgels kunnen maken door middel van 3D-printen (en op andere manieren). "Mini-organen" zijn miniatuurversies van organen, secties van organen of stukjes weefsel van specifieke organen. Naast de term mini-orgel worden ze met verschillende namen aangeduid. De gedrukte creaties bevatten misschien niet elk type structuur dat te vinden is in het orgel op ware grootte, maar het zijn goede benaderingen. Onderzoek wijst uit dat ze belangrijke toepassingen kunnen hebben, ook al zijn ze niet implanteerbaar.
Mini-orgels worden niet altijd geproduceerd uit cellen die door een willekeurige donor worden geleverd. In plaats daarvan worden ze vaak gemaakt uit de cellen van een persoon met een ziekte. Onderzoekers kunnen de effecten van medicijnen op het mini-orgel controleren. Als een medicijn nuttig en niet schadelijk blijkt te zijn, kan het aan de patiënt worden gegeven. Dit proces heeft verschillende voordelen. Een daarvan is dat een medicijn kan worden gebruikt dat waarschijnlijk gunstig is voor de specifieke versie van een ziekte van de patiënt en voor hun specifieke genoom, wat de kans op een succesvolle behandeling vergroot. Een andere is dat artsen mogelijk een ongebruikelijk of normaal duur medicijn voor een patiënt kunnen krijgen als ze kunnen aantonen dat het medicijn waarschijnlijk effectief is. Bovendien kan het testen van medicijnen op mini-orgels de behoefte aan proefdieren verminderen.
Een structuur die de long nabootst
In 2019 demonstreerden wetenschappers van Rice University en de University of Washington hun creatie van een mini-orgel dat een menselijke long in actie nabootst. De mini-long is gemaakt van een hydrogel. Het bevat een kleine longachtige structuur die met regelmatige tussenpozen met lucht wordt gevuld. Een netwerk van bloedvaten omgeeft de structuur.
Wanneer gestimuleerd, breiden de gesimuleerde long en zijn vaten ritmisch uit en samentrekken ze zonder te breken. De video laat zien hoe de structuur werkt. Hoewel de organoïde niet op ware grootte is en niet alle weefsels in een menselijke long nabootst, is zijn vermogen om te bewegen als een long een zeer belangrijke ontwikkeling.
Enkele uitdagingen voor bioprinting
Het creëren van een orgaan dat geschikt is voor implantatie is een moeilijke taak. Een orgaan is een complexe structuur die verschillende celtypen en weefsels bevat die in een specifiek patroon zijn gerangschikt. Bovendien ontvangen organen, terwijl ze zich tijdens de embryonale ontwikkeling ontwikkelen, chemische signalen waardoor hun fijne structuur en ingewikkeld gedrag zich goed kunnen ontwikkelen. Deze signalen ontbreken wanneer we proberen een orgel kunstmatig te creëren.
Sommige wetenschappers denken dat we in eerste instantie - en misschien nog wel enige tijd - implanteerbare structuren zullen printen die een enkele functie van een orgaan kunnen vervullen in plaats van al zijn functies. Deze eenvoudigere constructies kunnen erg handig zijn als ze een ernstig defect in het lichaam compenseren.
Hoewel het waarschijnlijk nog jaren zal duren voordat bioprint-organen beschikbaar zijn voor implantaten, kunnen we voor die tijd wellicht nieuwe voordelen van de technologie zien. Het tempo van het onderzoek lijkt toe te nemen. De toekomst van 3D-printen in relatie tot geneeskunde zou zowel interessant als opwindend moeten zijn.
Referenties
- Een kunstoor gemaakt door een 3D-printer en levende kraakbeencellen uit het Smithsonian Magazine.
- Transplantatiekaak gemaakt door een 3D-printer van de BBC (British Broadcasting Corporation)
- Kleurrijke 3D-geprinte handen van de American Society of Mechanical Engineers
- Bioprinter maakt op maat gemaakte, in het laboratorium gekweekte lichaamsdelen voor transplantatie van The Guardian
- Eerste 3D-geprinte menselijke hoornvlies van de nieuwsdienst EurekAlert
- 3D-printer maakt de kleinste menselijke lever ooit van New Scientist
- Mini 3D-geprinte organen bootsen het kloppende hart en de lever van New Scientist na
- Een orgaan dat de longen van Popular Mechanics nabootst
- Nieuwe 3D-printer maakt levensgroot oor-, spier- en botweefsel van levende cellen van Science Alert
- 3D-bioprinter om de menselijke huid af te drukken vanuit de nieuwe service van phys.org
Dit artikel is nauwkeurig en waar voor zover de auteur weet. De inhoud is alleen bedoeld voor informatieve of amusementsdoeleinden en vervangt geen persoonlijk advies of professioneel advies op zakelijk, financieel, juridisch of technisch gebied.
