Oren en neuzen uit 3D-printer nog niet in zicht

3D printers zijn voor enkele honderden euro’s verkrijgbaar voor consumenten, en je kunt op bestelling allerlei 3D-artikelen laten afdrukken. Adobe heeft sinds deze maand ondersteuning voor 3D printen standaard toegevoegd aan het populaire programma Photoshop, zodat je zelf thuis 3D ontwerpen kunt maken. Wat is de invloed van die ontwikkelingen op de zorg? Kun je daarmee op korte termijn een nieuw stel oren of een op maat gemaakte prothese bestellen?

Eigenlijk is het verhaal van Ernst Jan Bos, arts-onderzoeker aan het VUmc bij de afdeling plastische chirurgie, exemplarisch voor de grote belofte die veel mensen zien in 3D printen. Bos kwam vorig jaar uitgebreid in het landelijke nieuws met zijn project om een 3D-printer aan te schaffen waarmee, volgens de nieuwsitems, het mogelijk wordt om een missend oor te ‘printen’ voor brandwondenslachtoffers. In samenwerking met de Brandwondenstichting en het VUmc deed Bos een oproep op een crowdfundingplatform om geld in te zamelen om de printer in het ziekenhuis te krijgen.

De jonge arts-onderzoeker kwam niet alleen in het nieuws door het inzetten van crowd-funding platform Flintwave om die innovatie te financieren – een nog niet veel voorkomende methode in de zorgsector. De meeste buzz ontstond rondom de belofte om met de techniek van een 3D printer menselijk weefsel te printen, als een toekomstscenario voor plastische chirurgie en brandwondenslachtoffers. “Nieuwe oren dankzij crowdfunding”, kopte de nieuwsdienst van het VUmc.

Zo gemakkelijk is het niet, vertelt Ernst Jan Bos. “Mensen denken dat ik volgend jaar oren kan gaan printen voor brandwondenpatiënten, maar dat is niet zo. We doen onderzoek naar het printen van menselijk weefsel en de mogelijkheden die een 3D-printer biedt.” Bos geeft duidelijk aan: die 3D-printer is een middel, en niet de eindoplossing. Die is namelijk een stuk complexer, en ligt in het regenereren (aanmaken) van menselijk weefsel om te kunnen gebruiken in zo’n printer, ook wel bioprinting genoemd.

Complexe vormen

Een 3D-printer kan door het aanbrengen van hele dunne laagjes materiaal een complexe vorm maken, op basis van een computermodel. 3D printen is als techniek inmiddels gemeengoed geworden in een groeiend aantal sectoren. Vormen in metaal, kunststoffen en keramische materialen kunnen in drie dimensies worden geproduceerd. Boeing gebruikt bijvoorbeeld 3D-printers om onderdelen voor vliegtuigen te maken.

Een consumenten 3D-printer voor thuis (foto: Cube)

Door de mogelijkheid om met speciale kunststoffen complexe vormen te printen, waarbij grondstoffen smelten bij hoge temperatuur en laag voor laag worden geprint, krijg je een op maat gemaakte, unieke vorm. En dat betekent niets minder dan een revolutie in het productieproces, door niet langer afhankelijk te zijn van op grote schaal geproduceerde modellen of maten.

Rundercel wordt kraakbeen

Maar bioprinting en weefselregeneratie, het isoleren en aanmaken van menselijke cellen om te gebruiken voor protheses, nieuwe oren, of nieuw kraakbeen is een complexer vraagstuk – waar al decennia onderzoek naar wordt gedaan.

“Allereerst is het zaak om voldoende lichaamseigen cellen te isoleren voor regeneratie. Kraakbeencellen bijvoorbeeld zijn lastig om te vermenigvuldigen met behoud van hun kraakbeenvormende eigenschappen. Momenteel onderzoeken wij als alternatief het gebruik van stamcellen. Die cellen zodanig veilig manipuleren dat het weefsel van je keuze wordt, dat is het kernprobleem”, zegt Ernst Jan Bos.

Ernst Jan Bos, arts-onderzoeker VUmc (foto: Flintwave)

Wat ook moeilijk blijkt is het maken van een draagomgeving (zeg maar een steiger) waarbinnen de cellen kunnen groeien. Wanneer je die wil maken met een synthetisch materiaal, moet dat eerst worden gekeurd door de FDA of CE-markering dragen en geschikt zijn voor gebruik bij patiënten. In veel onderzoek naar weefselregeneratie worden nu dierlijke cellen gebruikt. En wanneer er met menselijke cellen bijvoorbeeld bloedvaten of een werkende lever worden gereproduceerd, blijven het weefsel slechts enkele uren in leven. Laat staan dat de 3D-bioprinter daar gebruik van kan maken.

Eerst oefenen

In het UMC Utrecht staan verschillende 3D-printers. "De 3D-printer wordt momenteel binnen de medische sector bijvoorbeeld ingezet om modellen te printen van ingewikkelde fracturen. Zo'n printer is een relatief simpel apparaat: voordat we studenten de meer dan een ton kostende bioprinter laten gebruiken, kunnen ze eerst hier mee oefenen”, vertelt Jos Malda, universitair hoofddocent

bij het UMC Utrecht (afdeling orthopedie). “In principe gaat het om hetzelfde idee, maar voor het bioprinten hebben we het printproces opnieuw moeten ontwerpen. Waar een 3D-printer met niet afbreekbare plastics en hoge temperaturen werkt, heb je bij een bioprinter o.a. te maken met een bepaalde omgeving waarin we de cellen kunnen aanzetten tot de vorming van een bepaald weefseltype. Daarnaast zijn de temperaturen van reguliere 3D-printers veel te hoog: cellen overleven dit niet."

En dus heb je een speciale printer, met specifieke (bio)materialen nodig als je weefsel wil printen. Malda doet met een team bij het UMC Utrecht onderzoek naar hydrogels – een soort gelatine – die gebruikt kunnen worden voor bioprinten. Cellen gemengd met hydrogels kunnen als zogenoemde bio-inkt fungeren, een bouwmateriaal voor 3D-printen. Malda onderzoekt hoe een mix van eiwitten, cellen en groeifactoren als bio-inkt kan worden gebruikt in een bioprinter.

Jos Malda, universitair hoofddocent UMC Utrecht (foto: Maartje ter Horst)

Hij merkt op: "Er gebeurt al veel op het gebied van regeneratieve geneeskunde. Je helpt het menselijk lichaam een handje om zichzelf te regenereren - dat doen we op dit moment bijvoorbeeld al met stamcel transplantaties, of door kraakbeendefecten in de knie met eigen cellen te repareren". 3D printen betekent een verdere impuls aan bestaande ontwikkelingen, maar wel op langere termijn.

Bioprinten voor de klinische praktijk staat eigenlijk nog in de kinderschoenen in Nederland. Malda: “Naast het optimaliseren van de techniek moet verder onderzocht worden in welke mate de organisatie van het weefsel kan worden nagebootst, en hoe cellen met elkaar interacteren. Vaak overleven cellen het printproces niet. Daarna komt het tweede aspect van de regeneratie van het aangetaste weefsel, dat is de slag die we willen slaan."

Onwetendheid

Het verbaast Bos soms dat er ook onder artsen nog redelijk wat onwetendheid bestaat over de beschikbaarheid van 3D printen. “Veel collega’s uit andere vakgebieden denken ook dat 3D printen van weefsel momenteel of in de nabije toekomst al mogelijk is. Specialisten binnen dit gebied weten dat we verder moeten kijken dat de ‘wow’-factor.”

Malda vult aan: "Vanuit het UMC Utrecht zijn we soms wat terughoudend in de berichtgeving. Je merkt inderdaad dat informatie snel wordt opgepakt en uit context wordt gehaald. Bioprinten staat niet volgende week in de kliniek: we doen onderzoek naar de techniek, en hebben daarnaast te maken met strenge wet- en regelgeving."

Een oor van collageen, dat gevuld kan worden met levende kraakbeencellen (foto: Lindsay France/Cornell University)

 3D tumor in beeld

Printen van levend materiaal staat dus nog in de kinderschoenen, maar er zijn al wel veel praktijkvoorbeelden te vinden van 3D-printers die werken met kunststoffen en metalen en gebruikt worden in de zorgsector. Hierbij maakt men op basis van beelden van een CT- of MRI-scan een driedimensionaal model dat uniek is voor een enkele patiënt.

Een van de voorwaarden voor 3D printen: je kunt pas in 3D printen als je een 3D computerbestand hebt. De techniek van beeldvorming is niet nieuw: de CT-scanner bestaat al ruim veertig jaar. Maar het omzetten van de 3D-beelden naar specifieke bestandsformaten om 3D te kunnen

printen, is een relatief nieuwe ontwikkeling. En met snellere processors en computers, verbeterde medische apparatuur en een verfijning van de printtechniek heeft 3D-printen en 3D-beeldvorming een vlucht genomen binnen de medische sector. En ook de bestaande technieken staan niet stil: met een snelle CT-scanner van GE Healthcare kan er binnen een kwart van een seconde een 3D beeld van je hart of hersenen gemaakt worden.

Juist die mogelijkheid om medische beeldgegevens, zoals MRI- en CT-scans om te zetten in een driedimensionaal ontwerp, heeft een grote potentie. Individueel geprinte metalen implantaten – bij kaak- en mondchirurgie – en kunststof hulpmiddelen worden nu al op beperkte schaal toegepast in ziekenhuizen. Of wat dacht je van een 3D-ontwerp van een tumor, zodat een chirurg een visueel hulpmiddel heeft tijdens een ingewikkelde operatie?

Foto: Flintwave

Bij mond- en kaakchirurgie kan met behulp van 3D visualisaties veel beter passende mallen worden ontworpen om in een kaak te zetten bij reconstructieve gezichtsoperaties en gebitsimplantaties. Het Radboudumc werkt bij de afdeling mond-, kaak- en aangezichtschirurgie met 3D-computervisualisaties om operaties vooraf voor te bereiden. Neem een onderkaakreconstructie, waarbij een chirurg een prothese moet aanbrengen: een stuk bot uit het kuitbeen dat in de onderkaak wordt aangebracht. Met 3D-beeldvorming bij de bottransplantatie is van tevoren bekend hoe groot het stuk bot is dat gebruikt gaat worden – de chirurg hoeft niet meer met een ‘timmermansoog’ in te schatten hoeveel kuitbeen er nodig is voor de reconstructie van een onderkaak. Dankzij 3D modellen resulteert dat in een beter functioneel en esthetisch eindresultaat, kortere operatietijd, en minder complicaties.

Maar er zijn ook voorbeelden bekend van een op maat gemaakte titanium onderkaak, die als implantaat in de mond wordt geplaatst bij een 83-jarige vrouw in 2012. En ook voor tandtechniek biedt 3D-printen een uitkomst: wat dacht je van een geprinte burg of kroon op basis van een scan van je mond? Vaarwel happen in gips voor een afdruk.

Malda noemt het voorbeeld van een geprinte mal, waarbij zaagblokken voor een bepaald type knieprothese worden gefabriceerd op basis van een scan van het gewricht. Een gespecialiseerd bedrijf levert aan het UMC Utrecht vervolgens een op maat geprinte prothese.

Ook voor beeldvorming vooraf en tijdens een operatie wordt 3D printen ingezet. Bijvoorbeeld bij een complexe chirurgische operatie om een tumor te verwijderen. Door de CT-scans waarop de tumor te zien is om te zetten in een 3D-model, is het mogelijk om een visueel model te hebben voordat de chirurg aan de operatie begint. Met zo’n geprint model, waarop de tumor met een andere kleur wordt weergegeven, kan een arts precies zien waar die loopt – en wat dus moet worden weggesneden.

Toekomstscenario

Kortom: de medische sector lift mee op de snelle technologische ontwikkelingen. Maar een geprint hart binnen tien jaar? Een nieuw oor binnen vijf jaar? De schattingen van experts lopen uiteen, maar dat we in deze eeuw 3D-geprinte levende cellen kunnen produceren, daar lijken de meesten van overtuigd. Al zit de echte uitdaging niet in de 3D-printer, maar in het gebruiken van levende menselijke cellen in die printer.