Ook in de medische sector vindt de driedimensionale printtechniek al vele toepassingsmogelijkheden. Van het maken van hulpstukken en prothesen tot het printen van ingewikkelde weefsels met menselijk celmateriaal. Met als ultieme uitdaging het uitprinten van organen. Komt de oplossing voor het donorprobleem in zicht?

De afdeling mond,- kaak- en aangezichtschirurgie van het Universitair Medisch Centrum St Radboud in Nijmegen (UMCN) loopt voorop op dit gebied. Thomas Maal en Rinaldo Vreeken hebben daar in 2006 het 3D-Lab opgericht, omdat zij veel perspectief zagen in medische toepassing van de innovatieve printtechniek. „We zien 3D-printen eigenlijk als een logisch vervolg op de beschikbare 3D-beeldvorming met onze camera’s, met MRI- en CT-scanners”, zegt beeldvormingsspecialist Maal.

Als voorbeeld noemt hij een patiënt met een forse tumor in de onderkaak. „We beginnen dan met CT-scans van de tumor in de onderkaak maar ook van het kuitbeen van de patiënt waaruit bot moet worden weggehaald. Die scans vormen de basis voor 3D-computervisualisatie van botstructuren, spieren, huid en bloedvaten. Op de computer maken we dan een plan voor de reconstructie van de onderkaak. We ontwerpen een 3D-mal voor het uitnemen van bot uit de onderkaak. En met een tweede mal, ook met een 3D-printer gemaakt, kunnen we nauwkeurig de benodigde zaagsneden in het kuitbeen aangeven. Het gebruikelijke timmermansoog hoeft er dan niet meer aan te pas te komen om de verschillende botdelen in de nieuwe onderkaak perfect in elkaar te laten passen.” Door het gebruik van deze mallen werkt de chirurg niet alleen preciezer maar ook sneller.

Tijdens de operatie laat de chirurg de gezaagde stukken kuitbot zo lang mogelijk op hun plaats, waar ze nog aangesloten blijven op het bloedvatenstelsel in het been voordat zij in de kaak worden gemonteerd en daar worden aangesloten op de bloedvaten. „Hierdoor is de kans op afsterving van het transplantaat aanmerkelijk kleiner en wordt de operatietijd met ongeveer twee uur bekort.”

Ook voor gebitsprotheses komt de nieuwe werkwijze van pas. Voor een goede verankering is het belangrijk dat de titanium schroeven waarop het kunstgebit wordt bevestigd door voldoende bot worden omgeven. Hiervoor dienen geprinte malletjes die de locaties voor de schroeven vooraf nauwkeurig aangeven. „De operatie wordt volledig op de computer voorbereid alvorens de boormalletjes worden uitgeprint.”

„Dat kunnen we ook doen voor de juiste plaatsing van oogprotheses en oorepitheses, een soort prothese die op de huid aansluit”, aldus collega Vreeken. „Het gezonde oor is via een 3D-scan gemakkelijk te spiegelen, en kan dan worden geprint met siliconen. Ook dit scheelt veel handwerk en levert erg mooie resultaten op.”

Een stap verder is het volledig 3D-printen van botimplantaten. Vorig jaar kreeg een 83-jarige vrouw in het ziekenhuis in Sittard-Geleen een nieuwe onderkaak van titanium die was gemaakt met een 3D-printer – een medische wereldprimeur. De methode werd ontwikkeld door onderzoeksinstituut Biomed van de Universiteit Hasselt, in samenwerking met het Orbis Medisch Centrum Sittard-Geleen en Xilloc Medical uit Maastricht. Doordat de volledige onderkaak als 3D-print al klaarlag, nam de operatie slechts enkele uren in beslag.

„Computertechnologie gaat een ware revolutie veroorzaken in de medische wereld. Maar we moeten er nog wel mee leren omgaan”, zegt Jules Poukens van Biomed. „In de toekomst zullen dokter en ingenieur samen aan de ontwerpcomputer en de operatietafel staan. Dat is echt vernieuwend.” Volgens hem zullen de zogeheten „patiëntspecifieke implantaten” in de toekomst steeds vaker worden gebruikt.

Maar een 3D-printer kan nog meer: laagsgewijs biologische weefsels bouwen. Met zogenaamde bioprinters, die cartridges met levende cellen bevatten, zijn al opmerkelijke successen geboekt, zoals de geprinte luchtpijp die Anthony Hollander van de universiteit van Bristol succesvol inbracht bij Claudia Castillo. Hierbij werden haar eigen stamcellen gebruikt. In een medisch centrum in North Carolina kregen zeven patiënten een geprinte kunstblaas, voorzien van hun eigen opgekweekte cellen.

Lothar Koch van het Laser Center Hannover was in staat om met LIFT-lasertechnologie lagen huidweefsel te printen.

De Amerikaan James Yoo wil dat zelfs direct in brandwonden uitvoeren. Een bioprinter met ingebouwde laserscanner maakt daartoe eerst een 3D-beeld van de wond, waardoor het mogelijk is om te bepalen hoeveel lagen huidcellen er nodig zijn om de wond volledig op te vullen.

Onderzoekers van het UMC Utrecht kregen onlangs van de Europese Unie 2 miljoen euro subsidie om kraakbeenimplantaten te maken met een 3D-printer. Het doel is gewrichtsschade, in bijvoorbeeld knieën, te herstellen. Jos Malda van de afdeling orthopedie van het UMC: „We printen driedimensionale implantaten met levende cellen die de structuur van echt kraakbeen nabootsen. We hopen dat op deze manier het kraakbeen beter herstelt dan met bestaande behandelingen.”

Problemen bij het printen van levende weefsels zijn talrijk. Zo is het aanbrengen van een structuur die doorbloeding mogelijk maakt, onontbeerlijk. Onderzoekers van de universiteit van Pennsylvania programmeerden de printer zodanig dat er in het weefsel een rooster van pijpjes van glucose werd aangebracht. Na voltooiing werd de glucose opgelost in water en bleef een gangenstel over voor de noodzakelijke doorbloeding. Projectleider Jordan Miller ontdekte daarbij dat geïnjecteerde menselijke bloedvatcellen hier spontaan nieuwe capillaire vertakkingen doen ontstaan, zoals er van nature bloedvaten in het lichaam groeien. Overigens werd het printen van bloedvaten in 2010 al succesvol uitgevoerd met de NovoGen MMX-bioprinter van Organovo. Volgens directeur Craig Kent was dit de eerste keer dat er aders werden geprint met cellen die uitsluitend van de betrokken persoon afkomstig waren.

Een aanzienlijk grotere wetenschappelijke uitdaging dan het printen van weefsels is het bouwen van complete organen. Een succesje boekte Gabor Forgacs van de universiteit van Missouri al in 2008 met geprint hartweefsel dat als een echt hart begon te kloppen.

Wanneer belangrijke organen als hart en lever met 3D-bioprinters kunnen worden gefabriceerd, zou dat de oplossing kunnen zijn voor het tekort aan transplantatieorganen. De toekomst zal leren of die verwachting realistisch is.