3D‑printen van menselijke organen – Hoe realistisch is het?

De wereld van 3D‑printen breidt zich in een aanzienlijk snel tempo uit. Schattingen suggereren dat de wereldwijde marktgrootte van 3D‑printen—producten en diensten—drie keer zal groeien tussen 2020 en 2026. Met een waarde van US$12,6 billion in 2020, zou de markt tegen 2026 kunnen groeien tot meer dan US$37 billion.

De toename in de markt van toepassingen wordt sterk ondersteund door de ruimte waar innovatie plaatsvindt—zowel op het niveau van instellingen als bedrijven/ondernemingen. Grote Amerikaanse technologiebedrijven zijn bijvoorbeeld zeer actief met 3D‑printen—zoals blijkt uit het aantal patenten dat ze sinds 2010 hebben gepubliceerd. General Electrics heeft bijvoorbeeld maar liefst 342 patenten gepubliceerd tussen 2010 en 2019. 

Echter, het domein van 3D‑printen heeft altijd de cruciale vraag van praktische toepasbaarheid ondervonden. Terwijl het altijd een wetenschappelijk opwindende en aantrekkelijke ruimte om te verkennen is geweest, hebben velen zich afgevraagd: ‘Hoe realistisch is het?’

Onlangs toonde een succesvol experiment hoe echt het potentieel zou kunnen zijn toen een onderzoeksteam van de University of Virginia School of Engineering and Applied Science ontwikkelde wat mogelijk de sjabloon voor de eerste bouwblokken voor menselijk compatibele organen op aanvraag afdrukte. In het komende segment bekijken we het experiment en wat het in meer detail heeft bereikt. 

Biomaterialen met gecontroleerde mechanische eigenschappen die overeenkomen met die van verschillende menselijke weefsels 

Het experiment werd geleid door Liheng Cai en Jinchang Zhu. Liheng Cai is assistent‑professor materiaalwetenschap en -techniek en chemische techniek, en Jinchang Zhu is zijn promovendus.

De bioprintmethode die ze volgden heet Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Deze techniek deponeert biomateriaaldeeltjes in een watergebaseerde ondersteunende matrix om 3D‑structuren te bouwen die een gunstige omgeving voor de cellen bieden om te groeien.

Bij het publiceren van hun bevindingen in het tijdschrift Nature Communications, noemden de wetenschappers het rapport ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ De term Voxel komt voort uit het feit dat het printproces volgt hoe ‘voxels’—de 3D‑versie van pixels—3D‑objecten construeren. 

Terwijl hij de doorbraak die hun onderzoek de wetenschappelijke gemeenschap heeft gebracht uitlegt, had Jinchang Zhu het volgende te zeggen:

“Onze nieuwe hydrogeldeeltjes vertegenwoordigen de eerste functionele voxel die we ooit hebben gemaakt. Met precieze controle over mechanische eigenschappen kan deze voxel dienen als een van de basisbouwstenen voor onze toekomstige printconstructies.”

In zijn poging specifieker te zijn voor de gewone gebruiker, benadrukte Zhu de opvallende kwaliteiten van hun techniek vergeleken met andere bioprintmethoden. Hij legde de nadruk op het element ‘Controle’ in hun technologie, waardoor het mogelijk werd om organoïden te printen.

Deze organoïden waren niets anders dan 3D‑cell‑gebaseerde modellen die konden functioneren als menselijk weefsel. Het kon worden benut om de voortgang van ziekten te bestuderen in onze voortdurend evoluerende zoektocht naar geneesmiddelen. 

Een grote sprong vergeleken met bestaande bioprinttechnologieën

Zhu bestempelde hun innovatie als een ‘grote sprong’ vergeleken met bestaande bioprinttechnologieën omdat het ‘stevig en celvriendelijk’ was. De polymeerhydrogeldeeltjes die in het experiment werden gebruikt, konden menselijk weefsel nabootsen door de rangschikking en chemische bindingen van enkelvoudige monomeren aan te passen, die zich in ketens verbinden om netwerken te vormen.

In vergelijking met andere soortgelijke oplossingen bleek de oplossing van Cai en Zhu ook minder toxisch en meer biocompatibel te zijn. 

Het team behaalde ook aanzienlijke verbeteringen in hun gebruik van de bioprinter. De multikanaalspuit die ze ontwierpen kon hydrogelcomponenten op aanvraag mengen. Het hielp de uitdaging op te lossen die voortkwam uit supersnel cross‑linken, waardoor vloeibare druppels binnen 60 seconden werden omgezet in elastisch, waterzwellend gel.

De DASP‑techniek verwijdert deze knelpunt door grote druppels van een smalle, snel bewegende spuit in de matrix te deponeren, waardoor ze onmiddellijk worden gesuspendeerd. Op die manier lost het een kernprobleem op in de wetenschap van zachte materie en 3D‑bioprinting: de precieze manipulatie van visco‑elastische voxels. Bij het samenvatten van de prestatie zei Cai:

“We hebben nu de basis gelegd voor voxelated bioprinting. Wanneer volledig gerealiseerd, zullen de toepassingen van DASP onder andere kunstmatige orgaantransplantatie, ziekte‑ en weefselmodellering, en het screenen van kandidaten voor nieuwe geneesmiddelen omvatten. En het zal waarschijnlijk daar niet stoppen.”

Zoals we al hebben gezien, zijn innovaties rond 3D‑bioprinting al lange tijd aan de gang. Daarom is het duidelijk dat veel gerenommeerde bedrijven deze technologie hebben geadopteerd. In de volgende segmenten bekijken we twee bedrijven die deze ruimte in de medische wetenschap en gezondheidszorgtechnologie hebben bevorderd. 

#1. Northwell Health

Het bedrijf beweert ‘100% toegewijd aan het als eerste gezondheidssysteem 3D‑printen van jouw remedie’. Een van de belangrijkste interventies van Northwell Health op dit gebied is geweest op het gebied van protheses.

Het bedrijf 3D‑printte een amfibische prothetische ledemaat. De oplossing is een vin die de geamputeerde in staat stelt het water in en uit te gaan zonder de prothese te wisselen.

De voordelen van de vin omvatten het gebruik van geavanceerde koolstofvezelmateriaal en het benutten van een ergonomische vorm om duurzame en efficiënte beweging te garanderen. Northwell gebruikte koolstofvezelversterkt nylon om de vin te printen, wat draaide om sterkte en flexibiliteit. Bovendien maakte de duurzaamheid het geschikt voor gebruik op land en in het water. 

De vin had unieke materiaaldynamiek. Het bevatte kegelvormige gaten die de hoeveelheid water die erdoor stroomt konden regelen. Het ontwerp en de rangschikking van de gaten zorgden voor natuurlijke weerstand en voortstuwing in het water. Het aantal gaten kon worden aangepast aan de specifieke behoeften van de geamputeerde. 

Northwell Health is al lange tijd een pionier in het ontwikkelen van 3D‑geprinte, gedetailleerde modellen van lichaamsdelen om chirurgen te helpen operaties beter te plannen. Het bedrijf kon het potentieel van 3D‑printen realiseren voordat het een bloeiende trend werd.

In een citaat uit 2018 zei Todd Goldstein, directeur van het 3D Design and Innovation Center bij Northwell Health, het volgende:
following to say:

“Het gebruik van 3D‑printen in de geneeskunde stelt ons in staat om de anatomie van patiënten van een computerscherm te halen en in de handen van de arts te leggen. Dit type technologie is een game‑changer voor alle betrokken partijen, omdat het artsen in staat stelt de pathologie beter te visualiseren, patiënten echt te laten zien welke behandeling nodig is, en meer precieze, patiënt‑specifieke behandelingen mogelijk maakt in bijna alle specialismen.”

In 2023 registreerde Northwell Health een omzet van US$16,9 billion en een EBITDA‑marge van 6,3%.

#2. Psyonic

Een ander bedrijf dat opmerkelijk werk in dit veld heeft verricht is Psyonic. Ability Hand, het vlaggenschipproduct van Psyonic, is de snelste en eerste aanraakgevoelige bionische hand ter wereld. Beloofd om leven en mobiliteit te herstellen naar waar ze waren, maakt PSYONIC gebruik van 3D‑printen om efficiënt prototypes te maken, de betaalbaarheid en toegankelijkheid te vergroten, en de duurzaamheid en impactbestendigheid te verbeteren. 

Psyonic heeft aanzienlijke waarde toegevoegd aan hun oplossing door sensoren in de vingertoppen van de bionische hand te integreren die druk detecteren wanneer de drager een object vasthoudt en een trilling naar de arm sturen om die sensatie te communiceren. 

Daarom kan de gebruiker van de hand de actie voelen en met de meest delicate objecten werken met gemak, comfort en soepelheid. De robuustheid maakt het mogelijk om stoten van botte kracht te weerstaan zonder te breken. Hij is ook waterbestendig en wordt geleverd met een verscheidenheid aan greep‑patronen voor gebruik gedurende de dag. 

Ability Hand biedt in totaal 32 greep‑patronen, waarvan 19 vooraf gedefinieerd en beschikbaar zijn voor gebruik. Hij is lichtgewicht, weegt 490 gram. Hij is multi‑gearticuleerd, met alle vijf vingers klaar om te buigen en te strekken, en de duim kan elektrisch en handmatig roteren. 

Hij kan binnen een uur worden opgeladen met een USB‑C. Hij is cross‑compatibel en werkt met de meeste externe EMG‑patroonherkenningssystemen, EMG‑directe besturingssystemen, lineaire transducers en kracht‑gevoelige weerstanden.

Volgens de meest recente beschikbare financieringsinformatie heeft de door crowdfunding gefinancierde aandelencampagne van Psyonic tot nu toe meer dan $1 million opgehaald.

Uit deze voorbeelden van 3D‑geprinte menselijke lichaamsdelen blijkt dat 3D‑printen van menselijke organen realistisch gezien geen vergezochte droom is. Terwijl we onlangs al een van de meest significante doorbraken in dit veld hebben besproken, zullen we meer relevant onderzoek verkennen om het enorme potentieel van de toekomst te begrijpen.

Klik hier om meer te leren over een nieuwe techniek die 3D‑printen van functioneel hersenweefsel mogelijk maakt.

De toekomst van 3D‑printen: zo dicht bij de realiteit als het kan komen 

Het gebruik van hydrogel op inefficiënte wijze in de productie van 3D‑geprinte organen heeft enige geschiedenis. Een 2022 onderzoeksrapport citeerde het voorbeeld van een onderzoeksteam onder leiding van professor Thomas Scheibel aan de Universiteit van Bayreuth die met succes een “bio‑ink” of hydrogel produceerde door spinnenzijde te mengen met muizenfibroblastcellen via 3D‑printen.

De gels konden snel van een vloeibare naar een vaste toestand overgaan wanneer ze door de printerkop op een extrusieoppervlak stroomden. De kennis bleek te kunnen worden gebruikt in het repliceren van hartspierweefsel met behulp van spinnenzijdescaffolds en cardiomyocyten.

Een rapport uit 2023 dat uitgebreid de realiteit onderzocht van het gebruik van 3D‑printen om menselijke organen te repliceren, beweerde dat het een ‘binnenkort realiteit’ zou worden. Het citeerde vele voorbeelden die een veelbelovende toekomst in alle waarschijnlijke implicaties aangeven.

Bijvoorbeeld, in 2022, in San Antonio, Texas, kon Dr. Arturo Bonilla een buitenoor implanteren bij een 20‑jarig vrouw—geboren zonder—door het rechteroor te construeren in de exacte vorm en grootte van haar linkeroor. Het geval was enorm belangrijk omdat het de eerste keer was dat het geïmplanteerde oor het product was van een 3D‑bioprinter die de kraakbeencellen van de vrouw gebruikte.

Onderzoekers uit Polen waren ook in staat om een functioneel prototype van een alvleesklier te printen met een stabiele bloedstroom. Het experiment werd uitgevoerd op varkens en twee weken geobserveerd. Ondertussen waren inspanningen om de technieken aan te passen voor menselijke longen ook gaande. Michal Wszola, de maker van de Bionic Pancreas, en United Therapeutics Corporation (UTHR ) printten een menselijk longscaffold met 4.000 kilometer aan capillairen en 200 million alveoli (kleine luchtzakjes) die zuurstof konden uitwisselen in diermodellen.

De wetenschappers van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ontwikkelden een mobiel huid‑bioprintingsysteem. Ze geloven dat het binnenkort mogelijk zal zijn om de printer direct naar het bed van een patiënt met een niet‑genezende wond, zoals een brandwond, te brengen, het wondgebied te scannen en meten, en de huid laag voor laag direct op het wondoppervlak te 3D‑printen.

Professor Tal Dvir is de directeur van weefseltechniek en regeneratieve geneeskunde aan de Tel Aviv University in Israël. Hij heeft het project geleid van een 3D‑geprinte “konijnen‑grootte” hart, dat cellen, kamers, de belangrijkste bloedvaten en een hartslag heeft. Terwijl hij sprak over de uitvinding en het potentieel voor de toekomst, zei Dvir het volgende:

“We werken nu aan de pacemakercellen, de atriale cellen, de ventriculaire cellen. Het ziet er goed uit. Ik geloof dat dit de toekomst is.”

Gezondheidsdeskundigen geloven dat de mogelijkheid van de mensheid om organen te 3D‑printen de wachtlijst van 106.000 personen voor orgaandonaties zou kunnen verkleinen. Elke dag sterven 17 patiënten terwijl ze wachten. Het kunnen 3D‑printen van menselijke organen zou vele levens kunnen redden. 

Volgens Mark Skylar‑Scott, assistent‑professor in de Stanford University Department of Bioengineering:

“Het veld heeft zich de afgelopen twee decennia zeer snel ontwikkeld, van geprinte blaasjes tot nu hoogcellulaire weefsels met vaten die op een pomp kunnen worden aangesloten—en complexe 3D‑modellen die lijken op hartcomponenten met geïntegreerde hartcellen.”

Het is nu bijna zeker dat 3D‑printen van menselijke organen onze behandelprocedures en zorgsystemen zal revolutioneren. Echter, het moet enkele uitdagingen overwinnen. 

Bijvoorbeeld, het zou stressbestendiger moeten zijn. Productie en fabricage zouden inclusiever moeten zijn wat betreft de compatibiliteit van grondstoffen. Het zou energie‑efficiënt moeten worden zodat het sneller opgeschaald kan worden. 

Het zou de vluchtige organische stoffen die door 3D‑printers worden uitgestoten, die vaak kankerverwekkend en toxisch zijn en ernstige gezondheidsproblemen kunnen veroorzaken zoals orgaanschade, keelaandoeningen en misselijkheid, moeten elimineren. Ten slotte moet het kosteneffectief en betaalbaar zijn om een groot deel van onze onderbehandelde populatie wereldwijd te kunnen bevoordelen. 

Klik hier voor een lijst van de meest veelbelovende 3D‑bioprinting aandelen.