Additieve productie
3D-printen van menselijke organen – hoe realistisch is het?
De wereld van 3D-printen groeit met een significant hoge snelheid. Schattingen suggereren dat de wereldwijde marktgroottes van 3D-printen—producten en diensten—drie keer zo groot zullen zijn tussen 2020 en 2026. De markt was in 2020 gewaardeerd op 12,6 miljard dollar en kan tegen 2026 meer dan 37 miljard dollar waard zijn.
De toename in de markt van toepassingen wordt ondersteund door de ruimte waar innovatie plaatsvindt—zowel op instellingsniveau als op bedrijfsniveau. Grote Amerikaanse technologiebedrijven zijn bijvoorbeeld zeer actief geweest met 3D-printen—as evident from het aantal octrooien dat ze sinds 2010 hebben gepubliceerd. General Electrics heeft bijvoorbeeld 342 octrooien tussen 2010 en 2019.
Het gebied van 3D-printen heeft echter altijd het cruciale vraagstuk van real-life toepasbaarheid gehad. Terwijl het altijd een wetenschappelijk spannend en intrigerend gebied is geweest om te verkennen, hebben velen zich afgevraagd: ‘Hoe realistisch is het?’
Onlangs toonde een succesvol experiment aan hoe realistisch het potentieel kon zijn wanneer een onderzoeksteam van de University of Virginia School of Engineering and Applied Science een sjabloon ontwikkelde voor de eerste bouwstenen voor menselijke organen die op aanvraag worden geprint. In het komende segment gaan we dieper in op het experiment en wat het 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 een assistent-professor in materiaalkunde en chemische technologie, en Jinchang Zhu is zijn Ph.D. student.
De bioprintmethode die ze volgden, heet Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Deze techniek deposit biomaterialen deeltjes in een watergebaseerde ondersteunende matrix om 3D-structuren te bouwen die een gunstige omgeving bieden voor de groei van cellen.
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-voorwerpen construeren.
Terwijl hij de doorbraak uitlegde die hun onderzoek de wetenschappelijke gemeenschap heeft gebracht, had Jinchang Zhu het volgende te zeggen:
“Onze nieuwe hydrogel deeltjes 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 om specifieker te zijn voor de gewone gebruiker, benadrukte Zhu de opvallende kwaliteiten van hun techniek in vergelijking met andere bioprintmethoden. Hij benadrukte het element van ‘Controle’ in hun technologie, waardoor het mogelijk werd om organoïden te printen.
Deze organoïden waren niets anders dan 3D-celgebaseerde modellen die konden functioneren als menselijke weefsels. Het kon worden gebruikt om de progressie van ziekten te bestuderen in onze voortdurende zoektocht naar genezingen.
Een grote stap ten opzichte van bestaande bioprinttechnologieën
Zhu noemde hun innovatie een ‘grote stap’ ten opzichte van bestaande bioprinttechnologieën, omdat het ‘stevig en celvriendelijk’ was. De polymeren hydrogel deeltjes die in het experiment werden gebruikt, konden menselijke weefsels nabootsen door de arrangement en chemische bindingen van enkel-molecuul monomeren te veranderen, die samenketenen tot netwerken.
In vergelijking met andere soortgelijke oplossingen, was de oplossing die door Cai en Zhu werd aangeboden, minder giftig en meer biocompatibel.
Het team bereikte ook significante verbeteringen in hun gebruik van de bioprinter. De multichannel nozzle die ze ontwierpen, kon hydrogel componenten op aanvraag mengen. Het hielp om de uitdaging te overwinnen die voortkwam uit superfast cross-linking, die vloeibare druppels transformeerde in elastische water-opgezette gel binnen 60 seconden.
De DASP-techniek verwijdert deze bottleneck door grote druppels af te zetten uit een smalle en snelle nozzle in de matrix, waardoor ze onmiddellijk worden opgehangen. Op een manier lost het een kernprobleem op in het gebied van zachte materie en 3D-bioprinten: de precieze manipulatie van viscoelastische voxels. In het samenvatten van de prestatie, zei Cai:
“We hebben nu de basis gelegd voor voxelated bioprinting. Wanneer het volledig gerealiseerd is, zullen de toepassingen van DASP onder andere kunstmatige orgaantransplantatie, ziekte- en weefselmodellering en het screenen van kandidaten voor nieuwe medicijnen omvatten. En het zal waarschijnlijk niet stoppen daar.”
Zoals we al hebben gezien, zijn innovaties rond 3D-bioprinten al lang gaande. Het is dus heel logisch dat veel gerenommeerde bedrijven deze technologie hebben overgenomen. In de volgende segmenten gaan we in op twee bedrijven die dit gebied in medische wetenschap en gezondheidstechnologie hebben gefaciliteerd.
#1. Northwell Health
Het bedrijf beweert ‘100% toegewijd te zijn om het eerste gezondheidssysteem te zijn dat uw genezing 3D-print.’ Een van de meest cruciale interventies van Northwell Health op dit gebied is geweest in prothesen.
Het bedrijf 3D-printte een amfibische prothese. De oplossing is een vin die het mogelijk maakt voor de amputatie om in en uit het water te gaan zonder prothesen te wisselen.
De voordelen van de vin omvatten het gebruik van state-of-the-art koolstofvezelmaterialen en het gebruik van een ergonomische vorm om een duurzame en efficiënte beweging te garanderen. Northwell gebruikte koolstofvezel-versterkte nylon om de vin te printen, wat allemaal over sterkte en flexibiliteit ging. Bovendien maakte de duurzaamheid het geschikt voor gebruik op land en in het water.
De vin had unieke materiaaldynamica. Het had conisch gevormde gaten die de hoeveelheid water die erdoorheen stroomde, konden controleren. De ontwerp en de arrangement van de gaten stonden natuurlijke weerstand en voortstuwing in het water toe. Het aantal gaten was aanpasbaar aan de specifieke behoeften van de amputatie.
Northwell Health is al lang een kampioen in het ontwikkelen van 3D-geprinte, gedetailleerde modellen van lichaamsdelen om chirurgen te helpen bij het plannen van operaties. Het bedrijf kon het potentieel van 3D-printen realiseren voordat het zo’n bloeiende trend werd.
In een citaat dat dateert uit 2018, had Todd Goldstein, directeur van het 3D Design and Innovation Center bij Northwell Health, het volgende te zeggen:
“Het gebruik van 3D-printen in de geneeskunde stelt ons in staat om de anatomie van de patiënt van het computerscherm te halen en in de handen van de arts te leggen. Deze technologie is een game-changer voor alle partijen die erbij betrokken zijn, omdat het artsen in staat stelt om de pathologie beter te visualiseren, patiënten in staat stelt om echt te zien welke behandeling nodig is, en artsen in staat stelt om meer precieze, patiëntspecifieke behandelingen te geven in vrijwel alle specialismen.”
In 2023 registreerde omzet van 16,9 miljard dollar en een EBITDA-marge van 6,3%.
#2. Psyonic
Een ander bedrijf dat opmerkelijk werk heeft verricht in dit veld is Psyonic. Ability Hand, Psyonic’s vlaggenschipproduct, is de snelste en eerste touch-sensing bionische hand ter wereld. Psyonic belooft om het leven en de mobiliteit te herstellen waar ze waren, PSYONIC maakt gebruik van 3D-printen om efficiënt te protyperen, toegang 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 de sensatie te communiceren.
Als gevolg daarvan kan de gebruiker van de hand de actie voelen en werken met de meest delicate voorwerpen met gemak, comfort en naadloosheid. De robuustheid maakt het mogelijk om te werken met brute kracht zonder te breken. Het is ook waterbestendig en komt met een verscheidenheid aan grip patronen voor gebruik gedurende de dag.
Ability Hand biedt 32 grip patronen in totaal, waarvan 19 zijn vooraf gedefinieerd en beschikbaar voor gebruik. Het is licht, wegend 490 gram. Het is multi-articulair, met alle vijf vingers die klaar zijn om te buigen en te strekken, en de duim kan elektrisch en handmatig roteren.
Het kan worden opgeladen met een USB-C in een uur. Het is cross-compatibel en werkt met de meeste derde partij EMG-patronenherkenningssystemen, EMG-rechtstreekse besturingssystemen, lineaire transductoren en krachtgevoelige weerstanden.
Volgens de laatste beschikbare financieringsinformatie, heeft Psyonic’s crowdfundcampagne meer dan 1 miljoen dollar opgehaald.
Uit deze voorbeelden van 3D-geprinte lichaamsdelen blijkt dat 3D-printen van menselijke organen realistisch is. Terwijl we al hebben gesproken over een van de belangrijkste doorbraken in dit veld, zullen we meer relevante onderzoeken onderzoeken om het enorme potentieel van de toekomst te begrijpen.
De toekomst van 3D-printen: zo dicht bij de realiteit als het kan komen
Het gebruik van hydrogel in de productie van 3D-geprinte organen heeft een geschiedenis. Een onderzoeksrapport uit 2022 vermeldde het voorbeeld van een studieteam onder leiding van Professor Thomas Scheibel aan de Universiteit van Bayreuth, dat succesvol een “bio-ink” of hydrogel produceerde door het mengen van spinnensijden met muizenfibroblastcellen met behulp van 3D-printen.
De gels konden snel transformeren van een vloeistof naar een vaste staat wanneer ze door de printkop op een extrusieoppervlak stroomden. De kennis werd gevonden om te worden gebruikt in het repliceren van hartspierweefsel met behulp van spinnensijden scaffolds en cardiomyocyten.
Een rapport uit 2023 dat uitgebreid onderzocht of het realistisch is om 3D-printen te gebruiken om menselijke organen te repliceren, beweerde dat het een ‘spoedig te realiseren realiteit’ was. Het vermeldde veel voorbeelden die een veelbelovende toekomst aantonen in alle waarschijnlijke implicaties.
Bijvoorbeeld, in 2022, in San Antonio, Texas, kon Dr. Arturo Bonilla een buitenoor implanten bij een 20-jarige vrouw—geboren zonder een—door het rechteroor te construeren in de exacte vorm en grootte van haar linker. De zaak was enorm belangrijk omdat het de eerste keer was dat het geïmplanteerde oor het product was van een 3D-bioprinter met behulp van de cellen van de vrouw zelf.
Onderzoekers in 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 waargenomen gedurende twee weken. Ondertussen waren er ook inspanningen gaande om de technieken aan te passen voor menselijke longen. Michal Wszola, de maker van Bionic Pancreas, en United Therapeutics Corporation 3D-printte een menselijke longscaffold met 4.000 kilometer aan capillairen en 200 miljoen alveoli (kleine luchtzakjes) die zuurstof konden uitwisselen in diermodellen.
De wetenschappers van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ontwikkelden een mobiel huidbioprintsysteem. Ze geloven dat het binnenkort mogelijk zal zijn om de printer rechtstreeks naar het bed van een patiënt met een niet-genezende wond te brengen, zoals een brandwond, de wond te scannen en te meten, en 3D-geprinte huid laag voor laag rechtstreeks op het wondoppervlak te printen.
Professor Tal Dvir is de directeur van weefseltechnologie en regeneratieve geneeskunde aan de Universiteit van Tel Aviv in Israël. Zijn niveau heeft het project van een 3D-geprinte “konijngrote” hart, dat cellen, kamers, de belangrijkste bloedvaten en een hartslag heeft. Terwijl hij sprak over de uitvinding en het potentieel voor de toekomst, had Dvir het volgende te zeggen:
“We werken nu aan de pacemaker cellen, de atriale cellen, de ventriculaire cellen. Het ziet er goed uit. Ik geloof dat dit de toekomst is.”
Gezondheidsexperts geloven dat de mogelijkheid van de mensheid om 3D-geprinte organen te produceren de wachtlijst van 106.000 personen voor orgaandonaties zal helpen. Elke dag sterven 17 patiënten terwijl ze wachten. Het kunnen 3D-printen van menselijke organen zal veel levens redden.
Volgens Mark Skylar-Scott, een assistent-professor in de afdeling Bioengineering van de Stanford University:
“Het veld is de afgelopen twee decennia zeer snel veranderd, van geprinte blazen tot nu hoogcellulaire weefsels met vaten die verbonden kunnen worden met een pomp—and complexe 3D-modellen die hartcomponenten nabootsen met geïntegreerde hartcellen.”
Het is nu bijna zeker dat 3D-printen van menselijke organen onze behandelingsprocedures en zorgsystemen zal revolutioneren. Echter, het zal enkele uitdagingen moeten overwinnen.
Bijvoorbeeld, het zal meer stressbestendig moeten zijn. Productie en fabricage zullen meer inclusief moeten zijn in termen van de compatibiliteit van grondstoffen. Het zal energie-efficiënt moeten zijn zodat het kan worden geschaald sneller.
Het zal de vluchtige organische verbindingen die door 3D-printers worden uitgestoten, moeten elimineren, die vaak kankerverwekkend en giftig zijn en ernstige gezondheidsproblemen kunnen veroorzaken, zoals orgaanschade, keelirritatie en misselijkheid. Tenslotte zal het kostenefficiënt en betaalbaar moeten zijn om een groot deel van onze onderbehandelde bevolking wereldwijd te helpen.
Klik hier voor een lijst van de meest veelbelovende 3D-bioprintaandelen.
