Echogestuurde Bioprinting: Een Nieuwe Grens in Precisiegeneeskunde

Het gezondheids- en medische systeem heeft de afgelopen eeuw een lange weg afgelegd. In vroegere tijden waren mensen afhankelijk van geneeskrachtige planten. Maar natuurlijk ontbraken ze aan consistentie en specificiteit in de toediening van het medicijn.

Vervolgens werden pillen en capsules populair voor het opslaan van farmaceutica. Ze lossen op wanneer ze in contact komen met gastro-intestinale vloeistoffen, dringen de darmwand binnen en worden vervolgens via bloedkapillaren in de bloedbaan opgenomen, zonder controle over de afgifte van het medicijn. 

Het gebruik van coating op geneesmiddelen om hun bittere smaak te maskeren heeft de afgiftesnelheid van het medicijn verder veranderd. In de loop der tijd evolueerden de coatingmaterialen van goud en zilver naar parel, suiker en enterische coatings.

Enterische coating is een buitenste polymeercoating op orale medicatie. Deze barrière voorkomt dat het medicijn oplost in de maagomgeving, waardoor gecontroleerde afgifte mogelijk is. Verdere vooruitgang in deze coatings door de jaren heen heeft de geneesmiddelafgifte nog beter gemaakt.

De eerste nanodeeltje-therapeutica in de vorm van een polymeer-geneesmiddelconjugaat werd in de jaren 1950 gerapporteerd, terwijl de eerste nanotechnologie, bekend als liposoom, pas in de jaren 1960 werd ontdekt. Beide markeerden het begin van nanodragers.

Na verloop van tijd werden slimme polymeren en hydrogels ontwikkeld om drugafgiftesystemen te stabiliseren, terwijl er inspanningen werden geleverd om gerichte nanotechnologie‑drugafgiftesystemen te ontwikkelen.

In de afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de succesvolle ontwikkeling van gelokaliseerde geneesmiddelafgifteapparaten die precieze controle over de afgifte mogelijk maken. Technieken zoals micellen, hydrogels, liposomen en nanodeeltjes bieden een langdurige afgifte van therapeutische agentia op specifieke locaties.

Deze benaderingen verbeteren de behandelresultaten terwijl ze de weefseltoxiciteit minimaliseren door de systemische circulatie van de therapeutische agentia te vermijden. 

Implanteerbare geneesmiddelafgifteapparaten leveren met name effectief geneesmiddelen af naar gelokaliseerde gebieden. Deze apparaten bestaan uit biocompatibele en biologisch afbreekbare componenten en kunnen worden ontworpen om geneesmiddelen met verschillende doseringen en voor continue of intermitterende afgifte vrij te geven. 

Een specifiek aandachtspunt is niet‑invasieve diepe weefsel‑implanten, ook wel slimme implanten of minimaal invasieve implanten genoemd. Deze apparaten, ontworpen om lichaamsfuncties te monitoren, medicatie af te geven of zelfs te helpen bij weefselregeneratie, worden in het lichaam geplaatst zonder uitgebreide chirurgische ingrepen.

Nu heeft een team van Caltech‑wetenschappers aanzienlijke vooruitgang geboekt richting het uiteindelijke doel om artsen de mogelijkheid te bieden om nauwkeurig miniatuurcapsules te printen die cellen voor weefselherstel op de exacte locatie kunnen afleveren, bijvoorbeeld binnen een kloppend hart.

Hiervoor hebben ze het deep tissue in vivo sound printing (DISP) platform gebouwd. De nieuwe beeldgeleide in vivo 3D‑printtechniek¹ is gepubliceerd in het tijdschrift Science.

DISP: Beeldgeleide Geluidsprinten voor Diepe Weefseltherapieën

Driedimensionaal (3D) printen of additive fabricage wint veel aan populariteit dankzij de veelzijdigheid, het vermogen om complexe ontwerpen te creëren en de aanpassingsopties.

Bij dit productieproces worden 3D‑objecten gemaakt vanuit een digitaal bestand door laagjes materiaal op te bouwen. Dit maakt snelle prototyping, lagere productiekosten en gepersonaliseerde producten mogelijk, wat heeft geleid tot brede adoptie, met name in sectoren zoals productie, gezondheidszorg en zelfs mode. 

In de gezondheidszorg revolutioneert 3D‑printen de productie van medische implanten. Het is een zeer waardevol hulpmiddel geworden voor het genereren van patiëntspecifieke implanten, zowel extern als direct in het lichaam.

Echter, deze belofte van op maat gemaakte implanten wordt beperkt door de noodzaak van invasieve chirurgische procedures. Implanten voor in het lichaam worden verder beperkt door de behoefte aan precursormaterialen en een polymerisatiemethode die veilig is voor gebruik in het menselijk lichaam en die van buitenaf nauwkeurig kan worden geactiveerd. Om deze problemen aan te pakken, wenden wetenschappers zich tot echoprinten.

Zo presenteerden onderzoekers van de Technion Faculteit Biomedische Technologie vorig jaar een niet‑invasieve techniek voor het bioprinten van weefsels en cellen diep in het lichaam via externe geluidsgolven uitgezonden door een externe ultrasone transducer. studie²

Nu heeft het team van wetenschappers van het California Institute of Technology een platform gebouwd dat gebruikmaakt van beeldgeleide echoprinten, wat veel dieper kan gaan dan andere methoden.

In plaats van traditioneel 3D‑printen met nozzles, zijn er in deze studie gefocuste geluidsbundels die gecontroleerde temperatuursprongen genereren om een printachtig proces te starten.

Gefinancierd door de National Institutes of Health, de American Cancer Society, het Heritage Medical Research Institute en de Challenge Initiative aan UCLA, combineert de studie echografie met liposomen bij lage temperatuur (LTSLs) beladen met crosslinking‑agentia. 

Een liposoom of lipidevesikel is een kleine gesloten structuur die in levende cellen voorkomt en lipiden bevat, een groep verbindingen zoals vetten, wassen, monoglyceriden en diglyceriden die diverse functies in ons lichaam vervullen, waaronder energieopslag, signaaloverdracht, opname van vitaminen, hormoonproductie en als structurele componenten van celmembranen.

Deze vesikels worden gebruikt in diverse toepassingen, waaronder gerichte medicijnafgifte, drug delivery en in‑vitro studies van celmembraandynamiek. 

De liposomen in de studie worden ondergedompeld in een polymeeroplossing die de monomeren van het gewenste polymeer en de te leveren lading, zoals een therapeutisch geneesmiddel, bevat.

Het polymeer fungeert als een beeldcontrastmiddel dat zichtbaar wordt wanneer crosslinking heeft plaatsgevonden. In de studie worden gasvesikels hiervoor gebruikt. Met realtime monitoring maakt gasvesikel (GVs) gebaseerde echografie het mogelijk om aangepaste patronen te creëren in levende dieren. 

GVs zijn met lucht gevulde eiwitnanostructuren die fungeren als beeld‑ en therapeutische agentia voor echografie, magnetische resonantie en optische technieken. Ze worden steeds vaker gebruikt als contrastmiddelen in echografie vanwege hun unieke eigenschappen die niet‑lineair contrast genereren onder echografie. GVs kunnen genetisch worden gecodeerd en gemodificeerd, waardoor ze veelzijdige beeldagentia zijn.

De incorporatie van LTSLs beladen met crosslinking‑agentia in bio‑ink maakt het nieuwe platform in staat om snelle en precieze cross‑linking van diverse functionele biomaterialen op aanvraag te bieden met behulp van gefocuste echografie.

Het team valideerde hun platform door succesvol te printen nabij de kankergebieden in de blaas van muizen en diep in de beenspieren van konijnen in vivo. 

Door het DISP‑platform te gebruiken om polymeren beladen met een chemotherapeutisch geneesmiddel (doxorubicine) nabij een blaastumor bij muizen te printen, kon het team gedurende meerdere dagen veel meer tumorceldood bereiken dan bij degenen die het geneesmiddel via directe injectie van oplossingen kregen.

Veiligheid, Precisie en Biocompatibiliteit: Het Klinische Potentieel van DISP

Het Caltech‑team heeft een techniek ontwikkeld voor 3D‑printen van polymeren op specifieke locaties diep in levende dieren. Elham Davoodi, assistent‑professor mechanische techniek aan de Universiteit van Utah, is de hoofd‑auteur van de studie, die zij voltooide als postdoctoraal onderzoeker aan Caltech.

Deze methode maakt gebruik van geluid voor lokalisatie. Het is al gebruikt om lijmachtige polymeren te printen om interne wonden te sluiten en polymeer‑capsules voor selectieve geneesmiddelafgifte.

Wetenschappers gebruikten eerder infrarood licht om polymerisatie te activeren, het proces waarbij kleine eenheden, monomeren genaamd, aan elkaar worden gekoppeld om grotere moleculen, polymeren, te vormen, binnen levende dieren.

Echter, infrarood heeft een zeer beperkte penetratie. “Het bereikt alleen net onder de huid,” merkte Wei Gao, professor medische techniek aan Caltech en onderzoeker bij het Heritage Medical Research Institute, op.

In contrast kan de nieuwe techniek diep weefsel bereiken en verschillende materialen printen voor een breed scala aan toepassingen, terwijl het “uitstekende biocompatibiliteit behoudt.”

Om diep weefsel in vivo printen te realiseren, wendde het team zich tot echografie, een platform dat veel wordt gebruikt in de biomedische sector voor dit doel.

Maar ze hadden een manier nodig om de binding van monomeren, of crosslinking, op een specifieke locatie te activeren en alleen wanneer gewenst.

Dus introduceerde het team een nieuwe methode, waarbij echografie wordt gecombineerd met (LTSLs) beladen met cross‑linking‑agentia en vervolgens wordt ingebed in een polymeeroplossing die polymeren‑monomeren en de lading bevat. Meer componenten, zoals cellen en geleidende materialen zoals zilver of koolstofnanobuizen, kunnen hier ook worden toegevoegd. De resulterende bio‑ink werd vervolgens direct in het lichaam geïnjecteerd.

Nu, om het printen te starten, gebruikten wetenschappers gefocuste echografie, die de temperatuur in een gericht gebied met enkele (ongeveer 5) graden verhoogde. Dit veroorzaakt dat de liposomen hun inhoud vrijgeven, zodat polymerenprinten kan beginnen op een precieze locatie. Volgens Gao:

“Het verhogen van de temperatuur met een paar graden Celsius is voldoende om het liposoomdeeltje onze crosslinking‑agentia te laten vrijgeven. Waar de agentia worden vrijgegeven, daar zal de gelokaliseerde polymerisatie of het printen plaatsvinden.”

De gasvesikels, die hier van bacteriën zijn afgeleid en als beeldcontrastmiddel worden gebruikt, laten ons zien dat alles naar behoren werkt doordat ze sterk verschijnen in echografie. Ze zijn gevoelig voor chemische veranderingen die plaatsvinden wanneer de vloeibare monomeeroplossing crosslinkt om een gelnetwerk te vormen.

Wanneer de transformatie plaatsvindt, veranderen de vesikels van contrast, wat wordt geïdentificeerd door echografie. Dit stelt wetenschappers in staat om gemakkelijk te detecteren wanneer en precies waar de polymerisatie‑crosslinking heeft plaatsgevonden, waardoor ze de patronen die in levende dieren worden geprint kunnen aanpassen.

Naast bio‑adhesieve gels en polymeren beschrijft de studie ook het gebruik van de techniek voor het printen van bio‑elektrische hydrogels, polymeren met ingebedde geleidende materialen die worden gebruikt voor interne monitoring van fysiologische vitale functies.

Nu toont de verificatie van het DISP‑platform via succesvolle experimenten in muizen en konijnen, zonder tekenen van ontsteking of weefselschade, het potentieel van het platform voor gelokaliseerde geneesmiddelafgifte, weefselvervanging en bio‑elektronica. Omdat het lichaam ongepolymeriseerde inkt binnen een week opruimt, benadrukt dit bovendien het veiligheidsprofiel van het platform.

Bovendien toont het vermogen om cellen‑beladen, geneesmiddel‑beladen, bio‑adhesieve en geleidende materialen te printen zijn veelzijdigheid voor diverse medische toepassingen. Maar uiteraard moet het platform, om in klinisch gebruik te worden omgezet, nog verder verfijnd worden.

“Het is een nieuwe onderzoekslijn op het gebied van bioprinting. Onze volgende fase is om te proberen te printen in een groter diermodel, en hopelijk kunnen we dit in de nabije toekomst in mensen evalueren.”

– Gao

Het team streeft ernaar de mogelijkheid van het DISP‑platform om nauwkeurig te lokaliseren en gefocuste echografie toe te passen te verbeteren via machine learning.

“In de toekomst willen we, met behulp van AI, autonoom hoogprecisie‑printen kunnen activeren binnen een bewegend orgaan zoals een kloppend hart.”

– Gao

Investeren in 3D Bio‑Printing

Een vroege speler in de 3D‑printindustrie, 3D Systems (DDD ) is een van de toonaangevende namen om in de gaten te houden terwijl deze sector zich ontwikkelt. Het bedrijf biedt uitgebreide 3D‑print- en digitale fabricageoplossingen, waaronder 3D‑printers voor metalen, materialen en kunststoffen, software en diensten. Van tandtechnische laboratoria en automobielfabrikanten tot halfgeleiderontwerpers en fabrikanten van medische apparaten, ontwikkelt het software en printers voor allerlei industrieën en materialen.

3D Systems (DDD )

3S Systems opereert via twee segmenten: Healthcare Solutions, dat tandheelkunde, regeneratieve geneeskunde, medische apparaten en gepersonaliseerde gezondheidsdiensten bedient, en Industrial Solutions, dat transport, lucht‑ en ruimtevaart, defensie en algemene productie bedient. 

In 2021 verwierf het Allevi om zijn initiatief op het gebied van regeneratieve geneeskunde uit te breiden door de groei in farmaceutische onderzoekslaboratoria te versnellen. Zoals het bedrijf op zijn website aangeeft, heeft 3D‑bioprinting de ontwikkeling van diervrije preklinische modellen en 3D‑ziekte‑modellering vooruit geholpen via iteratieve bioprint‑ontwerpen en het vermogen om in vivo menselijke biologie te repliceren.

Datzelfde jaar verwierf het ook Additive Works GmbH, een Duits softwarebedrijf, om zijn simulatiemogelijkheden uit te breiden voor snelle optimalisatie van industriële 3D‑printprocessen op grote schaal.

De aandelen van het bedrijf worden momenteel verhandeld tegen $1,94, een daling van 22,26% jaar‑tot‑datum. Op dit prijsniveau hebben de aandelen van 3D Systems een aanzienlijke daling doorgemaakt ten opzichte van hun piek van ongeveer $48,60, die begin 2021 werd bereikt, vergelijkbaar met veel andere aandelen op de markt. 

3D Systems heeft een marktkapitalisatie van $345,6 miljoen bereikt, en de EPS (TTM) is -1,93, en een P/E (TTM) is -1,32.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, tonen ze aan dat in het eerste kwartaal van 2025 3D Systems een omzet van $94,5 miljoen registreerde, een daling van 8% ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar vanwege lagere materiaalverkopen.

De omzet van Healthcare Solutions bedroeg $41,3 miljoen, terwijl $53,2 miljoen toe te rekenen was aan Industrial Solutions.

Dit, aldus CEO Dr. Jeffrey Graves, weerspiegelt “een voortzetting van uitdagende top‑line druk omdat veel klanten hun kapitaalinvesteringen uitstellen” om meer duidelijkheid te krijgen over mogelijke tariefimpacten naast de voortdurende geopolitieke en bredere macro‑economische onzekerheid.

De brutowinstmarge voor de periode bedroeg 34,6%, en de non‑GAAP brutowinstmarge was 35% vanwege lagere volumes en ongunstige prijzen. Het nettoverlies bedroeg ondertussen $37 miljoen. Eind maart 2025 bedroegen de kas‑ en kasequivalenten $135 miljoen, en de totale schuld, netto van uitgestelde financieringskosten, was $212,3 miljoen.

Het bedrijf werkt echter aan een kostenbesparingsinitiatief van $50 miljoen, dat medio 2026 zal zijn voltooid. Het wordt ook verwacht dat het in het laatste kwartaal van dit jaar op EBITDA‑basis break‑even zal zijn.

Bovendien is de balans versterkt door de verkoop van de Geomagic‑portefeuille, wat een post‑belasting toename van meer dan $100 miljoen aan kasreserves opleverde tot $250 miljoen per 30 april 2025.

De positieve aspecten van 3D Systems als investeringsoptie zijn dat het bedrijf een gestage groei ziet in de lucht‑ en ruimtevaart- en defensiemarkten, en dat de nieuwste hardware‑systemen een verkoopgroei hebben laten zien. Ook AI‑infrastructuur is een ander gebied waarop 3D Systems zich richt om vooruitgang te boeken.

“Onze bewuste behoud van R&D‑investeringen in de afgelopen jaren heeft geleid tot een aanzienlijke golf van nieuwe technologische introducties over ons volledige productportfolio, inclusief zowel onze polymeer‑ als metaalplatformen.”

– Gravel

Hij merkte op dat hoewel dit op korte termijn de winstgevendheid negatief beïnvloedt, sterke klantinteresse betekent dat “onze nieuwe systemen steeds vaker worden gekozen voor hoogwaardige/hoog‑betrouwbare componentproductie, voor toepassingen binnen het menselijk lichaam en in geavanceerde industriële systemen.” Meerdere nieuwe producten betreden nu de kritieke fase van commercialisatie.

Dit jaar heeft 3D Systems tot nu toe samengewerkt met de toonaangevende commerciële voertuigfabrikant Daimler Truck (DTG.DE ) om op afstand reserveonderdelen te printen. Het printen op aanvraag is bedoeld om knelpunten in de toeleveringsketen te omzeilen en de levertijd met 75% te verkorten.

De klinisch gevalideerde NextDent 3D‑printresins zouden nu meer dan 30 toepassingen dekken, waaronder die gericht op tandreparatie. Het bedrijf kondigde ook het eerste 3D‑geprinte PEEK‑gezichtsimplantaat aan binnen zijn point‑of‑care additive manufacturing‑oplossing, in samenwerking met het Universitair Ziekenhuis Basel.

Tijdens een recent evenement onthulde 3D Systems ook meerdere nieuwe producten, zoals QuickCast® Diamond™ en PSLA 270, en een nieuwe module voor grote‑formaat EXT Titan Pellet Extrusion‑printers. Het introduceerde tevens een high‑throughput, precisie Figure 4® 135 3D‑printer en Figure 4 Tough 75C FR Black‑materiaal om de kosten van high‑mix, low‑volume productie te verlagen. 

Laatste nieuws over 3D Systems

Conclusie

Het gezondheidszorgsysteem heeft de afgelopen decennia een enorme transformatie ondergaan. Deze reis van kruidenmengsels naar geavanceerde nanomedicijnen toont aan dat de evolutie van geneesmiddelafgifte wordt gekenmerkt door technologische innovatie. 

Nu is de nieuwste ontwikkeling van Caltech‑wetenschappers een opmerkelijke stap vooruit in de wereld van medische revolutie. Door dezelfde geluidsgolven te gebruiken die momenteel voor beeldvorming in het lichaam worden ingezet, kan het DISP‑platform veel dieper in weefsels doordringen. Een op maat gemaakte mix van oplossing (bio‑ink) en gefocuste echografie (FUS) transducer maakt ondertussen nauwkeurig printen mogelijk.

Naarmate de technologie vordert naar grotere diermodellen en klinische proeven, biedt DISP, met zijn biocompatibiliteit, precisie en aanpasbaarheid, de belofte om geneesmiddelafgifte en interne genezing opnieuw te definiëren.

Klik hier voor een lijst van de top 3d bioprinting aandelen.

Gerefereerde Studies:

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). Beeldgeleide diepe weefsel in vivo geluidsprinten. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). Ultrasoon gemedieerde polymerisatie voor celafgifte, geneesmiddelafgifte en 3D‑printen. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197