17 november 2016

3D-printen van gwrichten

Lodewijk van Rhijn & Chris Arts

In het kader van de Nationale Wetenschapsagenda gaan experts van het Maastricht UMC+ in de rubriek 'In gesprek met...' in op één van de vragen die zijn gesteld aan de wetenschap. Deze keer bespreken dr. Chris Arts, expert op het gebied van toegepaste biomaterialen en prof. dr. Lodewijk van Rhijn, hoogleraar Orthopedie, de volgende vraag:

Kunnen we in de toekomst via 3D-printing voor alle gewrichten implantaten produceren? En gaan die implantaten dan levenslang mee?

"In theorie kun je voor ieder gewricht een 3D-geprint implantaat maken. Daar komt wel het een en ander bij kijken, wil het in de praktijk ook effectief, efficiënt en lang houdbaar zijn. Je kunt de eisen aan een enkelgewricht bijvoorbeeld niet vergelijken met een schouder. De structuur is anders, de druk en de belasting van het gewricht zijn anders, evenals de herstelcapaciteit. Je hebt dan ook eerst fundamentele kennis nodig van lichaamsbeweging en -belasting wil je met 3D-printing van protheses aan de slag gaan en het kunnen toepassen bij patiënten. Chris ArtsChris ArtsDaar komt nog eens bij dat ook iedere patiënt uniek is. Uiteindelijk is het de kunst om een 'bioactief' implantaat te kunnen fabriceren, speciaal aangepast op het individu. Dan doet niet het implantaat zelf het zware werk, maar zorg je voor gewrichtsherstel door middel van lichaamseigen cellen. Maar hoe maak je dat werkelijkheid?

Laten we eerst even beginnen bij het probleem. Waarom zou je een implantaat nodig hebben? Dat heeft voornamelijk te maken met gewrichtsslijtage en artrose (de aftakeling van kraakbeen in gewrichten). Aandoeningen die sterk zijn gerelateerd aan leeftijd en zich in principe in alle lichaamsgewrichten kunnen uiten: handen, knieën, heup, nek, noem maar op. Bepaalde risicofactoren vergroten de kans op artrose nog eens, denk aan overgewicht, erfelijke aanleg of chronische overbelasting. Als het eenmaal zo ver is, kan een vervangend implantaat een oplossing bieden. Deze delen worden normaliter zowel van kunststof als titanium gemaakt, maar hebben een beperkte levensduur. Als zo'n implantaat slijt kan dat nog eens grotere bot- en gewrichtsdefecten met zich meebrengen, met een ingrijpende hersteloperatie tot gevolg. De 'klassieke' implantaten kunnen nu al 3D-geprint worden en zijn in principe van dezelfde materialen gemaakt. De uitdaging is echter om deze implantaten duurzaam en patiëntvriendelijk te maken. Wat je eigenlijk zou willen is het kraakbeen of botweefsel herstellen met lichaamseigen cellen. Dat zou pas een echte 'levenslange' oplossing bieden.

Een 3D-geprint titanium implantaat dat afgesteld kan worden op de behoefte van de individuele patiëntEen 3D-geprint titanium implantaat dat afgesteld kan worden op de behoefte van de individuele patiëntIn het Maastricht UMC+ werken we aan 'slimme' 3D- geprinte implantaten om die groei van lichaamseigen cellen mogelijk te maken. Op basis van unieke kenmerken van een patiënt, kun je een op maat gemaakt titanium implantaat printen. Deze implantaten hebben een soort van webstructuur met tussenliggende ruimtes. Tot op microscopisch detail wordt zo een uniek raamwerk gecreëerd waar botcellen optimaal kunnen aanhechten en groeien. De implantaten kunnen tevens worden voorzien van een antibacteriële coating, zodat infecties in het gewricht worden voorkomen. Een titanium implantaat is van metaal en dan ook niet afbreekbaar, we willen daarom nog een stapje verder gaan door gebruik te maken van materialen die wel biologisch afbreekbaar zijn. Na verloop van tijd lossen deze implantaten als het ware op en zijn dan compleet vervangen door nieuw gevormd weefsel zoals bot. Dat heeft verschillende voordelen. Zo zal de revalidatie van de patiënt veel voorspoediger verlopen, is de kans op infecties kleiner en is het effect van implantaatslijtage minimaal. Een oplossing met een lange houdbaarheid. In theorie zou deze methode toepasbaar zijn voor alle typen gewrichten, maar we focussen ons nu eerst op herstel van de heup en de wervelkolom.

Lodewijk van RhijnLodewijk van RhijnDe ontwikkeling van dit type implantaten is een prachtig voorbeeld van hoe we fundamentele kennis over beweging en botgroei kunnen omzetten naar toepasbare oplossingen voor patiënten. Dan nog te bedenken dat er over de hele wereld jaarlijks 2 miljoen procedures worden uitgevoerd om botdefecten te herstellen tegen zorgkosten van 20 miljard euro. Dat zal met de toenemende vergrijzing alleen maar verder toenemen. 'Slimme' implantaten kunnen vanwege minder risico op complicaties en sneller herstel bijdragen aan het efficiënter maken van de zorg."


Meer weten over medische 3D-printing?

- Het onderzoek naar 'slimme' 3D-geprinte botimplantaten wordt uitgevoerd binnen het project PRosPERoS (PRinting PERsonalized orthopaedic implantS) en wordt geleid door de afdeling Orthopedie van het Maastricht UMC+.

- Xilloc is een spin-off bedrijf van het Maastricht UMC+/Universiteit Maastricht dat zich heeft gespecialiseerd in de ontwikkeling van 3D-geprinte medisch toepasbare materialen.

- 3D-printing wordt ook toegepast voor andere medische doeleinden. Zo kunnen siliconen kopieën van een patiëntspecifieke hartklep worden geprint om een complexe hartoperatie mee voor te bereiden.

- Het 3D-printen van botimplantaten is een vorm van regeneratieve geneeskunde, een vakgebied waarin het Maastrichtse onderzoeksinstituut MERLN bijzondere expertise heeft.