Innovatieve 3D-printtechnologie in de orthopedische chirurgie

Onderzoekers van de Sungkyunkwan Universiteit (SKKU) in Zuid-Korea, in samenwerking met hun Amerikaanse collega’s, hebben een technologie gepresenteerd die de orthopedische chirurgie ingrijpend kan veranderen: een gemodificeerde lijmpistool die biologisch afbreekbare botgrafts direct in breuken en defecten tijdens de operatie print. Dit doorbraak, gepubliceerd in het tijdschrift Device van Cell Press, combineert 3D-printing op lage temperatuur, nieuwe generatie biomaterialen en een draagbaar ontwerp dat is aangepast voor de operatiekamer.

Van huishoudelijk gereedschap naar medisch hulpmiddel

Het team heeft een gewone lijmpistool omgevormd tot een in situ afdruksysteem dat biomaterialen kan extruderen bij veilige temperaturen voor menselijk weefsel (ongeveer 60 °C). Het resultaat is een compact, handzaam en gebruiksvriendelijk apparaat waarmee de chirurg de richting, hoek en diepte van de print in realtime kan controleren. Dit vertegenwoordigt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de huidige praktijken, waarbij implantaten op maat moeten worden gemaakt voordat de operatie plaatsvindt via medische beeldvorming en laboratoriumprocessen. Met deze techniek kan het graft direct op het beschadigde bot worden vervaardigd binnen enkele minuten.

Materiaal dat is ontworpen om te genezen en te verdwijnen

De “sticks” van de pistool bevatten geen lijm, maar een samenstelling van policaprolacton (PCL) en hydroxyapatiet (HA):

• PCL is een biologisch afbreekbare polymeer die mechanische sterkte en elasticiteit biedt.
• HA is een natuurlijk mineraal dat voorkomt in bot, dat de cellulaire hechting bevordert en de groei van nieuw botweefsel stimuleert.

Het resulterende frame vervult drie belangrijke functies:

1. Integreert biologisch met het omliggende gezonde bot.
2. Functioneert als tijdelijke ondersteuning terwijl nieuw weefsel groeit.
3. Degradeert gecontroleerd, waarbij het wordt vervangen door regeneratief bot.

Bovendien hebben de onderzoekers aangetoond dat door antibiotica zoals vancomycine of gentamicine aan het mengsel toe te voegen, het graft geneesmiddelen lokaal kan afgeven gedurende weken, wat het risico op postoperatieve infecties vermindert en de behoefte aan orale behandelingen vermindert.

Resultaten in laboratorium en dierenmodellen

Het team heeft het materiaal in verschillende fasen gevalideerd:

• Celculturen: nagaan dat de samenstelling niet giftig is en de hechting en proliferatie van botcellen bevordert.
• Mechanische tests: metingen van druksterkte, buigsterkte, hechting aan bot en afbraaksnelheid.
• Dierenmodel: bij konijnen met femurdefecten die te groot waren om vanzelf te genezen, werd het botpistool vergeleken met commerciële botcement.

In een periode van 12 weken toonden de geprinte grafts aan:

• Betere botregeneratie met een natuurlijkere structuur.
• Grotere botoppervlakte en corticale dikte (indicatoren van sterkte).
• Afwezigheid van ontsteking of necrose in de omliggende weefsels.
• Significante antibacteriële werking wanneer antibiotica werden toegevoegd.

Voordelen ten opzichte van traditionele methoden

Momenteel worden botdefecten behandeld met:

• Commerciële botcementen, die afdichten maar niet goed de regeneratie bevorderen.
• Botgrafts, die weefsel uit andere delen van het lichaam of van donoren vereisen.
• Metalen implantaten, doeltreffend maar duur en moeilijk aan te passen aan onregelmatige defecten.

Het botpistool biedt een alternatief dat:

• Meer maatwerk biedt: het print rechtstreeks op onregelmatige breuken.
• Sneller is: het proces is binnen enkele minuten afgerond, wat de operatietijd vermindert.
• Kosteneffectiever is: het voorkomt de externe productie van implantaten.
• Veiliger is: het reduceert infecties door antibiotica lokaal af te geven.

Obstakels naar klinisch gebruik

Hoewel veelbelovend, is de technologie nog ver verwijderd van toepassing bij menselijke patiënten. De onderzoekers erkennen verschillende noodzakelijke stappen:

• Sterilisatieprotocollen voor het apparaat en het materiaal.
• Grotere dierenproeven om effectiviteit en veiligheid aan te tonen.
• Standaardisatie van de productie van de biomateriaalsticks.
• Reguleringsgoedkeuringen die het medisch gebruik op grote schaal valideren.

Toekomstige implicaties

Als het deze fases doorstaat, kan de botprintpistool de orthopedie en traumatologie revolutioneren, met toepassingen die verder reiken dan alleen breuken:

• Reconstructie na botkanker.
• Correctie van aangeboren defecten.
• Op maat gemaakte regeneratieve geneeskunde, met betrekking tot verschillende geneesmiddelen of materialen voor elke patiënt.

Bovendien opent het concept van in situ biomedische printen de deur naar andere toepassingen: printen van kraakbeen, huid of zelfs zacht weefsel tijdens reconstructieve chirurgie.

Conclusie

De botpistool ontwikkeld in Zuid-Korea vertegenwoordigt een potentiële disruptieve vooruitgang: een draagbaar apparaat dat 3D-printing omzet in een directe, efficiënte en aanpasbare chirurgische tool. Hoewel het nog een aantal regelgevende tests en proeven met mensen moet doorstaan, suggereren de resultaten in laboratoria en dierenmodellen dat het de toekomstige norm voor snelle en gepersonaliseerde botreparatie zou kunnen worden.

Veelgestelde vragen

Wat voor materialen gebruikt de botprintpistool?
Een samenvoeging van policaprolacton (PCL), een biologisch afbreekbare polymeer, en hydroxyapatiet (HA), een natuurlijk mineraal dat in bot aanwezig is, met de mogelijkheid om antibiotica toe te voegen.

Waarom is het beter dan botcement?
Omdat het niet alleen afdicht, maar de natuurlijke regeneratie van bot stimuleert, zich integreert met het omliggende weefsel en geleidelijk verdwijnt terwijl nieuw bot wordt gevormd.

Wat voor klinische toepassingen zou het hebben?
Complexe breuken, reconstructies na tumorverwijdering, aangeboren defecten of orthopedische chirurgie waar maatwerkimplantaten nodig zijn.

Wanneer zou het beschikbaar kunnen zijn voor menselijke patiënten?
Er moeten nog proeven met grotere dieren, sterilisatieprotocollen en goedkeuringen worden uitgevoerd. Als deze stappen succesvol worden doorlopen, kan het in de komende jaren op de operatiekamers verschijnen.