De impact van 3D-modellering op luchtwegspalken en stents

We hebben eerder geschreven over de groeiende rol van 3D-modellering en -printen in medische toepassingen en de impact ervan op het verbeteren van het leven van mensen. Maar deze technologie belooft steeds meer levensreddende procedures mogelijk te maken.

In eerdere blogs hebben we het gehad over aangedreven protheses die zijn ontwikkeld door de onderzoeksgroep Biomechatronics aan het MIT, waarbij het onderbeen moet worden gemodelleerd om de interne structuur te begrijpen plus de kracht van individuele weefsels en spieren die worden gebruikt om het ledemaat te controleren. Dus hoewel de basisledemaat een standaardconstructie is, moeten de bevestigings- en sensorstructuur voor elke cliënt worden gemodelleerd en vervaardigd.

We hebben ook besproken hoe massaaanpassing zich zal uitstrekken tot de operatiekamer waar chirurgen coronaire veneuze stents en vervangende gewrichten zullen inbrengen die zijn aangepast aan de patiënt, en dat binnenkort patiënten hun aangetaste slagaders en gewrichten in 3D-model zullen krijgen om de exacte configuratie en grootte te bepalen nodig.

Beide sets van toepassingen laten zien hoe 3D-modellering en printen bestaande behandelingen en toepassingen verbeteren. En hoewel ze min of meer levensveranderend zijn, is er één nieuwe applicatie die alleen . is praktisch door 3D-modellering en printen - luchtweg- of tracheale stents en spalken - items die levens kunnen redden.

Huidige stand van zaken

Huidige luchtweg (tracheobronchiale boom) stents zijn relatief ruwe zaken die bestaan ​​uit Y-vormige buizen met een soort mechanisme om ze op hun plaats te houden. Ze lijken meer op iets uit uw auto dan op een medisch hulpmiddel. Omdat deze stents eenvoudig van constructie zijn en slechts bij benadering worden aangebracht, kunnen ze in de luchtweg bewegen, waardoor ze minder effectief zijn. Of erger nog, de stent kan verstopt raken met slijm of de vorming van nieuw weefsel veroorzaken rond het mechanisme dat de stent op zijn plaats moet houden.

De vorm en grootte van deze stents kunnen worden aangepast, maar hiervoor moeten metingen bij de patiënt worden gedaan en vervolgens aan de fabrikant worden gecommuniceerd. Dit proces kan weken duren voordat een nieuwe stent wordt afgeleverd en nog steeds resulteert in een minder dan perfect passende stent. En natuurlijk zijn er altijd gevallen waarin een patiënt niet kan wachten.

3D-productie naar een hoger niveau getild

Ga naar Dr. George Chang van het Beth Israel Deaconess Medical Center, die de mogelijke toepassing van 3D-modellering en -printen zag om op maat gemaakte stents te ontwikkelen die een einde maken aan de problemen met de huidige oplossingen. Met behulp van een subsidie ​​om het project te financieren, stelde Dr. Chang een divers team samen om het probleem aan te pakken. De eerste uitdaging die het team tegenkwam, was dat geen enkele 3D-printer het silicium van medische kwaliteit aankon dat nodig is voor de stent. De oplossing was om een ​​mal in 3D te printen die vervolgens kon worden gebruikt om de benodigde stent van het juiste materiaal te maken. Op basis van dat besef schreef het team een ​​programma om een ​​3D-scan van de luchtpijp van een patiënt te maken en de benodigde schimmel te genereren. De nieuwe stent past niet alleen perfect en functioneert veel beter dan eerdere commerciële stents, maar de tijd om de stent te maken duurt slechts een paar dagen.

Er is een interessante spin-off van het werk van Dr. Chang:de mallen die voor patiënten zijn gemaakt, vormen een zeer realistisch trainingsapparaat voor longartsen die leren bronchoscopie uit te voeren. Deze mallen zijn niet alleen veel goedkoper dan de huidige trainingsmodellen, ze leggen alle details van een echte tracheobronchiale boom vast.

Tot elf bellen

Hoe indrukwekkend het pionierswerk van Dr. Chang ook is, het vervangt in feite een oudere stijl van stent. Maar voor zuigelingen die lijden aan tracheobronchomalacie (of TBM), zijn de enige huidige behandelingen gecompliceerde operaties en constante ventilatie en monitoring. Zelfs met de operaties is de overlevingskans van een baby niet goed. Degenen die het wel overleven, groeien echter op driejarige leeftijd uit de aandoening.

TBM is een aandoening waarbij de luchtweg wordt samengedrukt doordat inwendige organen op een zwakke tracheobronchiale boom drukken. Hoewel een stent een voor de hand liggende oplossing kan zijn, zijn er twee grote uitdagingen:

• De grootte van de luchtwegen van het kind. Door problemen met het passen is een stent niet praktisch.
• Elk middel moet met het kind meegroeien.

Het team van Scott Hollister, PhD, Glenn Green, PhD, en Robert Morrison, MD, van de Universiteit van Michigan, Ann Arbor, bedacht het concept van een 3D-geprinte spalk (rond de luchtpijp) die meegroeit met de patiënt. Bovendien wilde het team een ​​spalk maken die bioresorbeerbaar was, wat betekent dat hij binnen een paar jaar gewoon in het lichaam van het kind zou worden opgenomen, zodat er later geen operatie nodig was om de spalk te verwijderen.

Hoffelijkheid van het gezondheidssysteem van de Universiteit van Michigan

De oplossing begint met een 3D-model opgebouwd uit CT-beeldvorming van de luchtwegen van het kind. Van dit model wordt een 3D-geprint model gemaakt van de tracheobronchiale boom van het kind die wordt gebruikt voor het passen, samen met de spalk zelf. De spalk is bedrukt met een biopolymeer genaamd polycaprolacton, dat niet alleen biologisch afbreekbaar is, maar ook goedkoop. De resulterende spalk wordt vervolgens rond de luchtpijp van het kind genaaid en ondersteunt de luchtpijp totdat deze sterker wordt.

De resultaten zijn verbluffend. De eerste operatie met de spalk werd in februari 2012 uitgevoerd bij een klein kind wiens enige alternatief verstikking was. Zodra de spalk was geïnstalleerd, keerde de normale ademhaling terug. Het kind werd na 21 dagen uit een beademingsapparaat gehaald en kon naar huis terugkeren zonder tekenen van ademhalingsproblemen. Aangezien TBM 1 op de 2200 baby's treft die in de VS worden geboren, zal het aantal geredde levens enorm zijn.

In de toekomst kunnen we dit soort op 3D-modellering en afdrukken gebaseerde oplossingen verwachten om bioresorbeerbare stents en spalken te maken om verschillende aandoeningen aan te pakken, waardoor duizenden patiënten nieuwe hoop krijgen.