Botimplanten gerevolutioneerd: hoe 3D-printen pasvorm, levensduur en prestaties verbetert

[Afbeeldingscredit: Health Canada]
 
Het creëren van beter passende, langer durende en hoger presterende botimplanten is een lopende zoektocht voor orthopedici en chirurgen. 3D-printen draagt enorm bij aan de vooruitgang op dit gebied.
 
De technologie stelt implantaatfabrikanten in staat om implanten te maken met verbeterde functionaliteit en meer gepersonaliseerd op specifieke patiëntbehoeftes. Verder opent 3D-printen de deur tot gepersonaliseerde implanten die op het zorgpunt gecreëerd kunnen worden.
 
Deze week vervolgen we onze 3D Printing Application Spotlight serie door te kijken naar het gebruik van 3D-printen voor medische implanten, evenals de voordelen en huidige toepassingen van de technologie.
 
Bekijk de andere toepassingen in deze serie:
 
3D-printen voor warmtewisselaars
 
3D-printen voor lagers
 
3D-printen voor fietsproductie
 
3D-printen voor digitale tandheelkunde & transparante aligner productie
 
3D-geprinte raketten en de toekomst van ruimtevaartproductie
 
3D-printen voor schoeiselproductie
 
3D-printen voor elektronische componenten
 
3D-printen in de spoorbranche
 
3D-geprinte bril
 
3D-printen voor eindonderdeelproductie
 
3D-printen voor beugels
 
3D-printen voor turbinonderdelen
 
Hoe 3D-printen betere hydraulische componenten mogelijk maakt
 
Hoe 3D-printen innovatie in de kernenergie-industrie ondersteunt
 

De medische 3D-printmarkt in 2019

 
Orthopedische implanten – medische hulpmiddelen die chirurgisch gebruikt worden om een gewricht of bot te vervangen – zijn slechts één kans die 3D-printen biedt aan de medische industrie.
 
De orthopedische 3D-printmarkt had een waarde van $691 miljoen in 2018 en wordt voorspeld door SmarTech Analysis uit te groeien tot een $3,7 miljard markt in 2027.
 
Hoewel implantaatproductie een redelijk nieuwe toepassing is voor 3D-printen – het werd voor het eerst rond 2007 gebruikt – heeft het de afgelopen decennium een snelle groei beleefd.
 
In 2010 ontving een vroege adopter van Arcam’s Electron Beam Melting (EBM) metaal 3D-printtechnologie de eerste FDA-goedkeuringen voor 3D-geprinte implanten. Zeven jaar later produceerden meer dan 300 3D-printers over de hele wereld orthopedische producten.
 
Vandaag wordt de technologie gebruikt om heup- en kniegewrichtsvervangingen, schedelreconstructie-implanten en wervelkolomimplanten te maken. Per 2019 worden meer dan 600.000 implanten geschat geproduceerd met behulp van 3D-printen. In 2027 zal dit aantal de 4 miljoen overschrijden.
 
Met zo een enorme groeikans is het geen verrassing dat alle grote medische hulpmiddelfabrikanten 3D-printtechnologie steeds meer omarmen.
 
Stryker, een van de grootste medische technologiebedrijven ter wereld, heeft onlangs zijn eigen 3D-geprinte implanten gelanceerd, waaronder de 3D-geprinte Tritanium TL Curved Posterior Lumbar Cage. Deze holle ruggenmergeimplant kreeg in maart 2018 FDA-goedkeuring.
 
Naast Stryker investeren andere bekende orthopedische apparaatfabrikanten als DePuy Synthes, een dochter van Johnson & Johnson, en Medtronic zwaar in 3D-printen. De laatste lanceerde in mei 2018 een 3D-printplatform, TiONIC Technology, met als doel complexere ontwerpen en geïntegreerde oppervlaktetechnologieën voor wervelkolomchirurgische implanten mogelijk te maken.
 
Naast gevestigde fabrikanten zijn er de afgelopen decennium medische startups ontstaan, die eigentijdse benaderingen ontwikkelen voor 3D-geprinte orthopedische implanten.
 
Daaronder vallen bedrijven als Osseus Fusion Systems, Nexxt Spine, 4WEB Medical en SI-BONE. Sommige van hun producten hebben al FDA-goedkeuring en zijn met succes gebruikt om patiënten te behandelen.
 
Duidelijk is dat er een opwaartse traject is voor 3D-geprinte implanten de afgelopen decennium. Maar wat maakt deze technologie zo nuttig voor medische implanten?
 

De voordelen van 3D-geprinte implanten

Ontwerpvrijheid

 
Met 3D-printen kunnen complexe ontwerpen gemaakt worden die anders moeilijk te bereiken zijn met traditionele technologieën. Implantaatfabrikanten kunnen dit voordeel benutten om implanten te produceren met ingewikkelde ontwerpkenmerken zoals trabeculaire structuren.
 
Trabeculair bot is een van de twee botweefseltypen in het menselijk lichaam. Het heeft een sponsachtige, poreuze structuur die moeilijk na te bootsen is in een implantaat. Traditioneel gebruiken fabrikanten een speciale coating om een trabeculaire structuur op het implantaat te creëren. Dit draagt echter het risico van delaminatie en falen van het implantaat.
 
Met 3D-printen kunnen implanten met een trabeculaire structuur direct geproduceerd worden, waardoor het coatingsproces overbodig wordt. Belangrijker nog, de geïntegreerde poreuze trabeculaire structuur in een 3D-geprinte implantaat creëert een sterker implantaat met een verminderd risico op delaminatie.
 
Zulke ontwerpvrijheid wordt geboden door metaal 3D-printtechnologieën zoals Selective Laser Melting of Electron Beam Melting. Deze technologieën richten een krachtige energiebron zoals een laser (SLM) of een elektronenbundel (EBM) op een dunne laag biocompatibel poeder zoals titanium.
 
Door dit proces op honderden lagen te herhalen, is het mogelijk om een complex implantaat te creëren dat zich veel efficiënter aan de menselijke botstructuur aanpast dan traditioneel gemaakte implanten.
 
Een ander belangrijk voordeel van poreuze 3D-geprinte implanten is verbeterde osseointegratie.
 
Osseointegratie is een proces waardoor een implantaat een permanent deel van het lichaam wordt. De poreuze trabeculaire structuur laat bot in de poriën groeien, wat de binding tussen het implantaat en het bestaande bot verder versterkt.
 

Verminderde stress shielding

 
Verder kunnen medische apparaatfabrikanten implanten ontwerpen die de stijfheid en dichtheid van het bot van de patiënt nabootsen. Naast het verbeteren van osseointegratie, kunnen 3D-geprinte implanten stress shielding verminderen en de fysieke functie verbeteren.
 
Stress shielding verwijst naar het fenomeen waarbij metaalimplanten typische spanningen van het bot van de patiënt wegnemen. Het resultaat is een reductie in botdichtheid, waardoor het bot zwakker wordt. Stress shielding kan leiden tot breuken en luxaties. Het ontwerpen van een implantaat zo dicht mogelijk bij het botweefsel van de patiënt is daarom cruciaal om stress shielding te verminderen en deze ongewenste effecten te elimineren.
 
In een recent voorbeeld combineerde IT-bedrijf Altair 3D-printen en topologie-optimalisatiesoftware om een verbeterde heupstamimplantaat te creëren.
 
Door parameters als grootte, gewicht en de verwachte belasting die het implantaat zou dragen in te voeren, werd topologie-optimalisatiesoftware gebruikt om een nieuw ontwerp voor een heupimplantaat te maken. Het geoptimaliseerde ontwerp verdeelt spanning en vervorming efficiënter dan een generiek implantaat.
 
Verder hielp topologie-optimalisatiesoftware bepalen waar materiaal vervangen kon worden door roosterstructuren om het implantaat lichter te maken.
 
Bij testen bood het geoptimaliseerde implantaat een stress shielding reductie van 50,7%. Tegelijkertijd steeg de uithoudingsgrens tot ongeveer 10 miljoen cycli. Dit betekent dat het heupimplantaat joggen van Los Angeles naar New York en terug – tweemaal – volhouder kon zijn.
 

3D-printen van patiëntspecifieke implanten

In complexere gevallen kunnen standaardimplanten vaak niet de benodigde flexibiliteit bieden. 3D-printen kan hier helpen, door de mogelijkheid om medische hulpmiddelen, inclusief implanten, te customiseren en te personaliseren.
 
Om een patiëntspecifiek implantaat te produceren, gebruiken fabrikanten data verkregen uit een patiëntscan, zoals een computed tomography (CT) of magnetic resonance imaging (MRI) scan. De patiëntdata wordt dan in CAD geïmporteerd, voor productie voorbereid, 3D-geprint en afgewerkt.
 
Het gebruik van een custom 3D-geprinte implantaat biedt potentieel voor verminderde operatietijd en verbeterde implantaatpasvorm.
 
Momenteel kan 3D-printen gebruikt worden om custom schedel- en kaakimplanten te maken waar esthetische eisen even belangrijk zijn als functionaliteit.
 
Bijvoorbeeld, een 10-jarige Chinees jongen ontving in 2018 een 3D-geprinte kaakimplantaat. Hij had een tumor in zijn kaak die niet verwijderd kon worden zonder significante gezichtsdeformatie.
 
Het chirurgische team concludeerde dat een conventionele gezichtsreconstructie te gevaarlijk was voor zo een jonge patiënt. Op zoek naar een betere oplossing, keken ze naar 3D-printen, met digitale modellen van de kaak van de jongen om een perfect aangepaste custom titaniumimplantaat te ontwerpen.
 
Volgens de chirurgen was de kaakimplantaat gemakkelijk te plaatsen omdat het gebaseerd was op de anatomie van de patiënt. Drie maanden na de procedure was de implantatie succesvol, met de kaak goed uitgelijnd en een grote hoeveelheid weefselgroei.
 

3 voorbeelden van 3D-geprinte implanten

Een 3D-geprinte heupimplantaat maakt extreme bergbeklimming mogelijk

 
Romano Benet en zijn vrouw, Nives Meroi, beklimmen al jaren de gevaarlijkste bergen ter wereld. In 2017 werd het koppel het eerste paar dat alle 14 hoogste pieken beklom. Dit prestatie was waarschijnlijk onmogelijk geweest zonder 3D-printen.
 
Benet leed aan bilaterale avasculaire necrose, wat leidt tot instorting van het bot.
 
Toen de diagnose gesteld werd, stonden Benet en zijn vrouw nog drie pieken te beklimmen om de werelddoorkomst van alle 14 bergen te voltooien. Om hun reis voort te zetten, had de bergbeklimmer een stabiel implantaat nodig dat hem snel kon laten herstellen.
 
Daarom koos de chirurg voor een 3D-geprinte implantaat.
 
De implantaat, bekend onder de merknaam Delta Trabecular Titanium (TT) cup, werd geproduceerd door het Italiaanse medische apparaatbedrijf Lima Corporate, met behulp van Arcam’ EBM 3D-printer.
 
Door Lima’s Trabecular Titanium technologie en 3D-printen te combineren, was het mogelijk om implanten te maken die de poreuze structuur van natuurlijk bot nabootsen.
 
Dankzij deze trabeculaire structuur kan een 3D-geprinte implantaat mechanische belasting tijdens zware activiteit weerstaan. Benet’s chirurg, die TT cups een handvol keer had geïmplanteerd bij andere patiënten, geloofde dat naast geweldige stabiliteit en sterkte, 3D-geprinte implanten ook het potentieel hebben om langer te duren dan conventionele implanten.
 
Toen Benet zijn eerste, niet-3D-geprinte implantaat ontving, had hij veel maanden inactiviteit geleden voordat hij weer begon te klimmen. Met een 3D-geprinte implantaat kon de bergbeklimmer zijn activiteit na twee en een half maand hervatten.
 
Uiteindelijk deed de 3D-geprinte implantaat zijn werk: het maakte Benet in staat om snel te herstellen en zijn quest om de laatste drie hoogtepieken te bereiken met succes te voltooien.
 

Osseus Fusion Systems: Op weg naar gepersonaliseerde metaalimplanten

 
Opgericht in 2012, is Osseus Fusion Systems een Amerikaans bedrijf gefocust op het ontwikkelen van geavanceerde medische producten voor wervelkolomgerelateerde letsels.
 
Om de kwaliteit en functionaliteit van hun producten te verbeteren, heeft Osseus een eigen 3D-printtechnologie ontwikkeld genaamd PL3XUS.
 
De technologie is gebaseerd op powder bed fusion 3D-printen, specifiek Selective Laser Melting (SLM), en kan 80% poreuze titaniumimplanten creëren, geoptimaliseerd voor botfusie en biologische fixatie (het proces waarbij levend bot permanent aan de implantaatoppervlakte hecht).
 
In augustus 2018 behaalde Osseus FDA 510(k) clearance voor Aries, zijn familie van additief geproduceerde lumbale interbody fusieapparaten. De Aries-familie van implanten is ontworpen om chirurgen te helpen rugpijn te verlichten en wervelkolomhersteltijd te verkorten.
 
Eerder dit jaar is Osseus’ Aries-product voor het eerst in de praktijk gebracht door Joseph Spine, een centrum voor wervelkolom- en scoliosechirurgie. PL3XUS-technologie maakte het mogelijk om het implantaat te ontwerpen met een architectuur vergelijkbaar met het bot van een patiënt, wat de botingroei vergemakkelijkt.
 
In de komende paar jaar plannet Osseus gepersonaliseerde apparaten te lanceren gebaseerd op patiënt-CT scans, Röntgenfoto's en MRI's.
 
Met deze volgende stap wil het bedrijf hospitals in staat stellen superieure patiëntenzorg te leveren en uiteindelijk de chirurgische uitkomsten voor patiënten verder te verbeteren.
 

3D-printen van implanten met high-performance thermoplasten

 
Naast titanium en andere biocompatibele metalen, kan 3D-printen gekoppeld worden aan polymeren zoals PEEK en PEKK om implanten te produceren. Deze thermoplasten zijn bekend om hun hoge sterkte en biocompatibiliteit, en bieden ook een paar voordelen ten opzichte van metaalimplanten zoals lagere kosten en radiolucentie.
 
In 2013 werd Oxford Performance Materials (OPM) het eerste bedrijf dat FDA-clearance ontving voor een patiëntspecifiek 3D-geprinte PEKK schedelimplantaat. In 2017 had OPM meer dan 1400 schedelimplanten verzonden en FDA-clearances ontvangen voor twee andere apparaten: kaak- en wervelkolomimplanten.
 
Het bedrijf gebruikt Selective Laser Sintering technologie, wat OPM’s eigen OsteoFab® platform voor implantaatontwikkeling en -productie aandrijft. In één voorbeeld maakte dit platform het mogelijk om een patiëntspecifiek schedelimplantaat te ontwerpen, produceren, testen en verzenden van OPM in slechts 3 werkdagen. In minder dan een week voerden chirurgen de operatie succesvol uit, zonder snijden of boren om het implantaat te herschikken.
 

3D-printen voor medische implanten: Een impact maken

Biocompatibiliteit, belastbaarheid en duurzaamheid zijn de fundamentele eisen voor orthopedische implanten. 3D-printen voldoet volledig aan deze eisen en verbetert tegelijkertijd de functionaliteit en pasvorm van implanten.
 
Dit kan voornamelijk toegeschreven worden aan de mogelijkheid van de technologie om complexe vormen als poreuze structuren te creëren, die helpen dat het lichaam van de patiënt sneller en met minder complicaties aan een implantaat wennen.
 
Gaandeweg zal 3D-printen voor implanten blijven evolueren. Een bijzonder spannend gebied van lopend onderzoek is de combinatie van 3D-geprinte implanten en sensoren. Door sensor-gepowerde implanten te ontwikkelen, kunnen zorgverleners patiëntuitkomsten potentiëel significant verbeteren.
 
Ingebouwde sensoren kunnen data verzamelen als temperatuur rond het implantaat, beweging en spanning die op het implantaat wordt uitgeoefend. Dit stelt chirurgen in staat om vroegtijdig te reageren op potentiële problemen en de behandeling af te stemmen op de behoeften van individuele patiënten.
 
Renishaw, een Britse fabrikant van metaal 3D-printers, en Western University hebben al het Additive Design in Surgical Solutions (ADEISS) Centrum op de campus van de universiteit opgezet. Het centrum brengt academici en clinici samen om te werken aan het ontwikkelen van nieuwe 3D-geprinte medische hulpmiddelen zoals hierboven beschreven.
 
Duidelijk is dat 3D-printtechnologie een sterke voetplaats krijgt binnen het orthopedisch segment.
 
De technologie zal echter moeten rijpen om haar potentieel voor custom-made implanten geproduceerd op het zorgpunt echt te ontgrendelen.
 
Toegestaan, momenteel is alleen een klein percentage implanten custom-made met 3D-printen. Hoewel de technologie enorm potentieel heeft, moeten vragen rond standaardisatie en regulering nog worden aangepakt.
 
Dat gezegd hebbende, het creëren van custom medische implanten is waar de technologie de grootste impact kan maken en meer mensen in staat stellen te profiteren van gepersonaliseerde gezondheidszorg. We geloven dat deze richting in de komende jaren significant aan tractie zal winnen.
 
In ons volgende artikel kijken we naar hoe 3D-printen rakietproductie kan verbeteren. Blijf op de hoogte!