Hoe 3D-modellering Luchtweg-splinten en Stents Transformeert: Precisie en Patiëntuitkomsten Verbeteren

We hebben eerder geschreven over de groeiende rol van 3D-modellering en -printen in medische toepassingen, en de impact op het verbeteren van levens. Maar deze technologie beloft nog grotere toezegging in het mogelijk maken van levensreddende procedures.

In eerdere blogs hebben we gedekte aangedreven prothesen ontwikkeld door de Biomechatronics-onderzoeksgroep bij MIT waar de onderbeen gemodelleerd moet worden om de interne structuur plus de kracht van individuele weefsels en spieren die gebruikt worden om de lidmaat te controleren te begrijpen. Dus terwijl de basis lidmaat een standaardconstructie is, moet de bevestiging- en sensorstructuur voor elke klant gemodelleerd en geproduceerd worden.

We hebben ook besproken hoe mass customization zich zal uitstrekken naar de operatiekamer waar chirurgen coronaire venestents en vervangingsgewrichten zullen implanteren die aangepast zijn aan de patiënt, en dat binnenkort patiënten hun aangedane arteriëen en gewrichten 3D-gemodelleerd zullen hebben om de exacte configuratie en grootte te bepalen.

Beide sets toepassingen tonen aan hoe 3D-modellering en -printen bestaande behandelingen en toepassingen verbeteren. En hoewel ze meer of minder levensveranderend zijn, is er één nieuwe toepassing die alleen praktisch is dankzij 3D-modellering en -printen – luchtweg- of trachéale stents en splinten – items die levens kunnen redden.

Huidige Stand van Zaken

Huidige luchtweg- (tracheobronchiale boom) stents zijn relatief primitieve zaken bestaande uit Y-vormige buizen met een soort mechaniek om ze op hun plaats te houden. Ze lijken meer op iets uit je auto dan op een medisch apparaat. Omdat deze stents simpel in constructie zijn en alleen benaderingsgewijs passen, kunnen ze binnen de luchtweg verplaatsen, wat hun effectiviteit vermindert. Of erger, de stent kan geblokkeerd raken met slijm of de vorming van nieuw weefsel rond het mechanisme dat bedoeld is om het op zijn plaats te houden veroorzaken.

De vorm en grootte van deze stents kan aangepast worden, maar het vereist metingen van de patiënt en vervolgens communicatie naar de fabrikant. Dit proces kan weken duren voordat een nieuwe stent geleverd wordt en resulteert nog steeds in een minder-dan-perfect-passende stent. En natuurlijk zijn er altijd gevallen waar een patiënt niet kan wachten.

3D-productie Genomen tot het Volgende Niveau

Kom Dr. George Chang van Beth Israel Deaconess Medical Center, die de potentiële toepassing van 3D-modellering en -printen zag om aangepaste stents te ontwikkelen die de pasvormproblemen van huidige oplossingen beëindigen. Met een subsidie om het project te financieren, stelde Dr. Chang een divers team samen om het probleem aan te pakken. De eerste uitdaging waar het team tegenaan liep was dat geen 3D-printer het medisch-graden siliconen kon aan dat voor de stent nodig was. De oplossing was om een mal te 3D-printen die vervolgens gebruikt kon worden om de benodigde stent uit het juiste materiaal te creëren. Gebaseerd op die realisatie, schreef het team een programma om een 3D-scan van de trachea van een patiënt te nemen en de benodigde mal te genereren. Niet alleen is de nieuwe stent een perfecte pasvorm, die veel beter functioneert dan eerdere commerciële stents, maar de tijd om de stent te genereren duurt slechts een paar dagen.

Er is een interessante spin-off van Dr. Chang's werk: de malen gemaakt voor patiënten vertegenwoordigen een heel realistisch trainingsapparaat voor longartsen die leren bronchoscopie uitvoeren. Niet alleen zijn deze malen veel goedkoper dan de huidige trainingsmodellen gebruikt, ze vangen alle details van een echte tracheobronchiale boom.

Op Een Hogere Trap Tillen

Zo indrukwekkend het baanbrekende werk van Dr. Chang ook is, het vervangt eigenlijk een oudere stijl van stent. Maar voor zuigelingen die lijden aan tracheobronchomalacie (of TBM), zijn de enige huidige behandelingen ingewikkelde operaties en constante ventilatie en monitoring. Zelfs met de operaties, zijn de kansen dat een zuigeling overleeft niet goed. Echter, degene die overleven, groeien de conditie uit op driejarige leeftijd.

TBM is een conditie waarbij de luchtweg gecomprimeerd wordt door interne organen die drukken op een zwakke tracheobronchiale boom. Terwijl een stent een duidelijke oplossing zou kunnen zijn, zijn er twee grote uitdagingen:

• De grootte van de zuigeling's luchtweg. Vanwege pasvormproblemen is een stent niet praktisch.
• Elk remedium moet mee groeien met de zuigeling.

Het team van Scott Hollister, PhD, Glenn Green, PhD, en Robert Morrison, MD, van de Universiteit van Michigan, Ann Arbor, bedachten het concept van een 3D-geprinte splint (omringend de trachea) die mee groeit met de patiënt. Bovendien wilde het team een splint creëren die bioresorbeerbaar was, wat betekent dat het binnen een paar jaar in het lichaam van het kind geabsorbeerd zou worden, wat de noodzaak voor een latere operatie om de splint te verwijderen onnodig maakt.

Met dank aan het University of Michigan Health System

De oplossing begint met een 3D-model gebouwd uit CT-beeldvorming genomen van de luchtweg van de zuigeling. Vanuit dit model wordt een 3D-geprint model van de tracheobronchiale boom van het kind gebruikt voor pasvorm, samen met de splint zelf. De splint wordt geprint met een biopolymeer genaamd polycaprolacton, wat niet alleen biologisch afbreekbaar is, maar ook goedkoop. De resulterende splint wordt dan om de trachea van het kind gezoend, wat de trachea ondersteunt totdat deze sterker wordt.

De resultaten zijn verbazingwekkend. De eerste operatie met de splint werd in februari 2012 uitgevoerd op een klein kind wiens enige alternatief verstikking was. Zodra de splint geïnstalleerd was, keerde normale ademhaling terug. De zuigeling werd na 21 dagen van de ventilator gehaald en kon naar huis gaan, zonder tekenen van ademhalingsproblemen. Gezien TBM 1 op de 2.200 in de VS geboren zuigelingen beïnvloedt, zal het aantal geredde levens enorm zijn.

Voortgaand in de toekomst, kunnen we verwachten om deze typen 3D-modellering en -printen gebaseerde oplossingen te zien die bioresorbeerbare stents en splinten creëren om verschillende condities aan te pakken, wat duizenden patiënten nieuwe hoop biedt.