Een nieuwe 3D-printmethode kan de ontwikkeling van patiëntspecifieke implantaten voor minimaal invasieve hart- en vaatbehandelingen een stap verder brengen. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van het IMDEA Materials Institute en de Universidad Politécnica de Madrid (UPM) heeft een methode ontwikkeld waarmee complexe, gevlochten structuren van nitinol in één productieproces kunnen worden gemaakt. Nitinol is een legering van nikkel en titanium die bekendstaat om zijn superelasticiteit en vormgeheugen.
De technologie is bedoeld voor medische hulpmiddelen die sterk moeten kunnen worden samengedrukt om via een katheter door bloedvaten naar hun bestemming te worden gebracht. Eenmaal op de juiste plaats moet het implantaat zijn oorspronkelijke vorm weer aannemen. De onderzoekers denken onder meer aan toepassingen zoals stents en andere cardiovasculaire implantaten. Aan het onderzoekers namen ook wetenschappers van MIT en de University of Galway deel. De technologie is inmiddels gepatenteerd en werd bekroond met de National James Dyson Award.
Grenzen van bestaande implantaten
Nitinol wordt al gebruikt voor minimaal invasieve transkatheterbehandelingen. Volgens onderzoeker Carlos Aguilar Vega hebben dergelijke implantaten een grote impact gehad op cardiovasculaire interventies, maar stellen de huidige productiemethoden grenzen aan de geometrie en daarmee aan de mogelijkheden voor verdere optimalisatie en personalisatie.
Bij additief geproduceerde metalen implantaten wordt vaak gewerkt met zogenoemde roosterstructuren. Deze bestaan uit een netwerk van onderling verbonden, relatief stijve elementen. Wanneer zo'n structuur wordt samengedrukt, vervormt deze vooral doordat de afzonderlijke elementen buigen.
Juist bij katheterbehandelingen levert dat problemen op. Een implantaat moet voldoende klein kunnen worden gemaakt om door een katheter en bloedvaten te bewegen, zonder permanent te vervormen of te breken. Na plaatsing moet het vervolgens weer zijn oorspronkelijke vorm aannemen. Volgens de onderzoekers worden conventionele roosterstructuren bij sterke compressie te stijf. Bovendien kunnen ze relatief grote krachten op de vaatwand uitoefenen en neemt bij vervormingen richting 25 procent het risico op breuk toe.
Gevlochten structuur veert terug
De nieuwe aanpak maakt daarom gebruik van een gevlochten architectuur. Daarbij wordt vervorming niet hoofdzakelijk opgevangen door het buigen van stijve onderdelen, maar door de beweging en heroriëntatie van onderling verweven filamenten. Dat principe lijkt op de werking van traditionele gevlochten stents of textiel.
Om het oppervlak geschikt te maken voor biomedische toepassingen behandelden de onderzoekers de geprinte structuren met een combinatie van chemisch etsen en elektrolytisch polijsten. Hierdoor nam de dikte van de vezels met 47,7 procent af en werd het oppervlak van de dwarsdoorsnede 71,1 procent kleiner dan direct na het printen.
In mechanische tests konden de gevlochten stents vervolgens worden samengedrukt tot 50 procent van hun oorspronkelijke diameter, terwijl ze daarna meer dan 90 procent van hun vorm terugkregen. Ook de zogenoemde chronic outward force, de blijvende kracht die een implantaat naar buiten op de vaatwand uitoefent, was tot vijf keer lager dan bij de onderzochte conventionele roosterstructuren. Volgens de onderzoekers kan een lagere kracht relevant zijn voor het beperken van vaatbeschadiging en trombose.
De prototypes zijn mechanisch getest aan de hand van gangbare prestatie-indicatoren. Daarbij werd één cyclus van samendrukken en uitzetten uitgevoerd om het inbrengen in een katheter en de daaropvolgende ontplooiing na te bootsen. Van klinische toepassing is echter nog geen sprake. Eerst staan onder meer biocompatibiliteitstesten in het laboratorium en dieronderzoek gepland. Pas daarna kunnen eventuele studies bij patiënten volgen.
3D-printing voor hartzorg
3D-printtechnologie wordt steeds vaker ook ingezet om cardiovasculaire implantaten beter aan te passen aan de anatomie en behandeling van individuele patiënten. Zo schreven we vorig jaar over Amerikaanse onderzoekers die een 3D-geprinte hartklep van bioresorbeerbaar materiaal ontwikkelden. Ook die technologie combineert 3D-printing met vormgeheugen. De experimentele hartklep kan worden opgevouwen voor plaatsing via een katheter en ontvouwt zich daarna weer. Het materiaal is ontworpen om de vorming van lichaamseigen weefsel te stimuleren en vervolgens binnen enkele maanden te worden afgebroken.
Die aanpak verschilt wezenlijk van het nieuwe onderzoek met nitinol. Het bioresorbeerbare implantaat is bedoeld als tijdelijke structuur die uiteindelijk plaatsmaakt voor nieuw weefsel. De geprinte nitinolstructuren zijn juist gericht op het combineren van complexe, patiëntspecifieke geometrieën met de mechanische eigenschappen die nodig zijn voor minimaal invasieve plaatsing.
Beide onderzoekslijnen laten zien dat 3D-printing tegenwoordig niet alleen meer gebruikt om anatomische modellen te maken, maar steeds nadrukkelijker voor het ontwerpen van implantaten waarvan vorm, materiaal en mechanische eigenschappen op een specifieke medische toepassing kunnen worden afgestemd.
Kleinere implantaten
De onderzoekers achter de nitinoltechnologie kijken bovendien verder dan cardiovasculaire toepassingen. Een volgende uitdaging is het ontwikkelen van kleinere implantaten voor moeilijk bereikbare bloedvaten in de hersenen. Daarvoor moeten complexe nitinolstructuren nog verder worden geminiaturiseerd. Het team wil onder meer onderzoeken of zeer nauwkeurige 3D-printtechnieken op basis van twee-fotonpolymerisatie met metaalhoudende suspensies daarvoor geschikt zijn. Ook magnetische functionaliteit wordt onderzocht, waarmee kleine implantaten mogelijk op afstand door het vaatstelsel kunnen worden gestuurd.
Die toepassingen bevinden zich nog in een vroege onderzoeksfase. Ook voor de huidige gevlochten nitinolimplantaten moeten biocompatibiliteit, veiligheid en prestaties verder worden onderzocht voordat klinische toepassing aan de orde is. De resultaten laten vooralsnog vooral zien dat 3D-printing ontwerpvrijheid kan bieden voor implantaten die zowel patiëntspecifiek als sterk vervormbaar moeten zijn.
Voeg ICT&health toe aan Google
Toon meer content van ICT&health in Google Zoeken.
