Rapid 3D Printing Method for the Accurate Reproduction of Aortic Aneurysms for clinical trials and educational applications

Stel je het menselijk lichaam voor als een complex, hoogdruksysteem van loodgieterswerk, waarbij de hoofdleiding — de aorta — levensgevend bloed van het hart naar elke uithoek van het lichaam transporteert. Soms, door veroudering of slijtage, wordt een sectie van deze leiding zwakker en bolt deze uit, zoals een versleten band die een bult krijgt. Dit wordt een aneurysma van de aorta genoemd. Het is een tikkende tijdbom; als het knapt, zijn de gevolgen vaak fataand. Artsen hebben twee belangrijke manieren om dit te repareren: ze kunnen een grote openlijke operatie uitvoeren, of ze kunnen een minder invasieve methode gebruiken die Endovasculaire Aneurysma Reparatie (EVAR) wordt genoemd, waarbij ze een stent (een piepklein, uitbreidbaar metalen buisje) door de bloedvaten leiden om het lek van binnenuit te dichten.

Maar hier komt het lastige deel bij: ieders "loodgieterswerk" is uniek. De bult kan de vorm hebben van een peer, een gedraaide peer, of een vreemd gevormde klomp. Om een stent succesvol door de specifieke, gedraaide en fragiele vaten van een patiënt te leiden zonder een breuk te veroorzaken, moeten chirurgen eerst oefenen. In het verleden oefenden ze op generieke plastic modellen of computersimulaties, maar die voelden niet echt genoeg aan. Hier komt een tak van de wetenschap genaamd Additive Manufacturing (of 3D-printen) in beeld. Denk aan een superprecieze printer die geen inkt gebruikt, maar in plaats daarvan objecten laag voor laag opbouwt, waardoor artsen een perfecte, fysieke kopie van de eigen aorta van een patiënt kunnen printen. De grote vraag die onderzoekers hebben gesteld is: kunnen we deze modellen snel genoeg printen om nuttig te zijn, en kunnen we ze maken van materialen die aanvoelen en eruitzien als echt, zacht bloedvat?

In dit onderzoek besloot een team van onderzoekers deze uitdaging aan te pakken door een "patiëntspecifiek" 3D-geprint model van een aneurysma van de abdominale aorta te maken. Ze printten niet zomaar een generieke vorm; ze begonnen met een echte medische scan van een patiënt (specifiek een CT-angiografie, wat een soort supergedetailleerde 3D-röntgenfoto van de bloedvaten is). Ze namen die digitale gegevens en voedden ze aan een 3D-printer die een speciale vloeibare hars gebruikt die uithardt wanneer deze wordt geraakt door licht (een methode genaamd Stereolithografie of SLA).

Het doel was om een model te printen dat niet alleen een hard plastic omhulsel was, maar iets dat de zachte, flexibele aard van echt weefsel nabootste. Ze gebruikten een speciale "elastomeer" hars, wat in fecia een rubberachtig materiaal is dat ontworpen is om te rekken en te buigen, net als een echte slagader. Eenmaal geprint, onderwierpen ze het model aan een reeks tests om te zien hoe goed het overeenkwam met het oorspronkelijke plan.

Eerst controleerden ze de geometrie. Ze maten de dikte van de wanden van het model op verschillende plaatsen. Het computerontwerp zei dat de wanden precies 1,00 mm dik zouden moeten zijn. Toen ze het geprinte model met een digitale micrometer maten, bleek dat de gemiddelde dikte in sommige gebieden ongeveer 0,9 mm was en in andere gebieden 0,8 mm, waarbij sommige plekken aanzienlijk dunner waren (rond de 0,5 mm). Dit betekent dat de printer het doel niet elke keer perfect heeft gehaald; er was een foutmarge, waarbij sommige gebieden tot 50% dunner waren dan bedoeld. De materiaaleigenschappen zelf bleken echter vrij dicht bij de beoogde "rubberachtigheid" te liggen, met een hardheid van 54,20 op de Shore A-schaal, wat zeer dicht bij de belofte van de fabrikant van 50 ligt.

Vervolgens keken ze naar de vorm, specifelijk hoe kronkelig de slagader was. Ze volgden de middellijn van het geprinte model en berekenden hoe scherp het in verschillende secties boog. Ze ontdekten dat de kromming aanzienlijk veranderde in drie verschillende zones, waarbij de straal van de curve (hoe strak de bocht is) enorm varieerde van ongeveer 0,65 mm in de strakste punten tot meer dan 46 mm in de rechtere secties. Dit bevestigde dat de printer de complexe, kronkelende natuur van een echt aneurysma kon vastleggen, zelfs als de wanddikte wat schommelingen vertoonde.

Het meest opwindende deel van het experiment was echter de "optische" test. De onderzoekers wilden weten of een chirurg in het model kon kijken terwijl hij ermee werkte. Ze plaatsten een dunne, transparante vasculaire geleider (een instrument dat wordt gebruikt om door de vaten te navigeren) in de geprinte buis. Wanneer ze probeerden de geleider te bekijken terwijl het model in de lucht hing, was het verrassend moeilijk. Het licht weerkaatste op het rubberachtige oppervlak en boog op vreemde manieren (breking), waardoor de geleider wazig werd en moeilijk te volgen was, bijna alsof je probeert een rietje in een glas water te zien dat op een tafel staat.

Maar toen probeerden ze een slimme truc. Ze onderdompelden het hele model in een vloeistof (isopropylalcohol). Plotseling gebeurde de magie. Omdat de vloeistof en het rubberachtige model op vergelijkbare wijze licht buigen, verdween de "schittering". Het model werd bijna onzichtbaar en de geleider binnenin werd kristalhelder. Het was alsof je een speciale bril opzet die het water en het rietje tot één continu object maakt. Dit suggereerde dat voor trainingsdoeleinden het onderdompelen van het model in een bijpassende vloeistof het voor chirurgen veel gemakkelijker maakt om te zien wat ze binnenin het vat doen.

De studie concludeert dat hoewel het 3D-printen van deze modellen een snelle en veelbelovende manier is om realistische trainingsinstrumenten te creëren, het proces nog niet perfect is. De wanddikte kan variëren en het materiaal moet zorgvuldig worden behandeld. Echter, het vermogen om de specifieke anatomie van een patiënt snel te printen, gecombineerd met de "onderdompelingsmethode in vloeistof" om erin te kunnen kijken, biedt een krachtige nieuwe manier om chirurgen te helpen oefenen en plannen voordat ze ooit een echte patiënt aanraken. Het is een stap naar het transformeren van complexe medische puzzels in tastbare, oplosbare objecten.