Gemakkelijk(er) ademen met luchtvaart- en ruimtevaarttechnologie

Nieuws - 04 februari 2021

Een team van onderzoekers geleid door prof. Leroux van ETH Zürich, heeft een nieuwe gepersonaliseerde biologisch afbreekbare 3D-geprinte stent voor de luchtpijp ontwikkeld. Hiervoor hebben zij gebruik gemaakt van een nieuwe polymeerchemie en 3D-printer die werkt met licht en bij hoge temperaturen. Op deze manier kunnen zij stents produceren die exact zijn afgestemd op de anatomie van de patiënt. Operaties om stents te verwijderen – vooral riskant bij oudere patiënten en kinderen - kunnen worden voorkomen omdat de stent na verloop van tijd vanzelf oplost in het lichaam. De wetenschappelijke publicatie van de groep, waaronder onderzoeker Kunal Masania van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek TU Delft, is vandaag gepubliceerd in Science Advances.

(Photo: Getty Images)

Weefselschade

Centrale luchtwegobstructie (CAO) is een levensbedreigende aandoening, veroorzaakt door bijvoorbeeld longkanker, en waarvoor patiënten moeten worden geïntubeerd. Momenteel zijn de stents die gebruikt worden voor de vernauwing die het gevolg is van intubatie, gemaakt van metaal of siliconen. Ze zijn slechts verkrijgbaar in een beperkt aantal maten en vormen. Slecht passende stents kunnen echter in de luchtpijp verschuiven, waardoor schade aan het weefsel kan ontstaan. Bovendien moeten siliconenstents operatief worden verwijderd, met het risico van verdere aanzienlijke weefselschade. Vooral bij kinderen bij wie de luchtwegen nog in de groei zijn of bij oudere of medisch fragiele patiënten.

Een internationale groep onderzoekers, onder leiding van Prof. Leroux van het Institute of Pharmaceutical Sciences, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich, onderzocht de mogelijkheid om stents te ontwikkelen die 3D-geprint kunnen worden zodat ze exact afgestemd kunnen worden op de anatomie van de patiënt en die na verloop van tijd biologisch afgebroken worden, waardoor operaties overbodig worden. 

Fig. 1 From computed tomography images, to customized design of geometry and material allows for predictable placement and biodegradation of airway stents. Credit: from Paunovic N, et al. SciAdv 2021

Materialen met luchtvaart- en ruimtevaartkwaliteit  

De groep richtte zich hiervoor tot de luchtvaart- en ruimtevaarttechniek. Kunal Masania, voorheen werkzaam in prof. Studarts Complex Materials Group aan ETH Zürich, nu Universitair Hoofddocent aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek TU Delft: "De meest geschikte 3D-printtechniek voor biomedische toepassingen zoals stents is digital light processing (DLP), maar het gebruik ervan is vrij beperkt door een gebrek aan geschikte bio-afbreekbare inkten. De huidige inkten produceren stijve en brosse objecten die niet geschikt zijn voor stents." Samen ontwikkelden ze een aangepaste DLP-printer die tot 200 C kan verhitten, een temperatuur die typisch is voor materialen die gebruikt worden in de luchtvaart- en ruimtevaart. Hierdoor nam de viscositeit drastisch af. Uiteindelijk werd er geprint bij een temperatuur van 70 tot 90 C. Masania: "Door de bio-afbreekbare inkt te combineren met computertomografie, hebben we met succes DLP 3D-geprinte, op maat gemaakte luchtwegstents kunnen maken, met een hoge resolutie die veel verder gaat dan wat tot nu toe is aangetoond." De stents zijn zo ontworpen dat zij in het lichaam afbreken als ze hun biomedische functie hebben vervuld. Stents die in konijnen werden geplaatst verdwenen uit zichzelf na 7 weken zonder blijvende weefselschade of andere bijwerkingen.  

Fig 2. Shows, left above, the printer set up to custom manufacture stents, right. Below, the position of the stent (red line) does not move with respect to the C4 vertebrae (black arrow) of a rabbit and disappears over a period of 7-8 weeks. Credit: from Paunovic N, et al. SciAdv 2021

Verlichten van ademhalingsmoeilijkheden

Deze nieuwe technologie maakt een snelle en gepersonaliseerde behandeling mogelijk van patiënten die lijden aan CAO, waardoor de ademhalingsmoeilijkheden snel worden verlicht, zonder dat bijkomende operaties nodig zijn. Het team werkt verder aan de ontwikkeling van nieuwe samenstellingen om het potentieel van hun bevindingen volledig te ontsluiten. In zijn werk aan de TU Delft zal Masania zich blijven richten op de toepassing van innovatieve luchtvaart- en ruimtevaartmaterialen voor maatschappelijke impact in andere extreme omgevingen, of het nu gaat om de ruimte of het menselijk lichaam.

Publicatie

Het artikel “Digital light 3D printing of customized bioresorbable airway stents with elastomeric properties” door Nevena Paunović, Yinyin Bao, Fergal Brian Coulter, Kunal Masania, Anna Karoline Geks, Karina Klein, Ahmad Rafsanjani, Jasmin Cadalbert, Peter W. Kronen, Nicole Kleger, Agnieszka Karol, Zhi Luo, Fabienne Rüber, Davide Brambilla, Brigitte von Rechenberg, Daniel Franzen, André R. Studart en Jean-Christophe Leroux verschijnt vandaag in het tijdschrift Science Advances.

Meer informatie

Kunal Masania, Associate Professor Aerospace Manufacturing Technologies, TU Delft. Tel: +31 (0) 15 278 2774, K.Masania@tudelft.nl.

Ineke Boneschansker, communicatiemanager Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek TU Delft. Tel: +31 (0) 15 278 5361, I.Boneschansker@tudelft.nl.

Meer informatie over het Shaping Matter Lab: www.shapingmatterlab.com

 

Het team is de Zwitserse National Science Foundation (project No. 177178) zeer erkentelijk voor de ondersteuning van dit Sinergia project voor interdisciplinaire, collaboratieve doorbraken.

/* */