3D-printer maakt gepersonaliseerde vingergewrichtsimplantaten dankzij AI

Wanneer vingergewrichten inflexibel worden, bijvoorbeeld na een sportongeval of als gevolg van reumatoïde artritis, kan dit ernstige beperkingen in iemands leven veroorzaken en hem of haar fysiek en mentaal belasten. Voor bepaalde beroepen – zoals musici, chirurgen of ambachtslieden – kan het zelfs het einde van hun carrière betekenen. In de toekomst zou een oplossing ontwikkeld door het het FingerKIt consortium kunnen helpen om de mobiliteit van vingers met beschadigde of kapotte gewrichten te herstellen.

Huidige behandeling niet optimaal

Als een vingergewricht door een ongeval of letsel zijn functie verliest, zijn de behandelmethoden momenteel beperkt. In de meeste gevallen wordt het gewricht gezekerd, maar dit leidt tot ernstige beperkingen in het dagelijks leven van de patiënt. Als een implantaat moet worden gebruikt, zijn er momenteel twee opties op de markt: siliconenimplantaten, die vaak snel loslaten en in een andere procedure opnieuw moeten worden gehecht, of standaardimplantaten, die alleen in bepaalde maten verkrijgbaar zijn en geen volledige bewegingsvrijheid bieden. Om de patiënt de best mogelijke zorg te bieden, moet daarom worden gestreefd naar een perfect passende oplossing die niet van zijn plaats glijdt en die de vroegere beweeglijkheid herstelt – d.w.z. een gepersonaliseerd implantaat. Dit zou nu mogelijk kunnen worden dankzij een concept dat door vijf Fraunhofer-instituten is ontwikkeld in het kader van het FingerKIt-project: Dankzij een geautomatiseerde procesketen kunnen gepersonaliseerde vingergewrichtsimplantaten snel, veilig en gecertificeerd worden vervaardigd uit metalen of keramische materialen.

FingerKIt project

De wetenschappers begonnen met de ontwikkeling van een op AI gebaseerde software die in staat is tweedimensionale röntgenbeelden om te zetten in driedimensionale modellen van de vingerbotten en eventuele verkeerde posities van de vingers te corrigeren. De onderzoekers gebruiken vervolgens AI om het individuele implantaatontwerp af te leiden uit het vingermodel en het te verzenden voor 3D-printing. Omdat de betrokken structuren zeer fijn en delicaat zijn, gebruiken de wetenschappers het metaalbinder jetting proces om de stukken laag voor laag op te bouwen. Vervolgens ondergaan de implantaten een sinterproces.

De implantaten worden geproduceerd met behulp van near net shape manufacturing – een proces dat erop gericht is producten te maken die de uiteindelijke vorm zo dicht mogelijk benaderen, zodat er minder nabewerking nodig is. Naast metalen implantaten kunnen de experts ook keramische materialen gebruiken. Deze worden verwerkt door middel van slip casting, een speciaal gietproces.

Nieuwe innovaties

De onderzoekers hebben in de loop van dit project een aantal innovaties ontwikkeld: “De op AI gebaseerde berekening van een driedimensionaal implantaatontwerp op basis van 2D-sjablonen zoals röntgenbeelden is volledig nieuw en is nu gepatenteerd”, onthult Dr. Arthur Seibel, hoofd van de groep Part Design bij Fraunhofer IAPT. Zijn collega Dr. Philipp Imgrund, hoofd van de afdeling AM Process Qualification bij Fraunhofer IAPT, vult aan: “Ook de procestechniek is bijzonder. Aangezien de structuur van de implantaatschacht zeer delicaat is, hebben we gekozen voor de metaalbinder jetting 3D-printmethode voor titanium. Deze methode maakt een uiterst precieze productie van de kleine, complexe implantaten mogelijk en stelt ons ook in staat het oppervlak van de schacht zo te structureren dat het beter in het bot groeit. Bovendien minimaliseert dit de nabewerking dat nodig is voor de gewrichtsoppervlakken, die zo glad en wrijvingsloos mogelijk moeten zijn.”

Zelfs patiënten met ernstig gebogen vingers als gevolg van Reumatoïde artritis kunnen een optimale behandeling krijgen met een FingerKIt implantaat. (foto: iStock/WILLSIE)

Een nieuwe standaard voor patiëntenzorg?

De resultaten van het FingerKIt-project zijn goed nieuws voor alle patiënten die in het verleden niet de hulp konden vinden die ze nodig hadden. Dankzij de innovaties van Fraunhofer zal het in de toekomst mogelijk zijn om zelfs gecompliceerde gevallen zoals ernstig verbogen vingers, ontbrekende botdelen of zeer kleine gewrichten effectief te behandelen. Bovendien bespaart het gepersonaliseerde productieproces dankzij de geautomatiseerde aanmaak van modellen en het 3D-printen ook tijd: Volgens de eerste berekeningen van de onderzoekers is het mogelijk om tot 60 procent te besparen van de tijd die normaal gesproken nodig is vanaf het vaststellen van de noodzaak van een implantaat tot het plaatsen ervan in de patiënt. Dit betekent dat het proces binnen enkele dagen kan worden voltooid, wat leidt tot een korter verblijf in het ziekenhuis en dus tot lagere kosten. Niet alleen dat, maar omdat het ontwerp van het implantaat is gemodelleerd naar het oorspronkelijke gewricht, is het bereikte mobiliteitsniveau veel hoger dan bij de huidige beschikbare oplossingen. Dr. Imgrund vat het project als volgt samen: “FingerKIt zou de behandeling van bijvoorbeeld reumatoïde artritis volledig kunnen veranderen. Gepersonaliseerde implantaten zouden de gouden standaard kunnen worden.”

Vingergewrichtsimplantaten – een groeimarkt

Volgens de Duitse Vereniging voor Reumatologie lijdt ongeveer twee procent van de volwassen bevolking in Duitsland aan inflammatoire reumatische aandoeningen – en de meerderheid van hen wil hun goede levenskwaliteit niet opofferen naarmate ze ouder worden. De nieuw ontwikkelde implantaten zullen ook patiënten kunnen helpen die letsel hebben opgelopen. In vergelijking met bijvoorbeeld voet- of enkelimplantaten is de markt voor de remobilisatie van vingergewrichten nog sterk onderontwikkeld. Deskundigen voorspellen dat het totale potentieel tegen 2026 5,8 miljoen euro zal bedragen.

De technologische ontwikkeling binnen het FingerKIt-project heeft nu een stadium bereikt waarin het product in samenwerking met een partner uit de medische engineeringsector marktrijp kan worden gemaakt: De op AI gebaseerde ontwerpcreatie en het fabricageproces werken, en er zijn al exposeerbare implantaten geproduceerd. De volgende stap is het verkrijgen van de noodzakelijke goedkeuring. Dr. Imgrund: “We zijn momenteel op zoek naar bedrijfspartners die over de vereiste expertise beschikken om ons te helpen onze AI-gecreëerde medische hulpmiddelen op de markt te brengen.”