De la târgul comercial la chirurgia avansată: proiectul de cercetare care a deschis drumul imprimării 3D în medicină14 min read

Un proiect finanțat de Uniunea Europeană în anii 1990 a revoluționat lumea medicală prin introducerea imprimării 3D în domeniul medical, ceea ce a dus la rezultate mult mai bune pentru intervențiile chirurgicale complicate, și îmbunătățirea vieții a mii de pacienți.

În 1990, Fried Vancraen a vizitat un târg comercial din Germania și a fost atât de captivat de o imprimantă 3D expusă acolo, încât a cumpărat una pentru noua sa companie, Materialise. Doi ani mai târziu, cu sprijinul financiar al UE, și-a condus micul său start-up belgian pe un drum care avea să schimbe pentru totdeauna lumea medicinei și a imprimării 3D.

Vancraen și Materialise au fost pionieri în utilizarea imprimării 3D în scopuri medicale, alături de parteneri din Germania și Regatul Unit. Au început să producă, pentru prima oară, modele precise și tangibile ale oaselor și organelor umane, bazate pe imagini medicale. Acestea au reprezentat un ajutor imens pentru chirurgii care plănuiesc proceduri complexe.

„Încă de atunci, eram convinși că imprimantele 3D vor schimba lumea medicală”, spune Vancraen. După ce Materialise a trecut de la un spin-off universitar la o întreprindere multinațională, Vancraen s-a retras din poziția executivă în 2024, și a devenit președinte al companiei. Își amintește însă clar entuziasmul cu care au pornit pe un nou drum pentru a-și testa ideile cu mai bine de 30 de ani în urmă.

Ce i-a ajutat să pășească pe acest drum a fost un grant oferit de UE pentru proiectul lor de cercetare denumit PHIDIAS. Acesta s-a întins pe trei ani, până la sfârșitul anului 1995, și s-a axat pe producerea de modele medicale precise, bazate pe imagini medicale îmbunătățite, în principal tomografie computerizată (CT).

„Firește că îmi amintesc”, a exclamat Vancraen când a fost întrebat despre asta. „Am fost managerul de proiect, eu am scris propunerea de finanțare și am adus laolaltă partenerii.”

Printre aceștia s-au numărat Imperial Chemical Industries din Regatul Unit, a cărei divizie farmaceutică a devenit o companie separată, Zeneca, în 1993, dar și Siemens, gigantul industrial din Germania care producea dispozitive de imagistică medicală și Universitatea KU Leuven din Belgia.

Materialise a început ca o ramură a KU Leuven, iar acum are aproximativ 2.000 de angajați și este listată la bursa Nasdaq din New York.

Între timp, imprimarea 3D a devenit o piatră de temelie a medicinii chirurgicale. Imprimantele 3D sunt utilizate, în mod regulat, pentru a realiza implanturi, proteze și modele ale corpului unui pacient pe care chirurgii pot apoi exersa. 

Când Materialise a pornit însă la drum, tehnologia era abia la începuturile sale. Existau îndoieli cu privire la utilitatea sa și în ce măsură medicii ar putea s-o folosească pentru a trata pacienți adevărați. 

Munca serioasă a început la 1 ianuarie 1993, la mai puțin de trei ani de la înființarea companiei. „Acelea au fost zilele noastre de început”, spune Vancraen. „Aveam o echipă de circa 20 de oameni la acea vreme.”

De la „salam” la scanare în spirală

Pentru echipa lui Vancraen, prima prioritate a fost îmbunătățirea imagisticii medicale. „Să faci o scanare CT pe atunci era ca și cum ai fi încercat să tai un salam”, își amintește el. „Pentru a realiza scanarea, scanerul producea o imagine a unui strat al corpului pacientului și apoi era mutat cu câțiva centimetri înainte pentru a face o altă scanare – ca atunci când feliezi un salam.”

„De fiecare dată când pacientul se mișca, chiar și numai puțin, apăreau probleme în imagine”, spune Vancraen, cu referire la așa-numitele artefacte, adică modele sau distorsiuni neintenționate ale imaginii.

Imprimarea 3D necesită imagini precise ale corpului pacientului. Dacă, de exemplu, vrei să imprimi 3D un implant care să se potrivească perfect, ai nevoie de imaginea exactă a corpului acestuia. Artefactele în scanare înseamnă probleme medicale și disconfort ulterior pentru pacienți.

De aceea, echipa Materialise a înlocuit „metoda salamului” cu o scanare CT în spirală. „Am reușit să scanăm pacientul dintr-o singură încercare”, spune Vancraen. „CT a implicat o mișcare în spirală în jurul acestuia.”

Un alt obstacol a fost depășit atunci când Zeneca, care ulterior a fuzionat cu firma suedeză de medicamente Astra pentru a forma AstraZeneca, a dezvoltat un polimer imprimabil 3D, compatibil pentru a fi folosit la oameni. Acesta a înlocuit vechii polimeri care erau adesea toxici pentru oameni și nu puteau fi utilizați pentru implanturi. 

Trebuie să înveți să mergi înainte să poți alerga

Căutând să-și extindă tehnica deschizătoare de drumuri, echipa Materialise a adus-o la spitalul universitar din Leuven, orașul în care s-a născut proiectul. Acolo a testat în ce măsură chirurgii ar putea beneficia de pe urma imprimării 3D, și a lucrat îndeaproape cu 30 de chirurgi din Belgia, Franța, Germania și SUA.

„Am efectuat primul studiu clinic real legat de imprimarea 3D în domeniul sănătății”, spune Vancraen. Echipa Materialise i-a ajutat îndeosebi pe chirurgi să se pregătească înaintea unor intervenții chirurgicale complexe. 

Aceasta a folosit stereolitografia cu laser, o tehnică care imprimă modele complexe și precise, strat cu strat. Funcționează prin focalizarea unui laser cu lumină ultravioletă pe o rășină alcătuită din molecule mari, sensibile la lumina UV, cu ajutorul unui software de proiectare asistată de calculator.

Folosind noile sale scanere capabile să producă imagini medicale mai bune, echipa a realizat modele imprimate 3D ale organelor și părților corpului pe care chirurgii urmau să le opereze. Astfel, chirurgii puteau să se pregătească pentru ceea ce ar fi întâlnit în corpul pacientului și să își ajusteze abordarea.

„În mai multe cazuri, am reușit să reducem numărul operațiilor necesare pentru un pacient”, spune Vancraen. „O persoană avea planificate trei operații. Datorită tehnologiei noastre, chirurgul le-a putut planifica mai bine și a putut finaliza întreaga procedură într-o singură intervenție chirurgicală, ceea ce a redus enorm impactul asupra corpului pacientului.”

Îmbinând scanarea și imprimarea îmbunătățite, echipa proiectului PHIDIAS a pus bazele progreselor ulterioare în imprimarea 3D medicală. 

„A fost nevoie să învățăm să mergem înainte să putem alerga”, spune Vancraen. „PHIDIAS a fost momentul în care am învățat să mergem.”

O rampă de lansare

Unul dintre cercetătorii care „aleargă” astăzi în cadrul Materialise este Roel Wirix-Speetjens, manager de cercetare medicală. Acesta dezvoltă noi soluții bazate pe munca depusă de cercetătorii PHIDIAS.

„PHIDIAS a creat divizia noastră medicală”, spune Wirix-Speetjens. „De atunci, am furnizat, de exemplu, peste 400.000 de instrumente personalizate pentru genunchi. Este ceva de care sunt foarte mândru”, spune acesta, referindu-se la piesele ajutătoare care îi ajută pe chirurgi să lucreze mai precis.

Într-un proiect, Materialise a reușit să realizeze un model 3D detaliat al plămânilor unui pacient, inclusiv arborele căilor respiratorii și lobii pulmonari sau secțiunile fiecărui plămân. Acest model îi poate ajuta pe chirurgii care trebuie să îndepărteze cancerul pulmonar să identifice locația exactă a tumorii.

„Astfel, aceștia îndepărtează mai puțin țesut pulmonar sănătos, ceea ce face ca recuperarea pacientului să fie mult mai ușoară”, spune Wirix-Speetjens. Materialise dezvoltă însă și noi tehnologii de imprimare 3D. Printre altele, a conceput modalități de îmbunătățire a chirurgiei faciale. 

În trecut, dacă un pacient suferea, de exemplu, o vătămare care îi deforma fața, chirurgii trebuiau să folosească implanturi standard pentru a înlocui osul și țesutul deteriorat. Erau nevoiți să îndoaie manual implanturile în timpul intervenției chirurgicale pentru a le face să se potrivească cu restul structurii faciale.

„Astăzi, imprimăm 3D implanturi personalizate pentru fiecare pacient”, spune Wirix-Speetjens. „Scanăm fața pacientului, iar imprimantele noastre 3D realizează implanturi complexe care le permit chirurgilor să reconstruiască structura facială.”

Tratamentul poate fi acum personalizat în funcție de nevoile persoanei. PHIDIAS a reprezentat un pas major în acest sens și viitorul va aduce multe alte oportunități fascinante.  „Facem aceasta de numai 34 de ani”, spune Vancraen. „Încă nu știu cât de departe vom ajunge.”

​Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.