3D-print skal give patienter deres egne knogler tilbage

Svaret kom uden tøven, da de to ingeniørstuderende stak hovedet ind på kæbekirurgen Torben Thygesens kontor for tre år siden på jagt efter et bachelorprojekt:

»Han ønskede en mere raffineret måde at operere patienterne på,« siger Casper Slots, uddannet civil­ingeniør og medstifter af virksomheden Particle3D.

Med hovederne fulde af tanker om 3D-printeren Makerbot, var midlet allerede afgjort for Casper og hans bachelormakker, Martin Bonde Jensen. Og målet havde Torben Thygesen længe haft i tankerne:

At kunne skabe en tro kopi af kraniets komplekse tredimensionelle struktur, som kroppen kunne eliminere, i takt med at den selv gendannede knoglevæv. Det ville spare patienter for genoperationer og varige men og samtidig give dem en langt lettere heling, når deres ansigt skulle opereres efter kræft eller traumer.

»Altså et slags væksthus for patientens egen knogle,« siger Torben Thygesen.

Projektet var mildest talt udfordrende for to unge studerende, men her tre år senere har de med hjælp fra Torben Thygesen og deres tidligere bachelorvejleder og nuværende virksomhedspartner, Morten Østergaard Andersen, udviklet en formel til 3D-printede knogleimplantater. Formlen kan hjælpe kirurger verden over med at give cancer- og traumepatienter ikke kun deres spejlbillede, men også deres egne knogler tilbage.

Et implantat, der forsvinder

Den altoverskyggende hovedingrediens i Particle3D’s opfindelse er tricalciumfosfat (TCP). Ud over at optræde i en lang række produkter, så findes mineralet også helt naturligt i knoglerne i mennesker og dyr som grise.

Sidstnævnte har Particle3D allerede testet opfindelsen på, og på trods af, at grise ikke er de mest optimale patienter, så gik operationerne som planlagt. Proceduren er stadig ikke klar til mennesker, men ideen er den samme.

Grisens kraniestruktur blev fanget i en CT-scanner og uploadet til en computer. Herefter gik Martin Bonde Jensen og Casper Slots i et animationsprogram i gang med at udforme et elegant spindelvæv på indersiden af den digitale grise­knogle.

»Blodårerne skal kunne løbe igennem og forsyne knoglerne med næring. De er jo ikke døde ting. De bliver langsomt nedbrudt og så bygget op igen af dine knogleceller dag ud og dag ind. Får de ikke næring, så har du bare et dødt implantat,« siger Martin Bonde Jensen.

Hvordan grisens celler har reageret på den snedigt udformede kopi, er afgørende for den unge virksomheds fremtid. Indtil videre er det gået godt, men det endelige svar er endnu ikke i hus. Helst skal det forløbe som i tidligere museforsøg. Her dannede musens celler uden problemer blodårer, marv og nervebaner i de efterladte hulrum.

Med infrastrukturen på plads kunne knoglecellerne gøre, hvad knogleceller gør bedst: De nedbrød implantatets materiale og opbyggede knoglevæv.

Hamlets kranium

En 3D-printer står allerede på gangen på Klinik for Kæbekirurgi på Odense Universitetshospital. Den bruges til planlægning og visualisering før indgreb og har uden tvivl hjulpet klinikkens kirurger og patienter.

Men selv på forreste linje af den teknologiske udvikling er Torben Thygesen overbevist om, at meget kunne være bedre. Når der i dag er brug for knogleimplantater, bliver de typisk høstet fra en anden del af patientens krop. De små knogle­stykker skrues så fast på skinner eller plader af titanium.

»Det er jo aldrig ligesom at stå som Hamlet med kraniet i hånden og se, at nu er kindbenet eller underkæbens halvdel erstattet i fuldstændig samme form, som inden problemet opstod. Hvis du forestiller dig, at din overkæbe i højre side var halvanden cm for stor, hvad ville du synes om det?« siger Torben Thygesen.

Næste udfordring ligger i kilden til implantatet. Selvom de knoglestykker, man tager fra hoftekammen eller underbenet, i mange tilfælde gendannes af kroppen, så er knoglehøsten et væsentligt indgreb. Det kræver en ekstra operation, og forøger tiden inden for eksempel tidligere kræftramte patienter kan komme på benene. Derudover er knoglen en begrænset ressource.

»Vi skal til at operere på en tidligere kræftpatient, der har mistet hele sin underkæbe til sygdommen. Det er tredje gang, han må ind efter infektioner ved titaniumpladen de to første gange. Heldigvis har han stadig knogler tilbage i det ene underben, men hvis det ikke lykkes nu, så er vi ved at løbe tør. Så er der desværre ikke flere muligheder for den mand,« siger Torben Thygesen.

Fedtsyre var manglende ingrediens

Da de to bachelorstuderende var blevet ført ned ad den sti, som Torben Thygesen havde vist dem begyndelsen af, kunne de læse artikler fra andre ingeniører, der hævdede, at de allerede havde fundet den gyldne løsning: at 3D-printe komplekse strukturer i TCP.

Resultaterne lod sig dog ikke genskabe. Når man 3D-printer med en nål, skal materialet ud af en ekstremt lille åbning. Derfor skal pulveret opblandes for at mindske friktionen. Da Casper og Martin fulgte opskrifterne fra artiklerne, hang det ikke sammen.

Brugte de vand, skubbede 3D-­printeren kun væsken ud, mens pulveret blev tilbage i dysen, og brugte de gel, opstod der for store hulrum i den printede struktur.

Makkerparrets næste indskydelse og nogle kærlige puf på rette vej af deres projektvejleder, Morten Østergaard Andersen, udløste SDU’s patent-alarm:

»Det var et eller andet sted så simpelt, at vi ikke kunne forstå, hvorfor det ikke var blevet patenteret. Når man prøver at presse en høj koncentration pulvermængde gennem et lille hul, så vil et smøremiddel være rigtig smart. Og fedtsyrer er jo ret gode smøremidler,« siger Casper Slots.

Kemoterapi i implantatet

Particle3D opererer nu ud fra SDU og består af tre mennesker, de to tidligere studerende og deres tidligere vejleder. Torben Thygesen hjælper til fra sidelinjen og bliver inden længe også en del af virksomheden.

Men før patienter og kirurger kan få gavn af teknologien, mangler der flere store skridt. Flere dyreforsøg, flere medarbejdere, flere tests og ikke mindst flere penge.

Ideen til virksomhedens første produkt er på plads. De vil sælge en service, hvor de printer implantaterne i tæt samarbejde med kirurgerne. Først i den mere eller mindre simple form, men senere har de andre store planer.

»Da vi jo har med forskellige typer af cancer at gøre, fandt vi ud af, at canceren ofte blusser op igen bagefter. Derfor har vi lavet forsøg med at blande kræftmedicin i implantatets fedtsyre,« siger Casper Slots.

De håber også at nå et punkt, hvor der ikke er behov for at sætte implantatet fast med en titaniumskinne. I første omgang er målet dog at gøre det eksisterende klar til brug på mennesker, og for at bryde igennem er der behov for samarbejde.

»Perspektivet er ekstremt lovende, men der er behov for en fælles indsats fra kirurger og ingeniører. Ellers kommer vi ikke i mål med det,« siger Torben Thygesen.