Zawartość
- Transformacja medycyny dzięki drukarkom 3D
- Jak działa drukarka 3D?
- Robienie ucha
- Różnica między pleśnią a rusztowaniem
- Potencjalne korzyści z nadruku na uszach
- Drukowanie dolnej szczęki
- Protetyka i elementy wszczepialne
- Więcej przykładów
- Biodruk z żywymi komórkami: możliwa przyszłość
- Wymiana narządów i tkanek
- Niektóre sukcesy w druku biologicznym
- Drukowanie części serca
- Tworzenie rogówki
- Korzyści z małych organów, organoidów lub organów na chipie
- Struktura naśladująca płuca
- Niektóre wyzwania związane z biodrukiem
- Bibliografia
Linda Crampton przez wiele lat uczyła przedmiotów ścisłych i informatycznych uczniów szkół średnich. Lubi poznawać nowe technologie.
Transformacja medycyny dzięki drukarkom 3D
Druk 3D to ekscytujący aspekt technologii, który ma wiele przydatnych zastosowań. Fascynującym i potencjalnie bardzo ważnym zastosowaniem drukarek 3D jest tworzenie materiałów, które można wykorzystać w medycynie. Materiały te obejmują wszczepialne urządzenia medyczne, sztuczne części ciała lub protezy oraz niestandardowe instrumenty medyczne. Obejmują one również wydrukowane skrawki żywej tkanki ludzkiej, a także mini narządy. W przyszłości możliwe będzie drukowanie narządów do implantacji.
Drukarki 3D mają możliwość drukowania solidnych, trójwymiarowych obiektów w oparciu o model cyfrowy przechowywany w pamięci komputera. Powszechnym nośnikiem druku jest płynny plastik, który zestala się po wydrukowaniu, ale dostępne są inne nośniki. Należą do nich sproszkowany metal i „atramenty” zawierające żywe komórki.
Zdolność drukarek do wytwarzania materiałów, które są kompatybilne z ludzkim ciałem, szybko się poprawia. Niektóre materiały są już wykorzystywane w medycynie, podczas gdy inne są jeszcze w fazie eksperymentalnej. W dochodzenie zaangażowanych jest wielu badaczy. Druk 3D ma kuszący potencjał, aby zmienić sposób leczenia.
Jak działa drukarka 3D?
Pierwszym krokiem w tworzeniu trójwymiarowego obiektu przez drukarkę jest zaprojektowanie obiektu. Odbywa się to w programie CAD (projektowanie wspomagane komputerowo). Po zakończeniu projektowania inny program tworzy instrukcje dotyczące tworzenia obiektu w serii warstw. Ten drugi program jest czasami znany jako program do krojenia lub jako oprogramowanie do krajalnic, ponieważ konwertuje kod CAD całego obiektu na kod dla serii plasterków lub warstw poziomych. Warstwy mogą liczyć setki lub nawet tysiące.
Drukarka tworzy obiekt, nakładając warstwy materiału zgodnie z instrukcjami programu krajalnicy, zaczynając od dołu obiektu i przesuwając się w górę. Kolejne warstwy są łączone ze sobą. Proces ten nazywany jest wytwarzaniem przyrostowym.
Filament z tworzywa sztucznego jest często używany jako medium do drukowania 3D, szczególnie w drukarkach zorientowanych na konsumenta. Drukarka topi filament, a następnie wytłacza gorący plastik przez dyszę. Dysza porusza się we wszystkich wymiarach, uwalniając płynny plastik w celu utworzenia obiektu. Ruch dyszy i ilość wytłaczanego plastiku są kontrolowane przez program krajalnicy. Gorący plastik krzepnie niemal natychmiast po uwolnieniu z dyszy. Do specjalnych celów dostępne są inne rodzaje nośników druku.
Część ucha widoczna z zewnątrz ciała nazywana jest małżowiną uszną lub małżowiną uszną. Reszta ucha znajduje się w czaszce. Zadaniem małżowiny usznej jest zbieranie fal dźwiękowych i wysyłanie ich do kolejnej części ucha.
Robienie ucha
W lutym 2013 r. Naukowcy z Cornell University w Stanach Zjednoczonych ogłosili, że byli w stanie wykonać małżowinę uszną za pomocą druku 3D. Kroki podjęte przez naukowców z Cornell były następujące.
- Model ucha powstał w programie CAD. Jako podstawę tego modelu naukowcy posłużyli się zdjęciami prawdziwych uszu.
- Model ucha został wydrukowany na drukarce 3D, używając plastiku do stworzenia formy z kształtem ucha.
- Wewnątrz formy umieszczono hydrożel zawierający białko zwane kolagenem. Hydrożel to żel zawierający wodę.
- Chondrocyty (komórki wytwarzające chrząstkę) pozyskano z ucha krowy i dodano do kolagenu.
- Kolagenowe ucho umieszczono w pożywce na szalce laboratoryjnej. Kiedy ucho znajdowało się w roztworze, część chondrocytów zastąpiła kolagen.
- Następnie ucho wszczepiono pod skórę w grzbiet szczura.
- Po trzech miesiącach kolagen w uchu został całkowicie zastąpiony chrząstką, a ucho zachowało swój kształt i odróżniało się od otaczających komórek szczurów.
Różnica między pleśnią a rusztowaniem
W opisanym powyżej procesie tworzenia ucha plastikowe ucho było obojętną pleśnią. Jego jedyną funkcją było zapewnienie odpowiedniego kształtu ucha. Kolagenowe ucho, które uformowało się wewnątrz pleśni, działało jako rusztowanie dla chondrocytów. W inżynierii tkankowej rusztowanie to biokompatybilny materiał o określonym kształcie, na którym iw którym rosną komórki. Rusztowanie ma nie tylko prawidłowy kształt, ale ma również właściwości, które wspierają żywotność komórek.
Odkąd przeprowadzono pierwotny proces tworzenia ucha, naukowcy z Cornell znaleźli sposób na wydrukowanie rusztowania kolagenowego o odpowiednim kształcie potrzebnym do wykonania ucha, eliminując potrzebę stosowania plastikowej formy.
Potencjalne korzyści z nadruku na uszach
Uszy wykonane za pomocą drukarek mogą być przydatne dla osób, które straciły własne uszy z powodu urazu lub choroby. Mogą również pomóc ludziom, którzy urodzili się bez uszu lub mają takie, które nie rozwinęły się prawidłowo.
W chwili obecnej wymienne uszy są czasami wykonywane z chrząstki w żebrach pacjenta. Uzyskanie chrząstki jest dla pacjenta nieprzyjemnym doświadczeniem i może spowodować uszkodzenie żebra. Ponadto powstałe ucho może nie wyglądać zbyt naturalnie. Uszy są również wykonane ze sztucznego materiału, ale po raz kolejny efekt może nie być w pełni satysfakcjonujący. Drukowane uszy mogą bardziej przypominać naturalne uszy i działać wydajniej.
W marcu 2013 roku firma Oxford Performance Materials poinformowała, że zastąpiła 75% czaszki mężczyzny drukowaną polimerową czaszką. Drukarki 3D są również wykorzystywane do wykonywania urządzeń medycznych, takich jak protezy kończyn, aparaty słuchowe i implanty dentystyczne.
Drukowanie dolnej szczęki
W lutym 2012 roku holenderscy naukowcy poinformowali, że stworzyli sztuczną dolną szczękę za pomocą drukarki 3D i wszczepili ją w twarz 83-letniej kobiety. Szczęka została wykonana z warstw proszku metalicznego tytanu stopionego na gorąco i pokryta powłoką bioceramiczną. Materiały bioceramiczne są kompatybilne z tkankami ludzkimi.
Kobieta otrzymała sztuczną szczękę, ponieważ miała przewlekłą infekcję kości własnej dolnej szczęki. Lekarze uznali, że tradycyjny zabieg rekonstrukcji twarzy jest dla kobiety zbyt ryzykowny ze względu na jej wiek.
Szczęka miała stawy, aby można było ją przesuwać, a także wnęki do przyczepu mięśniowego oraz rowki na naczynia krwionośne i nerwy. Kobieta była w stanie powiedzieć kilka słów, gdy tylko obudziła się po znieczuleniu. Następnego dnia była w stanie przełknąć. Wróciła do domu po czterech dniach. W późniejszym terminie zaplanowano implantację sztucznych zębów w szczękę.
Struktury drukowane są również wykorzystywane w szkoleniu medycznym i planowaniu przedoperacyjnym. Trójwymiarowy model utworzony na podstawie skanów medycznych pacjenta może być bardzo przydatny dla chirurgów, ponieważ może pokazać specyficzne warunki wewnątrz ciała pacjenta. Może to uprościć złożoną operację.
Protetyka i elementy wszczepialne
Opisana powyżej szczęka metalowa jest rodzajem protezy lub sztucznej części ciała. Produkcja protetyki to dziedzina, w której drukarki 3D zyskują na znaczeniu. Niektóre szpitale mają teraz własne drukarki lub współpracują z dostawcą sprzętu medycznego, który ma drukarkę.
Tworzenie protezy za pomocą druku 3D jest często szybszym i tańszym procesem niż tworzenie konwencjonalnymi metodami produkcji. Ponadto łatwiej jest stworzyć indywidualne dopasowanie dla pacjenta, gdy urządzenie jest specjalnie zaprojektowane i wydrukowane dla danej osoby. Skany szpitalne mogą służyć do tworzenia dostosowanych urządzeń.
Wymienne kończyny są dziś często drukowane w 3D, przynajmniej w niektórych częściach świata. Ramiona i dłonie z nadrukiem są często znacznie tańsze niż te wytwarzane konwencjonalnymi metodami. Jedna firma drukująca 3D współpracuje z Waltem Disneyem, aby stworzyć kolorowe i zabawne protezy rąk dla dzieci. Oprócz stworzenia tańszego produktu, który jest bardziej przystępny cenowo, inicjatywa ma na celu „pomóc dzieciom postrzegać ich protetykę jako źródło podniecenia, a nie zakłopotania czy ograniczenia”.
Więcej przykładów
- Pod koniec 2015 roku zadrukowane kręgi zostały z powodzeniem umieszczone u pacjenta. Pacjenci otrzymali również wydrukowany mostek i klatkę piersiową.
- Druk 3D służy do produkcji ulepszonych implantów dentystycznych.
- Często drukowane są zastępcze stawy biodrowe.
- Wkrótce powszechne mogą być cewniki, które pasują do określonego rozmiaru i kształtu kanału w ciele pacjenta.
- Drukowanie 3D jest często wykorzystywane przy produkcji aparatów słuchowych.
Biodruk z żywymi komórkami: możliwa przyszłość
Drukowanie żywymi komórkami, czyli biodrukowanie, ma miejsce dzisiaj. To delikatny proces. Komórki nie mogą być zbyt gorące. Większość metod drukowania 3D wiąże się z wysokimi temperaturami, które mogą zabijać komórki. Ponadto płynny nośnik dla komórek nie może im szkodzić. Ciecz i zawarte w niej komórki są znane jako biotusz (lub biotusz).
Wymiana narządów i tkanek
Zastąpienie uszkodzonych narządów organami wykonanymi z drukarek 3D byłaby wspaniałą rewolucją w medycynie. W tej chwili nie ma wystarczającej liczby narządów oddanych dla każdego, kto ich potrzebuje.
Plan zakłada pobranie komórek z własnego ciała pacjenta w celu wydrukowania potrzebnego organu. Ten proces powinien zapobiec odrzuceniu narządu. Komórki prawdopodobnie byłyby komórkami macierzystymi, które są komórkami niespecjalizowanymi, które są zdolne do wytwarzania innych typów komórek, gdy są prawidłowo stymulowane. Różne typy komórek byłyby umieszczane przez drukarkę we właściwej kolejności. Naukowcy odkrywają, że przynajmniej niektóre rodzaje komórek ludzkich mają niesamowitą zdolność do samoorganizacji po złożeniu, co byłoby bardzo pomocne w procesie tworzenia narządu.
Do produkcji żywej tkanki używany jest specjalny typ drukarki 3D, znany jako bioprinter. W powszechnej metodzie wytwarzania bibułki hydrożel jest drukowany z jednej głowicy drukarki w celu utworzenia rusztowania. Drobne kropelki cieczy, z których każda zawiera wiele tysięcy komórek, są drukowane na rusztowaniu z innej głowicy drukującej. Kropelki szybko łączą się, a komórki łączą się ze sobą. Po utworzeniu pożądanej struktury rusztowanie hydrożelowe jest usuwane.Można go oderwać lub zmyć, jeśli jest rozpuszczalny w wodzie. Można również stosować rusztowania biodegradowalne. Te stopniowo rozpadają się w żywym ciele.
W medycynie przeszczep to przeniesienie narządu lub tkanki od dawcy do biorcy. Implant to wprowadzenie sztucznego urządzenia do ciała pacjenta. Biodrukowanie 3D plasuje się gdzieś pomiędzy tymi dwoma skrajnościami. Zarówno „przeszczep”, jak i „implant” są używane w odniesieniu do przedmiotów wyprodukowanych przez biologicznego drukarza.
Niektóre sukcesy w druku biologicznym
Nieożywione implanty i protezy stworzone przez drukarki 3D są już stosowane u ludzi. Stosowanie implantów zawierających żywe komórki wymaga dalszych badań, które są obecnie wykonywane. Nie można jeszcze wyprodukować całych narządów za pomocą druku 3D, ale części organów już tak. Wydrukowano wiele różnych struktur, w tym płaty mięśnia sercowego zdolne do bicia, plamy na skórze, odcinki naczyń krwionośnych i chrząstkę kolana. Nie zostały one jeszcze wszczepione ludziom. Jednak w 2017 roku naukowcy zaprezentowali prototyp drukarki, która może tworzyć ludzką skórę do implantacji, aw 2018 roku inni naukowcy wydrukowali rogówki w procesie, który pewnego dnia może zostać użyty do naprawy uszkodzeń oczu.
W 2016 r. Odnotowano pewne obiecujące odkrycia. Zespół naukowców wszczepił pod skórę myszy trzy rodzaje nadrukowanych biologicznie struktur. Obejmowały one ludzką małżowinę uszną wielkości dziecka, kawałek mięśnia i fragment kości ludzkiej szczęki. Naczynia krwionośne z otoczenia rozciągały się do wszystkich tych struktur, gdy znajdowały się w ciałach myszy. To był ekscytujący krok, ponieważ dopływ krwi jest niezbędny do utrzymania tkanek przy życiu. Krew przenosi składniki odżywcze do żywych tkanek i usuwa ich odpady.
Fascynujące było również odnotowanie, że wszczepione struktury były w stanie przetrwać do czasu rozwinięcia się naczyń krwionośnych. Dokonano tego dzięki istnieniu małych porów w strukturach, które umożliwiały przenikanie do nich składników odżywczych.
Drukowanie części serca
Tworzenie rogówki
Naukowcy z Uniwersytetu Newcastle w Wielkiej Brytanii stworzyli rogówki wydrukowane w 3D. Rogówka jest przezroczystą, zewnętrzną osłoną naszych oczu. Poważne uszkodzenie tego pokrycia może spowodować ślepotę. Przeszczep rogówki często rozwiązuje problem, ale nie ma wystarczającej liczby rogówek, aby pomóc każdemu, kto ich potrzebuje.
Naukowcy uzyskali komórki macierzyste ze zdrowej ludzkiej rogówki. Następnie komórki umieszczono w żelu wykonanym z alginianu i kolagenu. Żel chronił komórki, gdy przechodziły przez pojedynczą dyszę drukarki. Potrzeba było mniej niż dziesięciu minut, aby wydrukować żel i komórki w prawidłowym kształcie. Kształt uzyskano poprzez zeskanowanie oka osoby. (W sytuacji medycznej, oko pacjenta zostanie zeskanowane.) Po wydrukowaniu żelu i mieszaniny komórek, komórki macierzyste wytworzyły pełną rogówkę.
Rogówki wykonane w procesie drukowania nie zostały jeszcze wszczepione do ludzkich oczu. Prawdopodobnie minie trochę czasu, zanim to nastąpi. Mają jednak potencjał, by pomóc wielu ludziom.
Stymulowanie komórek macierzystych do produkcji wyspecjalizowanych komórek niezbędnych do wytworzenia określonej części ludzkiego ciała we właściwym czasie jest wyzwaniem samym w sobie. Jest to jednak proces, który może przynieść nam wspaniałe korzyści.
Korzyści z małych organów, organoidów lub organów na chipie
Naukowcom udało się stworzyć mini narządy za pomocą druku 3D (i innymi metodami). „Miniaturowe organy” to miniaturowe wersje narządów, wycinków narządów lub płatów tkanek z określonych narządów. Oprócz określenia „mini organy” nazywane są różnymi nazwami. Wydrukowane kreacje mogą nie zawierać wszystkich rodzajów struktur występujących w pełnowymiarowych organach, ale są dobrym przybliżeniem. Badania wskazują, że mogą mieć ważne zastosowania, nawet jeśli nie są wszczepiane.
Miniaturowe organy nie zawsze są produkowane z komórek dostarczonych przez przypadkowego dawcę. Zamiast tego często są wykonane z komórek osoby chorej. Naukowcy mogą sprawdzić wpływ leków na mini narząd. Jeśli okaże się, że lek jest pomocny i nieszkodliwy, można go podać pacjentowi. Ten proces ma kilka zalet. Jednym z nich jest to, że można zastosować lek, który może być korzystny dla określonej wersji choroby pacjenta i dla jego specyficznego genomu, co zwiększa prawdopodobieństwo skutecznego leczenia. Innym jest to, że lekarze mogą być w stanie uzyskać nietypowy lub zwykle drogi lek dla pacjenta, jeśli mogą wykazać, że lek jest prawdopodobnie skuteczny. Ponadto testowanie leków na małych organach może zmniejszyć zapotrzebowanie na zwierzęta laboratoryjne.
Struktura naśladująca płuca
W 2019 roku naukowcy z Rice University i University of Washington zademonstrowali, że stworzyli mini narząd, który naśladuje działanie ludzkiego płuca. Mini-płuco wykonane jest z hydrożelu. Zawiera małą strukturę przypominającą płuca, która jest regularnie wypełniana powietrzem. Strukturę otacza sieć naczyń wypełnionych krwią.
Podczas stymulacji symulowane płuco i jego naczynia rozszerzają się i kurczą rytmicznie bez pękania. Film pokazuje, jak działa konstrukcja. Chociaż organoid nie jest pełnowymiarowy i nie naśladuje wszystkich tkanek w ludzkim płucu, jego zdolność do poruszania się jak płuco jest bardzo ważnym zjawiskiem.
Niektóre wyzwania związane z biodrukiem
Stworzenie organu nadającego się do implantacji jest trudnym zadaniem. Narząd to złożona struktura zawierająca różne typy komórek i tkanki ułożone według określonego wzoru. Ponadto, gdy narządy rozwijają się podczas rozwoju embrionalnego, otrzymują sygnały chemiczne, które umożliwiają prawidłowy rozwój ich drobnej struktury i skomplikowanego zachowania. Sygnałów tych brakuje, gdy próbujemy sztucznie stworzyć organ.
Niektórzy naukowcy myślą, że na początku - i być może jeszcze przez jakiś czas - wydrukujemy wszczepialne struktury, które mogą pełnić jedną funkcję narządu zamiast wszystkich funkcji. Te prostsze struktury mogą być bardzo przydatne, jeśli kompensują poważną wadę ciała.
Chociaż prawdopodobnie miną lata, zanim narządy z biodruku będą dostępne dla implantów, być może już wcześniej zobaczymy nowe korzyści płynące z tej technologii. Wydaje się, że tempo badań rośnie. Przyszłość druku 3D w odniesieniu do medycyny powinna być bardzo ciekawa i ekscytująca.
Bibliografia
- Sztuczne ucho utworzone przez drukarkę 3D i żywe komórki chrząstki z magazynu Smithsonian.
- Szczęka do przeszczepu wykonana przez drukarkę 3D z BBC (British Broadcasting Corporation)
- Kolorowe wskazówki wydrukowane w 3D od Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Mechaników
- Bioprinter tworzy z The Guardian na zamówienie wyhodowane w laboratorium części ciała do przeszczepu
- Pierwsza ludzka rogówka wydrukowana w 3D z serwisu informacyjnego EurekAlert
- Drukarka 3D tworzy najmniejszą ludzką wątrobę, jaką kiedykolwiek stworzono z New Scientist
- Miniaturowe organy wydrukowane w 3D naśladują bicie serca i wątroby z New Scientist
- Organ, który naśladuje płuca z Popular Mechanics
- Nowa drukarka 3D wytwarza tkanki ucha, mięśni i kości naturalnej wielkości z żywych komórek z Science Alert
- Bioprinter 3-D do drukowania ludzkiej skóry z nowej usługi phys.org
Ten artykuł jest dokładny i zgodny z najlepszą wiedzą autora. Treści służą wyłącznie do celów informacyjnych lub rozrywkowych i nie zastępują osobistych porad ani profesjonalnych porad w kwestiach biznesowych, finansowych, prawnych lub technicznych.
