3D printeri u medicini: uzbudljiva upotreba i potencijalne primjene

Sadržaj

• Transformacija medicine s 3D printerima
• Kako funkcionira 3D printer?
• Izrada uha
• Razlika između kalupa i skele
• Potencijalne blagodati tiskanih ušiju
• Ispis donje čeljusti
• Protetika i implantabilni predmeti
• Još primjera
• Biotisak živim stanicama: moguća budućnost
• Zamjena organa i tkiva
• Neki uspjesi u bioprintiranju
• Ispis dijelova srca
• Stvaranje rožnice
• Prednosti mini organa, organoida ili organa na čipu
• Struktura koja oponaša pluća
• Neki izazovi za bioprint
• Reference

Linda Crampton dugi je niz godina podučavala znanost i informacijsku tehnologiju srednjoškolcima. Uživa u učenju o novoj tehnologiji.

Transformacija medicine s 3D printerima

3D ispis je uzbudljiv aspekt tehnologije koja ima mnogo korisnih aplikacija. Jedna od fascinantnih i potencijalno vrlo važnih primjena 3D printera je stvaranje materijala koji se mogu koristiti u medicini. Ti materijali uključuju implantabilne medicinske uređaje, umjetne dijelove tijela ili protetiku i prilagođene medicinske instrumente. Oni također uključuju otisnute mrlje živog ljudskog tkiva, kao i mini organe. U budućnosti se mogu printati organi za implantaciju.

3D pisači imaju mogućnost ispisa čvrstih, trodimenzionalnih objekata na temelju digitalnog modela pohranjenog u memoriju računala. Uobičajeni tiskovni medij je tekuća plastika koja se nakon tiskanja skrutne, ali dostupni su i drugi mediji. Uključuju metal u prahu i "tinte" koje sadrže žive stanice.

Sposobnost pisača da proizvode materijale koji su kompatibilni s ljudskim tijelom brzo se poboljšava. Neki se materijali već koriste u medicini, dok su drugi još u eksperimentalnoj fazi. U istragu su uključeni mnogi istraživači. 3D tisak ima primamljiv potencijal za preobrazbu liječenja.

Kako funkcionira 3D printer?

Prvi korak u stvaranju trodimenzionalnog objekta pomoću pisača je dizajn objekta. To se radi u programu CAD (Computer-Aided Design). Kad je dizajn gotov, drugi program stvara upute za izradu predmeta u nizu slojeva. Ovaj drugi program ponekad je poznat kao program za rezanje ili kao softver za rezanje, jer pretvara CAD kôd za cijeli objekt u kôd za niz kriški ili vodoravnih slojeva. Slojevi se mogu brojati u stotinama ili čak u tisućama.

Pisač stvara objekt polaganjem slojeva materijala prema uputama programa za rezanje, počevši od dna predmeta i radeći prema gore. Uzastopni slojevi stopljeni su zajedno. Postupak se naziva proizvodnjom aditiva.

Plastična nit se često koristi kao medij za 3D ispis, posebno u potrošačkim orijentiranim printerima. Pisač topi filament, a zatim istiskuje vruću plastiku kroz mlaznicu. Mlaznica se kreće u svim dimenzijama otpuštajući tekuću plastiku kako bi stvorila predmet. Kretanje mlaznice i količina istisnute plastike kontrolira se programom rezača. Vruća plastika se skrutne gotovo odmah nakon puštanja iz mlaznice. Ostale vrste tiskarskih medija dostupne su za posebne svrhe.

Dio uha koji je vidljiv s vanjske strane tijela poznat je kao vrh ili ušna školjka. Ostatak uha nalazi se u lubanji. Funkcija pinne je sakupljati zvučne valove i slati ih u sljedeći dio uha.

Izrada uha

U veljači 2013. znanstvenici sa Sveučilišta Cornell u Sjedinjenim Državama objavili su da su uspjeli izraditi pin uho uz pomoć 3D ispisa. Koraci koje su slijedili znanstvenici iz Cornella bili su sljedeći.

• Model uha stvoren je u CAD programu. Istraživači su koristili fotografije stvarnih ušiju kao osnovu za ovaj model.
• Model uha otisnuo je 3D printer, koristeći plastiku za stvaranje kalupa s oblikom uha.
• U kalup je stavljen hidrogel koji sadrži protein zvan kolagen. Hidrogel je gel koji sadrži vodu.
• Hondrociti (stanice koje proizvode hrskavicu) dobiveni su iz kravljeg uha i dodani kolagenu.
• Uho kolagena stavljeno je u hranjivu otopinu u laboratorijskoj posudi. Dok je uho bilo u otopini, neki su hondrociti nadomještali kolagen.
• Zatim je uho ugrađeno u stražnji dio štakora ispod kože.
• Nakon tri mjeseca kolagen u uhu potpuno je zamijenjen hrskavicom, a uho je zadržalo oblik i razliku od okolnih stanica štakora.

Razlika između kalupa i skele

U gore opisanom postupku stvaranja uha, plastično uho bilo je inertni kalup. Njegova je jedina funkcija bila pružiti ispravan oblik uhu. Uho kolagena koje se stvorilo unutar kalupa djelovalo je kao skela za hondrocite. U tkivnom inženjerstvu skela je biokompatibilan materijal specifičnog oblika i u kojem stanice rastu. Skela ne samo da ima ispravan oblik već ima i svojstva koja podržavaju život stanica.

Otkako je izveden izvorni postupak stvaranja uha, istraživači iz Cornella pronašli su način za ispis kolagene skele ispravnog oblika potrebnog za izradu uha, uklanjajući zahtjev za plastičnim kalupom.

Potencijalne blagodati tiskanih ušiju

Uši napravljene uz pomoć printera mogle bi biti korisne ljudima koji su izgubili vlastite uši zbog ozljeda ili bolesti. Također bi mogli pomoći ljudima koji su rođeni bez ušiju ili imaju one koji se nisu pravilno razvili.

Trenutno se zamjenske uši ponekad izrađuju od hrskavice u rebru pacijenta. Dobivanje hrskavice neugodno je iskustvo za pacijenta i može oštetiti rebro. Osim toga, rezultirajuće uho možda neće izgledati baš prirodno. Uši su također izrađene od umjetnog materijala, ali opet rezultat možda neće biti u potpunosti zadovoljavajući. Tiskane uši mogu izgledati više poput prirodnih ušiju i učinkovitije raditi.

U ožujku 2013. tvrtka pod nazivom Oxford Performance Materials izvijestila je da su 75% muške lubanje zamijenili otisnutom polimernom lubanjom. 3D printeri također se koriste za izradu zdravstvenih uređaja, poput protetskih udova, slušnih pomagala i zubnih implantata.

Ispis donje čeljusti

U veljači 2012. nizozemski su znanstvenici izvijestili da su 3D printerom stvorili umjetnu donju čeljust i ugradili je u lice 83-godišnje žene. Čeljust je izrađena od slojeva metalnog praha titana topljenog i prekrivena je biokeramičkim premazom. Biokeramički materijali kompatibilni su s ljudskim tkivom.

Žena je dobila umjetnu čeljust jer je imala kroničnu infekciju kostiju u vlastitoj donjoj čeljusti. Liječnici su smatrali da je tradicionalna operacija rekonstrukcije lica previše rizična za ženu zbog njezinih godina.

Čeljust je imala zglobove kako bi se mogla pomicati, kao i šupljine za pričvršćivanje mišića i utore za krvne žile i živce. Žena je mogla reći nekoliko riječi čim se probudila iz anestetika. Sutradan je mogla progutati. Otišla je kući nakon četiri dana. Lažni zubi trebali su biti ugrađeni u čeljust naknadno.

Tiskane strukture također se koriste u medicinskom osposobljavanju i u predkirurškom planiranju. Trodimenzionalni model stvoren od pacijentovih medicinskih snimaka može biti vrlo koristan za kirurge, jer može pokazati specifična stanja u tijelu pacijenta. To može pojednostaviti složenu operaciju.

Protetika i implantabilni predmeti

Gore opisana metalna čeljust vrsta je protetskog ili umjetnog dijela tijela. Proizvodnja protetike područje je u kojem 3D printeri postaju važni. Neke bolnice sada imaju vlastite pisače ili rade u suradnji s medicinskom tvrtkom koja ima pisač.

Stvaranje proteze 3D ispisom često je brži i jeftiniji postupak od izrade uobičajenim proizvodnim metodama. Osim toga, lakše je stvoriti prilagođenu prilagodbu za pacijenta kada je uređaj posebno dizajniran i ispisan za tu osobu. Skeniranje u bolnici može se koristiti za izradu uređaja po mjeri.

Zamjenski udovi danas se često printaju 3D, barem u nekim dijelovima svijeta. Tiskane ruke i šake često su znatno jeftinije od onih proizvedenih uobičajenim metodama. Jedna tvrtka za 3D tisak surađuje s Waltom Disneyem na stvaranju šarenih i zabavnih protetskih ruku za djecu. Osim stvaranja jeftinijeg proizvoda koji je pristupačniji, cilj inicijative je "pomoći djeci da svoju protetiku vide kao izvor uzbuđenja, a ne sramote ili ograničenja".

Još primjera

• Krajem 2015. tiskani kralješci uspješno su postavljeni pacijentu. Pacijenti su također dobili otisnutu prsnu kost i rebarni koš.
• 3D ispis koristi se za izradu poboljšanih zubnih implantata.
• Zamjenski zglobovi kuka često se tiskaju.
• Kateteri koji odgovaraju specifičnoj veličini i obliku prolaza u tijelu pacijenta mogli bi uskoro biti uobičajeni.
• 3D tisak često je uključen u proizvodnju slušnih pomagala.

Biotisak živim stanicama: moguća budućnost

Danas se događa tiskanje živim stanicama ili biootisak. To je delikatan postupak. Stanice ne smiju biti prevruće. Većina metoda 3D ispisa uključuju visoke temperature, koje bi ubile stanice. Uz to, tekućina nosač stanica ne smije im naštetiti. Tekućina i stanice koje sadrži poznate su kao bio tinta (ili bioink).

Zamjena organa i tkiva

Zamjena oštećenih organa organima izrađenim od 3D printera bila bi prekrasna revolucija u medicini. Trenutno nema dovoljno doniranih organa dostupnih svima koji ih trebaju.

Plan je uzeti pacijentove stanice iz vlastitog tijela kako bi se ispisao organ koji im je potreban. Ovaj bi postupak trebao spriječiti odbacivanje organa. Stanice bi vjerojatno bile matične stanice, koje su nespecijalizirane stanice koje su sposobne proizvesti druge tipove stanica kada se pravilno stimuliraju. Različite vrste ćelija pisač bi deponirao u ispravnom redoslijedu. Istraživači otkrivaju da barem neke vrste ljudskih stanica imaju nevjerojatnu sposobnost samoorganiziranja kada se talože, što bi bilo vrlo korisno u procesu stvaranja organa.

Za izradu živog tkiva koristi se posebna vrsta 3D printera poznata kao bioprinter. Uobičajenom metodom izrade tkiva, hidrogel se ispisuje s jedne glave pisača kako bi oblikovao skelu. Sitne kapljice tekućine, od kojih svaka sadrži tisuće stanica, ispisuju se na skelu s druge glave pisača. Kapljice se uskoro spajaju i stanice se međusobno vežu. Kada se stvori željena struktura, hidrogelna skela se uklanja.Može se oljuštiti ili oprati ako je topiv u vodi. Također se mogu koristiti biorazgradive skele. Oni se postupno raspadaju unutar živog tijela.

U medicini je transplantacija prijenos organa ili tkiva s davatelja na primatelja. Implantat je umetanje umjetnog uređaja u tijelo pacijenta. 3D biootisak spada negdje između ove dvije krajnosti. I "transplantacija" i "implantacija" koriste se kada se referiraju na proizvode proizvedene u bioprinteru.

Neki uspjesi u bioprintiranju

Neživi implantati i proteze koje su stvorili 3D printeri već se koriste u ljudima. Korištenje implantata koji sadrže žive stanice zahtijeva više istraživanja koja se izvode. 3D tiskanjem još se ne mogu izraditi čitavi organi, ali dijelovi organa to mogu. Ispisane su mnoge različite strukture, uključujući zakrpe srčanog mišića koji su u stanju pobijediti, zakrpe kože, segmente krvnih žila i hrskavicu koljena. Oni još nisu ugrađeni u ljude. Međutim, 2017. godine znanstvenici su predstavili prototip pisača koji može stvoriti ljudsku kožu za implantaciju, a 2018. drugi su znanstvenici tiskali rožnice u procesu koji će se jednog dana moći upotrijebiti za popravak oštećenja u očima.

Zabilježena su neka otkrića koja se nadaju 2016. Tim znanstvenika implantirao je tri vrste biootisnutih struktura pod kožu miševa. To je uključivalo vršak ljudskog uha veličine djeteta, dio mišića i dio kosti ljudske čeljusti. Krvne žile iz okoline protezale su se u sve ove strukture dok su bile u tijelima miševa. Ovo je bio uzbudljiv razvoj događaja, jer je opskrba krvlju neophodna kako bi se tkiva održala na životu. Krv prenosi hranjive sastojke u živa tkiva i odnosi njihov otpad.

Također je bilo uzbudljivo primijetiti da su ugrađene strukture mogle ostati žive dok se krvne žile ne razviju. Ovaj podvig postignut je postojanjem sitnih pora u strukturama koje su omogućavale ulazak hranjivih sastojaka u njih.

Ispis dijelova srca

Stvaranje rožnice

Znanstvenici sa Sveučilišta Newcastle u Velikoj Britaniji stvorili su 3D otisnute rožnice. Rožnica je prozirni, najudaljeniji pokrov naših očiju. Ozbiljna oštećenja ovog pokrivača mogu prouzročiti sljepoću. Transplantacija rožnice često rješava problem, ali nema dovoljno rožnica koje bi mogle pomoći svima koji ih trebaju.

Znanstvenici su matične stanice dobili iz zdrave ljudske rožnice. Stanice su zatim stavljene u gel izrađen od alginata i kolagena. Gel je štitio stanice dok su prolazile kroz jednu mlaznicu pisača. Za ispis gela i stanica u ispravnom obliku bilo je potrebno manje od deset minuta. Oblik je dobiven skeniranjem oka osobe. (U medicinskoj situaciji pacijentovo oko bi se skeniralo.) Nakon što se smjesa gela i stanica ispiše, matične stanice proizvele su kompletnu rožnicu.

Rožnice izrađene postupkom tiska još nisu ugrađene u ljudske oči. Vjerojatno će proći neko vrijeme prije nego što to i učine. Međutim, oni mogu pomoći mnogim ljudima.

Poticanje matičnih stanica na stvaranje specijaliziranih stanica potrebnih za izradu određenog dijela ljudskog tijela u točno vrijeme izazov je sam po sebi. To je postupak koji bi za nas mogao imati prekrasne koristi.

Prednosti mini organa, organoida ili organa na čipu

Znanstvenici su uspjeli stvoriti mini orgulje 3D ispisom (i drugim metodama). "Mini organi" su minijaturne verzije organa, dijelovi organa ili dijelovi tkiva određenih organa. Na njih se pozivaju različita imena uz pojam mini orgulje. Tiskane kreacije možda neće sadržavati sve vrste struktura koje se nalaze u organima pune veličine, ali su dobre aproksimacije. Istraživanja pokazuju da bi mogli imati važnu uporabu, iako ih nije moguće ugrađivati.

Mini organi se ne proizvode uvijek iz stanica koje daje slučajni davatelj. Umjesto toga, često se izrađuju od stanica osobe koja ima bolest. Istraživači mogu provjeriti učinke lijekova na mini organ. Ako se utvrdi da je lijek koristan i nije štetan, može se dati pacijentu. Postoji nekoliko prednosti ovog postupka. Jedno je da se mogu koristiti lijekovi koji će vjerojatno biti korisni za određenu verziju bolesti pacijenta i za njihov specifični genom, što povećava vjerojatnost uspješnog liječenja. Druga je mogućnost da liječnici mogu dobiti neuobičajeni ili obično skupi lijek za pacijenta ako mogu dokazati da će lijek vjerojatno biti učinkovit. Uz to, ispitivanje lijekova na mini organima može smanjiti potrebu za laboratorijskim životinjama.

Struktura koja oponaša pluća

Godine 2019. znanstvenici sa Sveučilišta Rice i Sveučilišta Washington pokazali su svoje stvaranje mini organa koji oponaša ljudska pluća u akciji. Mini-pluća izrađena su od hidrogela. Sadrži malu strukturu nalik plućima koja se redovito ispunjava zrakom. Mreža žila ispunjenih krvlju okružuje strukturu.

Kad se stimuliraju, simulirano pluće i njegove žile ritmički se šire i skupljaju bez lomljenja. Video prikazuje kako funkcionira struktura. Iako organoid nije u punoj veličini i ne oponaša sva tkiva u ljudskim plućima, njegova sposobnost kretanja poput pluća vrlo je važan razvoj.

Neki izazovi za bioprint

Stvaranje organa koji je pogodan za implantaciju težak je zadatak. Organ je složena struktura koja sadrži različite tipove stanica i tkiva raspoređenih u određeni obrazac. Uz to, kako se organi razvijaju tijekom embrionalnog razvoja, oni primaju kemijske signale koji omogućavaju njihov pravilan razvoj njihove fine strukture i zamršenog ponašanja. Ti signali nedostaju kada pokušavamo umjetno stvoriti organ.

Neki znanstvenici misle da ćemo isprva - i možda još neko vrijeme - ispisati implantabilne strukture koje mogu obavljati jednu funkciju organa umjesto svih njegovih funkcija. Ove jednostavnije strukture mogu biti vrlo korisne ako nadoknađuju ozbiljne nedostatke u tijelu.

Iako će vjerojatno proći godine prije nego što bio-otisnuti organi budu dostupni za implantate, možda ćemo prije toga vidjeti nove prednosti tehnologije. Čini se da se tempo istraživanja povećava. Budućnost 3D ispisa u odnosu na medicinu trebala bi biti vrlo zanimljiva i uzbudljiva.

Reference

• Umjetno uho stvoreno 3D printerom i živim stanicama hrskavice iz časopisa Smithsonian.
• Transplantacijska čeljust izrađena 3D printerom BBC-a (British Broadcasting Corporation)
• Šarene 3D tiskane ruke Američkog društva inženjera strojarstva
• Bioprinter stvara dijelove tijela uzgojene u laboratoriju za transplantaciju iz The Guardiana
• Prva ljudska rožnica otisnuta 3D-om s vijesti EurekAlert
• 3D printer čini najmanju ljudsku jetru ikad od New Scientist-a
• Mini 3D tiskani organi oponašaju otkucaje srca i jetre tvrtke New Scientist
• Organ koji oponaša pluća iz Popular Mechanics
• Novi 3D printer stvara uho, mišiće i koštano tkivo u prirodnoj veličini od živih stanica tvrtke Science Alert
• Trodimenzionalni bioprinter za ispis ljudske kože s nove usluge phys.org

Ovaj je članak točan i vjeran prema autorskom znanju. Sadržaj je samo u informativne ili zabavne svrhe i ne zamjenjuje osobne savjete ili profesionalne savjete u poslovnim, financijskim, pravnim ili tehničkim pitanjima.