Vsebina
- Preoblikovanje medicine s 3D tiskalniki
- Kako deluje 3D tiskalnik?
- Izdelava ušesa
- Razlika med plesnijo in odrom
- Potencialne koristi tiskanih ušes
- Tiskanje spodnje čeljusti
- Protetika in implantacijski predmeti
- Več primerov
- Biotiskanje z živimi celicami: možna prihodnost
- Zamenjava organov in tkiv
- Nekaj uspehov biotiska
- Tiskanje delov srca
- Ustvarjanje roženice
- Prednosti mini organov, organoidov ali organov na čipu
- Struktura, ki posnema pljuča
- Nekaj izzivov za biotisk
- Reference
Linda Crampton je dolga leta srednješolce poučevala naravoslovje in informacijsko tehnologijo. Uživa v spoznavanju nove tehnologije.
Preoblikovanje medicine s 3D tiskalniki
3D tiskanje je razburljiv vidik tehnologije, ki ima veliko uporabnih aplikacij. Fascinantna in potencialno zelo pomembna aplikacija 3D tiskalnikov je ustvarjanje materialov, ki jih je mogoče uporabiti v medicini. Ti materiali vključujejo medicinske pripomočke za vsaditev, umetne dele telesa ali protetiko in medicinske instrumente po meri. Vključujejo tudi natisnjene zaplate živega človeškega tkiva in mini orgle. V prihodnosti bodo lahko natisnjeni organi.
3D-tiskalniki imajo možnost tiskanja trdnih tridimenzionalnih predmetov na podlagi digitalnega modela, shranjenega v pomnilniku računalnika. Običajni tiskarski medij je tekoča plastika, ki se po tiskanju strdi, na voljo pa so tudi drugi mediji. Sem spadajo kovinski prah in "črnila", ki vsebujejo žive celice.
Sposobnost tiskalnikov, da proizvajajo materiale, združljive s človeškim telesom, se hitro izboljšuje. Nekateri materiali se že uporabljajo v medicini, drugi pa so še v poskusni fazi. V preiskavo je vključenih veliko raziskovalcev. 3D tiskanje ima moteč potencial za preoblikovanje zdravljenja.
Kako deluje 3D tiskalnik?
Prvi korak pri ustvarjanju tridimenzionalnega predmeta s pomočjo tiskalnika je oblikovanje predmeta. To se naredi v programu CAD (Computer-Aided Design). Ko je načrtovanje končano, drug program ustvari navodila za izdelavo predmeta v vrsti slojev. Ta drugi program je včasih znan kot program za rezanje ali kot program za rezanje, saj pretvori kodo CAD za celoten predmet v kodo za vrsto rezin ali vodoravnih slojev. Plasti se lahko štejejo na stotine ali celo na tisoče.
Tiskalnik ustvari predmet z odlaganjem plasti materiala v skladu z navodili programa za rezanje, začenši na dnu predmeta in delajo navzgor. Zaporedne plasti se stopijo skupaj. Postopek se imenuje aditivna proizvodnja.
Plastični filament se pogosto uporablja kot medij za 3D tiskanje, zlasti pri potrošniško usmerjenih tiskalnikih. Tiskalnik topi filament in nato skozi šobo iztisne vročo plastiko. Šoba se premika v vseh dimenzijah, ko sprošča tekočo plastiko, da ustvari predmet. Premikanje šobe in količino iztisnjene plastike nadzoruje program rezalnikov. Vroča plastika se strdi skoraj takoj po izpustu iz šobe. Za posebne namene so na voljo druge vrste tiskalnih medijev.
Del ušesa, ki je viden z zunanje strani telesa, je znan kot pinna ali ušesna ušesa. Preostanek ušesa se nahaja v lobanji. Naloga pinne je zbiranje zvočnih valov in njihovo pošiljanje v naslednji odsek ušesa.
Izdelava ušesa
Februarja 2013 so znanstveniki z ameriške univerze Cornell objavili, da so lahko s pomočjo 3D tiska naredili ušesno konico. Koraki znanstvenikov iz Cornella so bili naslednji.
- Model ušesa je bil ustvarjen v programu CAD. Za osnovo tega modela so raziskovalci uporabili fotografije pravih ušes.
- Model ušesa je natisnil 3D-tiskalnik, s pomočjo plastike pa je ustvaril kalup z obliko ušesa.
- V kalup je bil nameščen hidrogel, ki vsebuje beljakovino, imenovano kolagen. Hidrogel je gel, ki vsebuje vodo.
- Hondrocite (celice, ki proizvajajo hrustanec) so dobili iz kravjega ušesa in jih dodali kolagenu.
- Kolagenovo uho smo postavili v hranilno raztopino v laboratorijski posodi. Medtem ko je bilo uho v raztopini, so nekateri hondrociti nadomestili kolagen.
- Nato je bilo uho vsajeno v hrbet podgane pod kožo.
- Po treh mesecih je bil kolagen v ušesu popolnoma nadomeščen s hrustancem in uho je ohranilo obliko in razliko od okoliških podganjih celic.
Razlika med plesnijo in odrom
V zgoraj opisanem postopku ustvarjanja ušes je bilo plastično uho inerten kalup. Njegova edina naloga je bila zagotoviti pravilno obliko ušesa. Kolagenovo uho, ki je nastalo znotraj plesni, je delovalo kot oder za hondrocite. Pri tkivnem inženirstvu je oder biološko združljiv material s posebno obliko in na katerem celice rastejo. Oder nima le pravilne oblike, temveč ima tudi lastnosti, ki podpirajo življenje celic.
Ker je bil prvotni postopek ustvarjanja ušes izveden, so raziskovalci Cornella našli način, kako natisniti kolagenski oder s pravilno obliko, potrebno za izdelavo ušesa, in tako odpravili zahtevo po plastičnem kalupu.
Potencialne koristi tiskanih ušes
Ušesa, narejena s pomočjo tiskalnikov, so lahko koristna za ljudi, ki so zaradi poškodbe ali bolezni izgubili lastna ušesa. Pomagali bi lahko tudi ljudem, ki so se rodili brez ušes ali imajo tiste, ki se niso pravilno razvili.
Trenutno so nadomestna ušesa včasih narejena iz hrustanca v pacientovem rebru. Pridobivanje hrustanca je za bolnika neprijetna izkušnja in lahko poškoduje rebro. Poleg tega nastalo uho morda ni videti zelo naravno. Ušesa so narejena tudi iz umetnega materiala, vendar rezultat spet morda ne bo povsem zadovoljiv. Natisnjena ušesa lahko bolj izgledajo kot naravna ušesa in delujejo učinkoviteje.
Marca 2013 je podjetje z imenom Oxford Performance Materials poročalo, da so zamenjali 75% moške lobanje s tiskano polimerno lobanjo. 3D-tiskalniki se uporabljajo tudi za izdelavo zdravstvenih aparatov, kot so protetični udi, slušni aparati in zobni vsadki.
Tiskanje spodnje čeljusti
Februarja 2012 so nizozemski znanstveniki poročali, da so s 3D-tiskalnikom ustvarili umetno spodnjo čeljust in jo vsadili v obraz 83-letnice. Čeljust je bila narejena iz slojev kovinskega prahu iz titana, ki je topljen in je bila prekrita z biokeramično prevleko. Biokeramični materiali so združljivi s človeškim tkivom.
Ženska je umetno čeljust prejela, ker je imela kronično okužbo kosti v spodnji čeljusti. Zdravniki so menili, da je tradicionalna operacija rekonstrukcije obraza za žensko zaradi starosti preveč tvegana.
Čeljust je imela sklepe, da jih je bilo mogoče premikati, pa tudi votline za pritrditev mišic in žlebove za ožilje in živce. Ženska je lahko spregovorila nekaj besed takoj, ko se je zbudila iz anestetika. Naslednji dan je lahko pogoltnila. Po štirih dneh je odšla domov. Pozneje naj bi lažne zobe vsadili v čeljust.
Tiskane strukture se uporabljajo tudi pri medicinskem usposabljanju in predkirurškem načrtovanju. Tridimenzionalni model, narejen iz pacientovih zdravstvenih pregledov, je lahko zelo koristen za kirurge, saj lahko prikaže posebne razmere v pacientovem telesu. To lahko poenostavi zapleteno operacijo.
Protetika in implantacijski predmeti
Zgoraj opisana kovinska čeljust je vrsta protetičnega ali umetnega dela telesa. Proizvodnja protetike je področje, na katerem 3D tiskalniki postajajo pomembni. Nekatere bolnišnice imajo zdaj lastne tiskalnike ali sodelujejo s podjetjem za medicinsko oskrbo, ki ima tiskalnik.
Ustvarjanje proteze s 3D tiskanjem je pogosto hitrejši in cenejši postopek kot pri običajnih proizvodnih metodah. Poleg tega je lažje ustvariti prilagojeno prilagoditev za pacienta, če je naprava posebej zasnovana in natisnjena za osebo. Skeniranje v bolnišnici se lahko uporablja za ustvarjanje prilagojenih naprav.
Nadomestne okončine so danes vsaj v nekaterih delih sveta pogosto 3D natisnjene. Tiskane roke in roke so pogosto precej cenejše od tistih, izdelanih po običajnih metodah. Eno podjetje za 3D tiskanje sodeluje z Waltom Disneyjem pri ustvarjanju barvitih in zabavnih protetičnih rok za otroke. Cilj pobude je poleg ustvarjanja cenejšega izdelka, ki je cenovno ugodnejši, "otrokom pomagati, da na svojo protetiko gledajo bolj kot na vznemirjenje kot na zadrego ali omejitev".
Več primerov
- Konec leta 2015 so bili natisnjeni vretenci uspešno nameščeni bolniku. Bolniki so prejeli tudi natisnjeno prsnico in reber.
- 3D tisk se uporablja za izdelavo izboljšanih zobnih vsadkov.
- Nadomestni kolčni sklepi so pogosto natisnjeni.
- Katetri, ki ustrezajo določeni velikosti in obliki prehoda v pacientovem telesu, bi lahko bili kmalu pogosti.
- 3D-tiskanje je pogosto vključeno v izdelavo slušnih pripomočkov.
Biotiskanje z živimi celicami: možna prihodnost
Tiskanje z živimi celicami ali biotiskanje se dogaja danes. To je občutljiv postopek. Celice se ne smejo preveč segreti. Večina metod 3D tiskanja vključuje visoke temperature, ki bi ubile celice. Poleg tega nosilna tekočina za celice ne sme škodovati. Tekočina in celice, ki jih vsebuje, so znane kot bio-črnilo (ali bioink).
Zamenjava organov in tkiv
Zamenjava poškodovanih organov z organi iz 3D tiskalnikov bi bila čudovita revolucija v medicini. Trenutno ni na voljo dovolj podarjenih organov za vse, ki jih potrebujejo.
V načrtu je vzeti celice iz pacientovega telesa, da se natisne organ, ki ga potrebujejo. Ta postopek bi moral preprečiti zavrnitev organa. Celice bi bile verjetno izvorne celice, ki so nespecializirane celice, ki lahko pravilno proizvajajo druge vrste celic. Tiskalnik bi različne vrste celic odložil v pravilnem vrstnem redu. Raziskovalci odkrivajo, da imajo vsaj nekatere vrste človeških celic neverjetno sposobnost samoorganiziranja, ko se odložijo, kar bi bilo zelo koristno v procesu ustvarjanja organa.
Za izdelavo živega tkiva se uporablja posebna vrsta 3D-tiskalnika, znana kot bioprinter. Pri običajni metodi izdelave tkiva se iz ene glave tiskalnika natisne hidrogel, da se tvori oder. Drobne kapljice tekočine, od katerih vsaka vsebuje več tisoč celic, so na oder natisnjene z druge glave tiskalnika. Kapljice se kmalu pridružijo in celice se pritrdijo ena na drugo. Ko se oblikuje želena struktura, se hidrogelni oder odstrani.Lahko je olupljen ali pa je opran, če je topen v vodi. Lahko se uporabljajo tudi biorazgradljivi odri. Ti se postopoma razgrajujejo znotraj živega telesa.
V medicini je presaditev prenos organa ali tkiva z darovalca na prejemnika. Vsadek je vstavitev umetne naprave v bolnikovo telo. 3D biotiskanje je nekje med tema dvema skrajnostma. Tako "presaditev" kot "vsadek" se uporabljata pri sklicevanju na izdelke, ki jih proizvaja bioprinter.
Nekaj uspehov biotiska
Neživi vsadki in protetike, ki so jih ustvarili 3D-tiskalniki, se že uporabljajo pri ljudeh. Uporaba vsadkov, ki vsebujejo žive celice, zahteva več raziskav, ki se izvajajo. S 3D tiskanjem še ni mogoče izdelati celotnih organov, lahko pa jih odseki organov. Natisnjenih je bilo veliko različnih struktur, vključno z obliži srčne mišice, ki lahko premagajo, kožni obliži, segmenti krvnih žil in hrustanca kolena. Ti še niso bili vsajeni v ljudi. Leta 2017 so znanstveniki predstavili prototip tiskalnika, ki lahko ustvari človeško kožo za implantacijo, leta 2018 pa so drugi znanstveniki natisnili roženice v postopku, ki ga bodo nekoč lahko uporabili za popravilo poškodb v očeh.
V letu 2016 so poročali o nekaterih upajočih odkritjih. Skupina znanstvenikov je miši pod kožo implantirala tri vrste biotiskanih struktur. Ti so vključevali otroško ušesno ušesce v velikosti otroka, košček mišice in del človeške čeljustne kosti. Krvne žile iz okolice so se širile v vse te strukture, medtem ko so bile v telesih miši. To je bil vznemirljiv razvoj dogodkov, saj je za oskrbo tkiv potrebna oskrba s krvjo. Kri prenaša hranila v živa tkiva in odnaša njihove odpadke.
Zanimivo je bilo tudi opaziti, da so lahko vsajene strukture ostale žive, dokler se krvne žile ne razvijejo. Ta podvig je bil dosežen z obstojem drobnih por v strukturah, ki so omogočile vstop hranil v njih.
Tiskanje delov srca
Ustvarjanje roženice
Znanstveniki z univerze Newcastle v Veliki Britaniji so ustvarili roženice, natisnjene s 3D. Roženica je prozoren, najbolj zunanji pokrov naših oči. Resna poškodba te prevleke lahko povzroči slepoto. Presaditev roženice pogosto reši težavo, vendar ni na voljo dovolj roženic, ki bi pomagale vsem, ki jih potrebujejo.
Znanstveniki so matične celice pridobili iz zdrave človeške roženice. Nato so celice položili v gel iz alginata in kolagena. Gel je zaščitil celice med potovanjem skozi eno šobo tiskalnika. Za tisk gela in celic v pravilni obliki je bilo potrebnih manj kot deset minut. Oblika je bila pridobljena s skeniranjem človekovega očesa. (V zdravstveni situaciji bi pregledali pacientovo oko.) Ko so mešanico gela in celic natisnili, so matične celice ustvarile popolno roženico.
Roženice, narejene s postopkom tiskanja, še niso bile vsadjene v človeške oči. Verjetno bo minilo nekaj časa, preden bodo. Vendar lahko veliko ljudem pomagajo.
Spodbujanje izvornih celic za proizvodnjo specializiranih celic, potrebnih za izdelavo določenega dela človeškega telesa ob pravem času, je samo po sebi izziv. To pa bi lahko imel čudovite koristi za nas.
Prednosti mini organov, organoidov ali organov na čipu
Znanstveniki so lahko mini orgle ustvarili s 3D tiskanjem (in z drugimi metodami). "Mini organi" so miniaturne različice organov, odsekov organov ali obliži tkiva iz določenih organov. Na njih se poleg izraza mini orgle sklicujejo tudi različna imena. Natisnjene stvaritve morda ne vsebujejo vseh vrst struktur, ki jih najdemo v orgalih v polni velikosti, vendar so dober približek. Raziskave kažejo, da bi lahko imeli pomembno uporabo, čeprav jih ni mogoče vsaditi.
Mini organi niso vedno proizvedeni iz celic, ki jih dobavi naključni darovalec. Namesto tega so pogosto narejene iz celic osebe, ki ima bolezen. Raziskovalci lahko preverijo učinke zdravil na mini organ. Če se ugotovi, da je zdravilo koristno in ne škoduje, ga lahko da bolniku. Prednost tega postopka je več. Eno je, da se lahko uporabi zdravilo, ki bo verjetno koristno za bolnikovo specifično različico bolezni in za njihov specifični genom, kar povečuje verjetnost uspešnega zdravljenja. Druga težava je, da lahko zdravniki za pacienta dobijo nenavadno ali običajno drago zdravilo, če lahko dokažejo, da je zdravilo verjetno učinkovito. Poleg tega lahko testiranje zdravil na mini organih zmanjša potrebo po laboratorijskih živalih.
Struktura, ki posnema pljuča
Leta 2019 so znanstveniki z univerze Rice in univerze v Washingtonu pokazali, da so ustvarili mini organ, ki posnema človeška pljuča v akciji. Mini pljuča so izdelana iz hidrogela. Vsebuje majhno pljučno strukturo, ki je v rednih presledkih napolnjena z zrakom. Mreža posod, napolnjenih s krvjo, obdaja strukturo.
Ko se simulirajo pljuča in njegove žile, se ritmično širijo in krčijo, ne da bi se zlomili. Video prikazuje, kako deluje struktura. Čeprav organoid ni v polni velikosti in ne posnema vseh tkiv v človeških pljučih, je njegova sposobnost gibanja kot pljuča zelo pomemben razvoj.
Nekaj izzivov za biotisk
Ustvarjanje organa, ki je primeren za implantacijo, je težka naloga. Organ je zapletena struktura, ki vsebuje različne vrste celic in tkiva, razporejena po določenem vzorcu. Poleg tega, ko se organi razvijajo med embrionalnim razvojem, prejemajo kemične signale, ki omogočajo njihov pravilen razvoj in zapleteno vedenje. Ti signali manjkajo, ko poskušamo umetno ustvariti organ.
Nekateri znanstveniki mislijo, da bomo sprva - in morda še nekaj časa - natisnili vsadljive strukture, ki lahko namesto vseh njegovih funkcij opravljajo eno samo funkcijo organa. Te enostavnejše strukture so lahko zelo koristne, če nadomestijo resne okvare v telesu.
Čeprav bodo verjetno verjetno minila leta, preden bodo bioprintirani organi na voljo za vsadke, bomo pred tem morda videli nove prednosti tehnologije. Zdi se, da se hitrost raziskovanja povečuje. Prihodnost 3D tiskanja v povezavi z medicino bi morala biti zelo zanimiva in vznemirljiva.
Reference
- Umetno uho, ki so ga ustvarili 3D-tiskalnik in žive celice hrustanca iz revije Smithsonian.
- Presaditev čeljusti, ki jo je izdelal 3D-tiskalnik BBC (British Broadcasting Corporation)
- Barvite 3D tiskane roke Ameriškega združenja strojnih inženirjev
- Bioprinter ustvari po meri izdelane dele telesa, ki jih gojijo za presaditev podjetja The Guardian
- Prva človeška roženica, natisnjena s 3D, iz informativne službe EurekAlert
- 3D tiskalnik iz New Scientist naredi najmanjša človeška jetra doslej
- Mini 3D tiskani organi posnemajo bitje srca in jeter podjetja New Scientist
- Organ, ki posnema pljuča iz Popular Mechanics
- Novi 3D-tiskalnik ustvarja uho, mišice in kostno tkivo v naravni velikosti iz živih celic Science Alert
- 3D-tiskalnik za tiskanje človeške kože iz nove storitve phys.org
Ta članek je natančen in v skladu z avtorjevim znanjem. Vsebina je samo v informativne ali zabavne namene in ne nadomešča osebnih nasvetov ali strokovnih nasvetov v poslovnih, finančnih, pravnih ali tehničnih zadevah.
