3Д штампачи у медицини: узбудљива употреба и потенцијалне примене

Садржај

• Трансформација медицине помоћу 3Д штампача
• Како функционише 3Д штампач?
• Стварање уха
• Разлика између калупа и скеле
• Потенцијалне користи од штампаних ушију
• Штампање доње вилице
• Протетика и имплантабилни предмети
• Још примера
• Биоштампање живим ћелијама: могућа будућност
• Замена органа и ткива
• Неки успеси биоштампања
• Штампање делова срца
• Стварање рожњаче
• Предности мини органа, органоида или органа на чипу
• Структура која опонаша плућа
• Неки изазови за биоштампање
• Референце

Линда Црамптон је дуги низ година подучавала науку и информациону технологију средњошколцима. Ужива у учењу о новој технологији.

Трансформација медицине помоћу 3Д штампача

3Д штампање је узбудљив аспект технологије која има много корисних примена. Једна фасцинантна и потенцијално веома важна примена 3Д штампача је стварање материјала који се могу користити у медицини. Ови материјали укључују имплантабилне медицинске уређаје, вештачке делове тела или протезе и прилагођене медицинске инструменте. Такође укључују отиснуте закрпе живог људског ткива као и мини органе. У будућности се могу штампати органи за имплантацију.

3Д штампачи имају могућност штампања чврстих, тродимензионалних објеката заснованих на дигиталном моделу ускладиштеном у меморији рачунара. Уобичајени медиј за штампу је течна пластика која се након штампања очвршћава, али су доступни и други медији. Ту спадају метал у праху и „мастила“ која садрже живе ћелије.

Способност штампача да производе материјале који су компатибилни са људским телом брзо се побољшава. Неки од материјала се већ користе у медицини, док су други још увек у експерименталној фази. Многи истраживачи су укључени у истрагу. 3Д штампање има примамљив потенцијал да трансформише медицински третман.

Како функционише 3Д штампач?

Први корак у стварању тродимензионалног објекта помоћу штампача је дизајн објекта. То се ради у програму ЦАД (Цомпутер-Аидед Десигн). Када је дизајн завршен, други програм креира упутства за производњу предмета у низу слојева. Овај други програм је понекад познат као програм за резање или као софтвер за резање, јер претвара ЦАД код за цео објекат у код за низ резова или хоризонталних слојева. Слојеви се могу бројати стотинама или чак хиљадама.

Штампач ствара предмет депоновањем слојева материјала у складу са упутствима програма за резање, почевши од дна предмета и радећи према горе. Узастопни слојеви су стопљени заједно. Поступак се назива производњом адитива.

Пластични филамент се често користи као медиј за 3Д штампу, посебно у штампачима оријентисаним ка потрошачима. Штампач топи филамент, а затим истискује врућу пластику кроз млазницу. Млазница се креће у свим димензијама док ослобађа течну пластику како би створила предмет. Кретање млазнице и количина истиснуте пластике контролише програм резача. Врућа пластика се стврдњава готово одмах након пуштања из млазнице. Остале врсте медија за штампу доступне су за посебне намене.

Део уха који је видљив са спољне стране тела познат је као пинна или ушна шкољка. Остатак уха налази се у лобањи. Функција пинне је да сакупља звучне таласе и шаље их у следећи одељак уха.

Стварање уха

У фебруару 2013. научници са Универзитета Цорнелл у Сједињеним Државама објавили су да су успели да направе пинна ушију помоћу 3Д штампе. Кораци које су научници из Корнела пратили били су следећи.

• Модел уха створен је у ЦАД програму. Истраживачи су користили фотографије стварних ушију као основу за овај модел.
• Модел ушију одштампао је 3Д штампач, користећи пластику за стварање калупа са обликом уха.
• У калуп је стављен хидрогел који садржи протеин назван колаген. Хидрогел је гел који садржи воду.
• Хондроцити (ћелије које производе хрскавицу) добијени су из крављег уха и додати колагену.
• Ухо колагена је стављено у хранљиви раствор у лабораторијску посуду. Док је уво било у раствору, неки хондроцити су заменили колаген.
• Ухо је затим уграђено у леђа пацова испод коже.
• После три месеца, колаген у уху је у потпуности замењен хрскавицом и ухо је задржало облик и разлику од околних ћелија пацова.

Разлика између калупа и скеле

У горе описаном процесу стварања ушију, пластично ухо је било инертни калуп. Његова једина функција била је да обезбеди исправан облик уха. Ухо колагена које се формирало унутар калупа деловало је као скела за хондроците. У ткивном инжењерству скела је биокомпатибилан материјал специфичног облика и у којем ћелије расту. Скела не само да има исправан облик већ има и својства која подржавају живот ћелија.

Откако је изведен првобитни поступак стварања ушију, истраживачи из Цорнелла пронашли су начин да одштампају колаген скелу правилног облика потребног за израду уха, елиминишући захтев за пластичним калупом.

Потенцијалне користи од штампаних ушију

Уши направљене помоћу штампача могле би бити корисне људима који су изгубили сопствене уши због повреде или болести. Такође би могли да помогну људима који су рођени без ушију или имају оне који се нису правилно развили.

Тренутно се заменљиве уши понекад праве од хрскавице у ребру пацијента. Добијање хрскавице је непријатно искуство за пацијента и може оштетити ребро. Поред тога, резултирајуће ухо можда неће изгледати баш природно. Уши су такође направљене од вештачког материјала, али опет резултат можда неће бити у потпуности задовољавајући. Штампане уши могу изгледати више као природне уши и ефикасније радити.

У марту 2013. компанија под називом Окфорд Перформанце Материалс известила је да су 75% мушке лобање заменили одштампаном полимерном лобањом. 3Д штампачи се такође користе за израду здравствених уређаја, попут протетских удова, слушних апарата и зубних имплантата.

Штампање доње вилице

У фебруару 2012. холандски научници известили су да су створили вештачку доњу вилицу помоћу 3Д штампача и уградили је у лице 83-годишње жене. Чељуст је направљена од слојева металног праха титанијума топљеног и прекривена је биокерамичким премазом. Биокерамички материјали су компатибилни са људским ткивом.

Жена је добила вештачку вилицу јер је имала хроничну инфекцију костију у сопственој доњој вилици. Лекари су сматрали да је традиционална операција реконструкције лица превише ризична за жену због њених година.

Чељуст је имала зглобове како би се могла померати, као и шупљине за причвршћивање мишића и жлебове за крвне судове и живце. Жена је могла да каже неколико речи чим се пробудила из анестетика. Сутрадан је могла да прогута. Отишла је кући након четири дана. Лажни зуб је требало да буде уграђен у вилицу касније.

Штампане структуре се такође користе у медицинској обуци и у предхируршком планирању. Тродимензионални модел креиран на основу медицинских снимака пацијента може бити врло користан за хирурге, јер може приказати специфичне услове у телу пацијента. Ово може поједноставити сложену операцију.

Протетика и имплантабилни предмети

Горе описана метална вилица је врста протетског или вештачког дела тела. Производња протетике је подручје у којем 3Д штампачи постају важни. Неке болнице сада имају сопствене штампаче или раде у сарадњи са компанијом за медицинско снабдевање која има штампач.

Стварање протезе 3Д штампањем често је бржи и јефтинији процес од израде уобичајеним производним методама. Поред тога, лакше је створити прилагођено прилагођавање пацијенту када је уређај посебно дизајниран и штампан за ту особу. Скенирање у болници може се користити за стварање уређаја по мери.

Заменски удови се данас често штампају 3Д, барем у неким деловима света. Штампане руке и шаке су често знатно јефтиније од оних произведених конвенционалним методама. Једна компанија за 3Д штампу сарађује са Валтом Диснеием на стварању живописних и забавних протетских руку за децу. Поред стварања јефтинијег производа који је приступачнији, циљ иницијативе је „да помогне деци да своју протетику виде као извор узбуђења, а не срамоте или ограничења“.

Још примера

• Крајем 2015. године, одштампани пршљени успешно су постављени пацијенту. Пацијенти су такође добили штампану грудну кост и ребарни кош.
• 3Д штампа се користи за производњу побољшаних зубних имплантата.
• Заменљиви зглобови кука се често штампају.
• Катетери који одговарају специфичној величини и облику пролаза у телу пацијента могли би ускоро бити уобичајени.
• 3Д штампа је често укључена у производњу слушних апарата.

Биоштампање живим ћелијама: могућа будућност

Штампање живим ћелијама, или биоштампање, дешава се данас. То је деликатан процес. Ћелије не смеју бити превруће. Већина метода 3Д штампања укључују високе температуре, које би убиле ћелије. Поред тога, течност носач ћелија не сме да им науди. Течност и ћелије које садржи познате су као био мастило (или биоинк).

Замена органа и ткива

Замена оштећених органа органима направљеним од 3Д штампача била би дивна револуција у медицини. Тренутно нема довољно донираних органа на располагању свима којима су потребни.

План је узимати ћелије из сопственог тела пацијента како би се одштампао орган који им је потребан. Овај процес треба да спречи одбацивање органа. Ћелије би вероватно биле матичне ћелије, које су неспецијализоване ћелије које су способне да производе друге типове ћелија када се правилно стимулишу. Штампач ће депоновати различите типове ћелија у правилном редоследу. Истраживачи откривају да бар неке врсте људских ћелија имају невероватну способност самоорганизовања када се депонују, што би било врло корисно у процесу стварања органа.

За израду живог ткива користи се посебна врста 3Д штампача позната као биопринтер. Уобичајени метод израде ткива, хидрогел се штампа са једне главе штампача да би се формирала скела. Ситне капљице течности, свака садржи много хиљада ћелија, одштампане су на скели са друге главе штампача. Капљице се ускоро спајају и ћелије се везују једна за другу. Када се формира жељена структура, хидрогелна скела се уклања.Може се ољуштити или опрати ако је растворљив у води. Такође се могу користити биоразградиве скеле. Они се постепено распадају унутар живог тела.

У медицини, трансплантација је пренос органа или ткива са даваоца на примаоца. Имплантат је уметање вештачког уређаја у тело пацијента. 3Д биоштампање је негде између ове две крајности. И „трансплантација“ и „имплантација“ користе се када се реферишу на производе произведене у био-штампачу.

Неки успеси биоштампања

Неживи имплантати и протезе које су створили 3Д штампачи већ се користе код људи. Употреба имплантата који садрже живе ћелије захтева више истраживања која се изводе. 3Д-штампањем још увек не могу да се израде читави органи, али делови органа могу. Штампано је много различитих структура, укључујући закрпе срчаног мишића који су у стању да победе, закрпе коже, сегменте крвних судова и хрскавицу колена. Они још увек нису уграђени у људе. 2017. године научници су представили прототип штампача који може створити људску кожу за имплантацију, а 2018. године други научници су одштампали рожњаче у процесу који ће једног дана можда бити коришћен за поправљање оштећења у очима.

Извештено је о неким открићима која су се надала 2016. Тим научника је под кожу мишева уградио три врсте биоотисканих структура. То је укључивало бебе људског уха, део мишића и део кости вилице човека. Крвни судови из околине пружали су се у све ове структуре док су били у телима мишева. Ово је био узбудљив развој догађаја, јер је снабдевање крвљу неопходно за одржавање ткива у животу. Крв преноси хранљиве материје у жива ткива и односи њихов отпад.

Такође је било узбудљиво приметити да су уграђене структуре могле да остану живе док се крвни судови не развију. Овај подвиг постигнут је постојањем ситних пора у структурама које су омогућавале улазак хранљивих састојака у њих.

Штампање делова срца

Стварање рожњаче

Научници са Универзитета Невцастле у Великој Британији створили су рожнице одштампане 3Д-ом. Рожњача је прозирни, крајњи спољни покривач наших очију. Озбиљна оштећења овог покривача могу проузроковати слепило. Трансплантација рожњаче често решава проблем, али на располагању нема довољно рожњаче да помогне свима којима су потребне.

Научници су матичне ћелије добили из здраве људске рожњаче. Ћелије су затим стављене у гел направљен од алгината и колагена. Гел је заштитио ћелије док су пролазиле кроз једну млазницу штампача. За испис гела и ћелија у правилном облику било је потребно мање од десет минута. Облик је добијен скенирањем ока особе. (У медицинској ситуацији пацијентово око би се скенирало.) Једном када се одштампа мешавина гела и ћелија, матичне ћелије су створиле комплетну рожњачу.

Рожњаче направљене поступком штампе још нису уграђене у људске очи. Вероватно ће проћи неко време пре него што то и учине. Међутим, они могу да помогну многим људима.

Подстицање матичних ћелија да производе специјализоване ћелије потребне за прављење одређеног дела људског тела у тачно време сам по себи представља изазов. То је процес који би за нас могао имати дивне користи.

Предности мини органа, органоида или органа на чипу

Научници су успели да направе мини органе 3Д штампањем (и другим методама). „Мини органи“ су минијатурне верзије органа, делови органа или делови ткива одређених органа. На њих се позивају различита имена поред појма мини оргуље. Штампане креације можда не садрже све врсте структура које се налазе у органима у пуној величини, али су добре приближне вредности. Истраживања показују да би они могли имати важну употребу, иако се не могу имплантирати.

Мини органи се не производе увек из ћелија које даје случајни давалац. Уместо тога, често се праве од ћелија особе која има болест. Истраживачи могу да провере ефекте лекова на мини орган. Ако се утврди да је лек користан и да није штетан, може се дати пацијенту. Постоји неколико предности овог процеса. Једна је да се могу користити лекови који ће вероватно бити корисни за одређену верзију болести пацијента и за њихов специфични геном, што повећава вероватноћу успешног лечења. Друга је могућност да лекари могу да добију необичан или обично скуп лек за пацијента ако могу да покажу да је лек вероватно ефикасан. Поред тога, испитивање лекова на мини органима може смањити потребу за лабораторијским животињама.

Структура која опонаша плућа

2019. године научници са Универзитета Рајс и Универзитета у Вашингтону демонстрирали су стварање мини органа који имитира људска плућа у акцији. Мини-плућа су направљена од хидрогела. Садржи малу структуру налик плућима која се у редовним интервалима испуњава ваздухом. Мрежа посуда испуњених крвљу окружује структуру.

Када се стимулишу, симулирано плуће и његови судови се ритмички шире и скупљају без ломљења. Видео приказује како функционише структура. Иако органоид није у пуној величини и не опонаша сва ткива у људским плућима, његова способност да се креће попут плућа веома је важан развој.

Неки изазови за биоштампање

Стварање органа погодног за имплантацију је тежак задатак. Орган је сложена структура која садржи различите типове ћелија и ткива распоређена у одређеном обрасцу. Поред тога, како се органи развијају током ембрионалног развоја, они добијају хемијске сигнале који омогућавају да се њихова фина структура и сложено понашање правилно развијају. Ти сигнали недостају када покушавамо вештачки да створимо орган.

Неки научници мисле да ћемо у почетку - и можда још неко време - одштампати имплантабилне структуре које могу обављати једну функцију органа уместо свих његових функција. Ове једноставније структуре могу бити врло корисне ако надокнађују озбиљне недостатке у телу.

Иако ће вероватно проћи године пре него што органи са биоотиском буду доступни за имплантате, можда ћемо пре тога видети нове предности технологије. Чини се да се темпо истраживања повећава. Будућност 3Д штампе у односу на медицину требало би да буде веома занимљива и узбудљива.

Референце

• Вештачко уво створено 3Д штампачем и живим ћелијама хрскавице из часописа Смитхсониан.
• Трансплантација вилице направљена 3Д штампачем ББЦ-ја (Бритисх Броадцастинг Цорпоратион)
• Шарене 3Д штампане руке Америчког друштва машинских инжењера
• Биопринтер креира делове тела узгајане у лабораторији за трансплантацију од Тхе Гуардиана
• Прва људска рожњача одштампана 3Д-ом од новинске службе ЕурекАлерт
• 3Д штампач чини најмању људску јетру икад од компаније Нев Сциентист
• Мини 3Д штампани органи опонашају откуцаје срца и јетре компаније Нев Сциентист
• Орган који опонаша плућа из Популар Мецханицс
• Нови 3Д штампач прави уво, мишиће и коштано ткиво у природној величини од живих ћелија компаније Сциенце Алерт
• Тродимензионални биоштампач за штампање људске коже са нове услуге Пхис.орг

Овај чланак је тачан и тачан по сазнањима аутора. Садржај је само у информативне или забавне сврхе и не може заменити лични савет или професионални савет у пословним, финансијским, правним или техничким питањима.