3D printeri medicīnā: aizraujoši lietojumi un iespējamie pielietojumi

Saturs

• Medicīnas pārveidošana ar 3D printeriem
• Kā darbojas 3D printeris?
• Auss izgatavošana
• Atšķirība starp veidni un sastatnēm
• Iespējamie ieguvumi no iespiestām ausīm
• Apakšžokļa drukāšana
• Protezēšana un implantējamie priekšmeti
• Vairāk piemēru
• Bioprintings ar dzīvajām šūnām: iespējama nākotne
• Orgānu un audu nomaiņa
• Daži bioprintēšanas panākumi
• Sirds daļu drukāšana
• Radzenes izveide
• Mini orgānu, organoīdu vai čipša orgānu priekšrocības
• Struktūra, kas atdarina plaušas
• Daži izaicinājumi bioprintēšanai
• Atsauces

Linda Crampton daudzus gadus mācīja dabaszinātnes un informācijas tehnoloģijas vidusskolēniem. Viņai patīk mācīties par jaunajām tehnoloģijām.

Medicīnas pārveidošana ar 3D printeriem

3D druka ir aizraujošs tehnoloģijas aspekts, kuram ir daudz noderīgu lietojumu. Viens aizraujošs un potenciāli ļoti svarīgs 3D printeru pielietojums ir tādu materiālu radīšana, kurus var izmantot medicīnā. Šie materiāli ietver implantējamas medicīnas ierīces, mākslīgas ķermeņa daļas vai protezēšanu un pielāgotus medicīnas instrumentus. Tie ietver arī iespiestus dzīvu cilvēka audu plāksterus, kā arī mini orgānus. Nākotnē implantējamos orgānus var izdrukāt.

3D printeriem ir iespēja drukāt cietus, trīsdimensiju objektus, pamatojoties uz digitālo modeli, kas saglabāts datora atmiņā. Parasts drukas līdzeklis ir šķidra plastmasa, kas pēc drukāšanas sacietē, bet ir pieejami citi materiāli. Tie ietver pulverveida metālu un "tintes", kas satur dzīvas šūnas.

Strauji uzlabojas printeru spēja ražot materiālus, kas ir saderīgi ar cilvēka ķermeni. Daži no materiāliem jau tiek izmantoti medicīnā, bet citi joprojām ir eksperimentu stadijā. Izmeklēšanā ir iesaistīti daudzi pētnieki. 3D drukāšanai ir milzīgs potenciāls pārveidot ārstēšanu.

Kā darbojas 3D printeris?

Pirmais solis trīsdimensiju objekta izveidē ar printeri ir objekta noformēšana. Tas tiek darīts CAD (Computer-Aided Design) programmā. Kad dizains ir pabeigts, cita programma izveido instrukcijas objekta ražošanai virknē slāņu. Šī otrā programma dažreiz tiek dēvēta par sagriešanas programmu vai kā sadalītāja programmatūru, jo tā visa objekta CAD kodu pārveido par šķēles vai horizontālo slāņu sērijas kodu. Slāņu skaits var būt simtos vai pat tūkstošos.

Printeris izveido objektu, nogulsnējot materiāla slāņus atbilstoši griezēja programmas instrukcijām, sākot no objekta apakšas un virzoties uz augšu. Secīgie slāņi tiek sapludināti kopā. Process tiek saukts par piedevu ražošanu.

Plastmasas pavedieni bieži tiek izmantoti kā vide 3D drukāšanai, īpaši printeros, kas orientēti uz patērētājiem. Printeris izkausē kvēldiegu un pēc tam caur sprauslu izspiež karstu plastmasu. Sprausla pārvietojas visos izmēros, kad tā atbrīvo šķidro plastmasu, lai izveidotu objektu. Sprauslas kustību un ekstrudētā plastmasas daudzumu kontrolē šķēlēja programma. Karstā plastmasa sacietē gandrīz uzreiz pēc atbrīvošanas no sprauslas. Īpašiem mērķiem ir pieejami cita veida drukas materiāli.

Auss daļa, kas ir redzama no ķermeņa ārpuses, ir pazīstama kā pinna vai auss. Pārējā auss atrodas galvaskausā. Pinna funkcija ir savākt skaņas viļņus un nosūtīt tos uz nākamo auss sekciju.

Auss izgatavošana

2013. gada februārī zinātnieki Kornela universitātē Amerikas Savienotajās Valstīs paziņoja, ka ar 3D drukāšanas palīdzību ir varējuši izgatavot auss pinna. Kornela zinātnieku soļi bija šādi.

• CAD programmā tika izveidots auss modelis. Pētnieki par šī modeļa pamatu izmantoja reālu ausu fotogrāfijas.
• Ausu modeli izdrukāja 3D printeris, izmantojot plastmasu, lai izveidotu veidni ar auss formu.
• Pelējuma iekšpusē ievietoja hidrogēlu, kas satur olbaltumvielu, ko sauc par kolagēnu. Hidrogels ir gēls, kas satur ūdeni.
• Hondrocīti (šūnas, kas ražo skrimšļus) tika iegūti no govs auss un pievienoti kolagēnam.
• Kolagēna auss tika ievietots uzturvielu šķīdumā laboratorijas traukā. Kamēr auss atradās šķīdumā, daži hondrocīti aizstāja kolagēnu.
• Tad auss tika implantēts žurkas aizmugurē zem ādas.
• Pēc trim mēnešiem kolagēns ausī bija pilnībā aizstāts ar skrimšļiem, un auss bija saglabājis savu formu un atšķirību no apkārtējām žurku šūnām.

Atšķirība starp veidni un sastatnēm

Iepriekš aprakstītajā ausu radīšanas procesā plastmasas auss bija inerta forma. Tās vienīgā funkcija bija nodrošināt pareizu auss formu. Kolagēna auss, kas izveidojās pelējuma iekšpusē, darbojās kā hondrocītu sastatnes. Audumu inženierijā sastatnes ir bioloģiski savietojams materiāls ar noteiktu formu, kurā aug šūnas. Sastatnēm ir ne tikai pareiza forma, bet arī īpašības, kas atbalsta šūnu dzīvi.

Kopš sākotnējā ausu izveides procesa veikšanas Kornela pētnieki ir atraduši veidu, kā ar pareizu formu izdrukāt kolagēna sastatnes, kas vajadzīgas auss izgatavošanai, novēršot prasību pēc plastmasas veidnes.

Iespējamie ieguvumi no iespiestām ausīm

Ausis, kas izgatavotas ar printeru palīdzību, varētu būt noderīgas cilvēkiem, kuriem traumu vai slimību dēļ ir pazaudētas ausis. Viņi varētu arī palīdzēt cilvēkiem, kuri dzimuši bez ausīm vai kuriem nav pienācīgi attīstījušies.

Pašlaik aizvietojošās ausis dažreiz tiek izgatavotas no pacienta ribas skrimšļiem. Skrimšļa iegūšana pacientam ir nepatīkama pieredze un var sabojāt ribu. Turklāt iegūtā auss var izskatīties ne tik dabiski. Ausis ir izgatavotas arī no mākslīga materiāla, taču atkal rezultāts var nebūt pilnīgi apmierinošs. Iespiestām ausīm ir iespējas vairāk izskatīties pēc dabiskām ausīm un strādāt efektīvāk.

2013. gada martā uzņēmums ar nosaukumu Oxford Performance Materials ziņoja, ka tie 75% vīrieša galvaskausa ir aizstājuši ar polimēru iespiestu galvaskausu. 3D printeri tiek izmantoti arī tādu veselības aprūpes ierīču izgatavošanai kā protēžu ekstremitātes, dzirdes aparāti un zobu implanti.

Apakšžokļa drukāšana

Nīderlandes zinātnieki 2012. gada februārī ziņoja, ka ar 3D printeri izveidojuši mākslīgu apakšžokli un to implantējuši sejā 83 gadus vecai sievietei. Žoklis tika izgatavots no titāna metāla pulvera slāņiem, kas sakausēti ar karstumu, un to pārklāja biokeramikas pārklājums. Biokeramikas materiāli ir saderīgi ar cilvēka audiem.

Sieviete saņēma mākslīgo žokli, jo viņas pašas apakšžoklī bija hroniska kaulu infekcija. Ārsti uzskatīja, ka tradicionālā sejas atjaunošanas operācija sievietei ir pārāk riskanta viņas vecuma dēļ.

Žoklī bija locītavas, lai to varētu pārvietot, kā arī dobumi muskuļu piestiprināšanai un rievas asinsvadiem un nerviem. Sieviete varēja pateikt dažus vārdus, tiklīdz pamodās no anestēzijas. Nākamajā dienā viņa varēja norīt. Viņa devās mājās pēc četrām dienām. Viltus zobus vēlāk bija paredzēts implantēt žoklī.

Iespiestas struktūras tiek izmantotas arī medicīnas apmācībā un pirmsoperācijas plānošanā. Trīsdimensiju modelis, kas izveidots, izmantojot pacienta medicīnisko skenēšanu, var būt ļoti noderīgs ķirurgiem, jo ​​tas var parādīt īpašos apstākļus pacienta ķermenī. Tas var vienkāršot sarežģītu operāciju.

Protezēšana un implantējamie priekšmeti

Iepriekš aprakstītais metāla žoklis ir protezēšanas vai mākslīgas ķermeņa daļas veids. Protezēšanas ražošana ir joma, kurā 3D printeri kļūst nozīmīgi. Dažām slimnīcām tagad ir savi printeri vai tās sadarbojas ar medicīnas preču uzņēmumu, kuram ir printeris.

Protēzes izveidošana, izmantojot 3D drukāšanu, bieži ir ātrāks un lētāks process nekā izveidošana ar parastajām ražošanas metodēm. Turklāt pacientam ir vieglāk izveidot pielāgotu piemērotību, ja ierīce ir īpaši izstrādāta un iespiesta personai. Slimnīcu skenēšanu var izmantot, lai izveidotu pielāgotas ierīces.

Rezerves ekstremitātes mūsdienās bieži tiek izdrukātas 3D formātā, vismaz dažās pasaules daļās. Iespiestas rokas un rokas bieži ir ievērojami lētākas nekā tās, kuras ražo ar parastām metodēm. Viens 3D drukas uzņēmums strādā ar Voltu Disneju, lai radītu krāsainas un jautras protezēšanas rokas bērniem. Papildus tam, ka tiek radīts lētāks produkts, kas ir pieejamāks, iniciatīvas mērķis ir "palīdzēt bērniem uztvert viņu protezēšanu kā uztraukuma, nevis apmulsuma vai ierobežojuma avotu".

Vairāk piemēru

• 2015. gada beigās pacientam tika veiksmīgi ievietoti iespiesti skriemeļi. Pacienti saņēmuši arī iespiestu krūšu kaulu un ribu.
• 3D drukāšana tiek izmantota uzlabotu zobu implantu ražošanai.
• Bieži tiek izdrukātas gūžas locītavas rezerves locītavas.
• Katetri, kas atbilst pacienta ķermeņa pārejas īpašajam izmēram un formai, drīz varētu būt izplatīti.
• 3D druka bieži tiek iesaistīta dzirdes aparātu ražošanā.

Bioprintings ar dzīvajām šūnām: iespējama nākotne

Šodien notiek drukāšana ar dzīvām šūnām vai bioprintēšana. Tas ir delikāts process. Šūnas nedrīkst kļūt pārāk karstas. Lielākā daļa 3D drukāšanas metožu ietver augstu temperatūru, kas iznīcinātu šūnas. Turklāt šūnu nesējšķidrums nedrīkst tām kaitēt. Šķidrums un tā saturošās šūnas ir pazīstamas kā biotinte (vai bioink).

Orgānu un audu nomaiņa

Bojātu orgānu aizstāšana ar orgāniem, kas izgatavoti no 3D printeriem, būtu brīnišķīga revolūcija medicīnā. Šobrīd visiem, kuriem tie nepieciešami, nav pietiekami daudz ziedoto orgānu.

Plāns ir ņemt šūnas no paša pacienta ķermeņa, lai izdrukātu viņiem nepieciešamo orgānu. Šim procesam vajadzētu novērst orgānu atgrūšanu. Šūnas, visticamāk, būs cilmes šūnas, kas ir nespecializētas šūnas, kas, pareizi stimulējot, spēj ražot citus šūnu veidus. Dažādos šūnu veidus printeris noguldīs pareizā secībā. Pētnieki atklāj, ka vismaz dažu veidu cilvēka šūnām ir pārsteidzoša spēja pašorganizēties, kad tās tiek noglabātas, kas būtu ļoti noderīgi orgāna radīšanas procesā.

Dzīvo audu izgatavošanai tiek izmantots īpašs 3D printera veids, kas pazīstams kā bioprinteris. Parasti izmantojot audu izgatavošanas metodi, no vienas printera galvas tiek izdrukāts hidrogēls, veidojot sastatnes. No citas printera galvas uz sastatnēm tiek iespiesti sīkie šķidruma pilieni, no kuriem katrā ir daudz tūkstošu šūnu. Drīz pilieni pievienojas, un šūnas pievienojas viena otrai. Kad izveidojusies vēlamā struktūra, hidrogēla sastatnes tiek noņemtas.To var nomizot vai arī to var mazgāt, ja tas šķīst ūdenī. Var izmantot arī bioloģiski noārdāmas sastatnes. Tie pamazām sadalās dzīvā ķermeņa iekšienē.

Medicīnā transplantācija ir orgāna vai audu nodošana no donora saņēmējam. Implants ir mākslīgas ierīces ievietošana pacienta ķermenī. 3D bioprintēšana atrodas kaut kur starp šīm divām galējībām. Gan "transplantācija", gan "implants" tiek izmantoti, atsaucoties uz bioprintera ražotajiem priekšmetiem.

Daži bioprintēšanas panākumi

3D printeru radītie nedzīvie implanti un protezēšana jau tiek izmantoti cilvēkiem. Lai izmantotu implantus, kas satur dzīvas šūnas, ir jāveic vairāk pētījumu, kas tiek veikti. 3D orgānu drukāšanu vēl nevar izgatavot veselas ērģeles, taču orgānu sekcijas var. Ir iespiestas daudzas dažādas struktūras, tostarp sirds muskuļa plankumi, kas spēj sist, ādas plankumi, asinsvadu segmenti un ceļa skrimšļi. Tie vēl nav implantēti cilvēkiem. 2017. gadā zinātnieki prezentēja printera prototipu, kas implantēšanai var radīt cilvēka ādu, un 2018. gadā citi zinātnieki drukāja radzenes procesā, kuru kādu dienu var izmantot acu bojājumu novēršanai.

Par dažiem cerīgiem atklājumiem tika ziņots 2016. gadā. Zinātnieku komanda zem peles ādas implantēja trīs veidu bioprintētas struktūras. Tie ietvēra mazuļa izmēra cilvēka auss pinna, muskuļa gabalu un cilvēka žokļa kaula daļu. Asinsvadi no apkārtnes sniedzās visās šajās struktūrās, kamēr tie atradās peles ķermenī. Šī bija aizraujoša attīstība, jo audu uzturēšanai nepieciešama asins piegāde. Asinis barības vielas ved uz dzīviem audiem un aizved to atkritumus.

Bija arī aizraujoši atzīmēt, ka implantētās struktūras spēja palikt dzīvas līdz asinsvadu attīstībai. Šis varoņdarbs tika paveikts ar nelielu poru esamību struktūrās, kas ļāva barības vielām iekļūt tajās.

Sirds daļu drukāšana

Radzenes izveide

Ņūkāslas universitātes zinātnieki Lielbritānijā ir izveidojuši 3D drukātas radzenes. Radzene ir mūsu acu caurspīdīgais, ārējais apvalks. Nopietni šī apvalka bojājumi var izraisīt aklumu. Radzenes transplantācija bieži atrisina problēmu, taču nav pietiekami daudz radzenes, lai palīdzētu visiem, kam tās nepieciešamas.

Zinātnieki ieguva cilmes šūnas no veselīgas cilvēka radzenes. Pēc tam šūnas ievietoja gelā, kas izgatavots no algināta un kolagēna. Gēls aizsargāja šūnas, kad tās pārvietojās pa printera vienu sprauslu. Lai izdrukātu želeju un šūnas pareizā formā, bija nepieciešamas mazāk nekā desmit minūtes. Forma iegūta, skenējot cilvēka aci. (Medicīniskā situācijā pacienta acs tiktu skenēta.) Kad gēla un šūnu maisījums tika izdrukāts, cilmes šūnas radīja pilnīgu radzeni.

Drukāšanas procesā radušās radzenes vēl nav implantētas cilvēka acīs. Iespējams, būs vajadzīgs kāds laiks, līdz viņi būs. Tomēr viņiem ir potenciāls palīdzēt daudziem cilvēkiem.

Cilmes šūnu stimulēšana, lai ražotu specializētās šūnas, kas nepieciešamas, lai pareizā laikā izveidotu noteiktu cilvēka ķermeņa daļu, ir izaicinājums pats par sevi. Tas tomēr ir process, kas mums varētu dot brīnišķīgas priekšrocības.

Mini orgānu, organoīdu vai čipša orgānu priekšrocības

Zinātnieki ir spējuši izveidot mini ērģeles, izmantojot 3D drukāšanu (un ar citām metodēm). "Mini orgāni" ir miniatūras orgānu versijas, orgānu sekcijas vai audu plankumi no konkrētiem orgāniem. Papildus terminam mini ērģeles tos sauc dažādos nosaukumos. Iespiestajos darbos, iespējams, nav visu veidu struktūru, kas atrodama pilna izmēra ērģelēs, taču tie ir labi tuvinājumi. Pētījumi liecina, ka viņiem varētu būt nozīmīgi lietojumi, kaut arī tie nav implantējami.

Mini orgāni ne vienmēr tiek ražoti no šūnām, kuras piegādā nejaušs donors. Tā vietā tos bieži ražo no cilvēka, kuram ir slimība, šūnām. Pētnieki var pārbaudīt zāļu iedarbību uz mini orgānu. Ja tiek konstatēts, ka zāles ir noderīgas un nav kaitīgas, tās var dot pacientam. Šim procesam ir vairākas priekšrocības. Viens no tiem ir tas, ka var lietot zāles, kas, iespējams, ir noderīgas pacienta specifiskajai slimības versijai un viņu specifiskajam genomam, kas palielina veiksmīgas ārstēšanas iespējamību. Cits ir tas, ka ārsti var iegūt pacientam neparastas vai parasti dārgas zāles, ja viņi var pierādīt, ka zāles, iespējams, ir efektīvas. Turklāt, pārbaudot narkotikas ar nelieliem orgāniem, var samazināties vajadzība pēc laboratorijas dzīvniekiem.

Struktūra, kas atdarina plaušas

2019. gadā Raisa universitātes un Vašingtonas universitātes zinātnieki parādīja, ka ir izveidojuši mini orgānu, kas imitē cilvēka plaušas darbībā. Mini-plaušas ir izgatavotas no hidrogela. Tas satur nelielu plaušām līdzīgu struktūru, kas regulāri tiek piepildīta ar gaisu. Kuģu tīkls, kas ir piepildīts ar asinīm, ieskauj struktūru.

Stimulējot, simulētās plaušas un tās trauki paplašinās un ritmiski saraujas, nesalūžot. Video parāda, kā darbojas struktūra. Lai gan organoīds nav pilna izmēra un neatdarina visus cilvēka plaušu audus, tā spēja pārvietoties kā plaušas ir ļoti svarīga attīstība.

Daži izaicinājumi bioprintēšanai

Izveidot orgānu, kas ir piemērots implantēšanai, ir grūts uzdevums. Orgāns ir sarežģīta struktūra, kas satur dažādus šūnu tipus un audus, kas sakārtoti noteiktā zīmējumā. Turklāt, kad orgāni attīstās embriju attīstības laikā, tie saņem ķīmiskus signālus, kas ļauj viņu smalkai struktūrai un sarežģītai uzvedībai pienācīgi attīstīties. Šo signālu trūkst, ja mēs mēģinām mākslīgi izveidot orgānu.

Daži zinātnieki domā, ka sākumā - un varbūt vēl kādu laiku - mēs izdrukāsim implantējamas struktūras, kas visu orgānu funkciju vietā var veikt vienu orgāna funkciju. Šīs vienkāršākās struktūras var būt ļoti noderīgas, ja tās kompensē nopietnu ķermeņa defektu.

Lai gan, iespējams, būs gadi, pirms implantiem būs pieejami bioloģiski izdrukāti orgāni, pirms tam mēs varam redzēt jaunas tehnoloģijas priekšrocības. Izskatās, ka pētījumu temps pieaug. 3D drukāšanas nākotnei attiecībā uz medicīnu jābūt ļoti interesantai, kā arī aizraujošai.

Atsauces

• Mākslīgā auss, ko izveidojis 3D printeris un dzīvas skrimšļa šūnas no Smitsona žurnāla.
• Transplantācijas žoklis, ko izgatavojis 3D printeris no BBC (British Broadcasting Corporation)
• Krāsainas 3D apdrukātas rokas no Amerikas Mehānikas inženieru biedrības
• Bioprinteris izveido pasūtījuma laboratorijā audzētas ķermeņa daļas transplantācijai no The Guardian
• Pirmā 3D drukātā cilvēka radzene no ziņu dienesta EurekAlert
• 3D printeris no New Scientist izgatavo vissīkākās cilvēka aknas
• Mini 3D drukāti orgāni atdarina sirds un aknu sitienu no New Scientist
• Orgāns, kas atdarina plaušas no populārās mehānikas
• Jauns 3D printeris no Science Alert nodrošina dzīvu izmēru ausu, muskuļu un kaulu audus
• 3-D bioprinteris, lai izdrukātu cilvēka ādu no jaunā pakalpojuma phys.org

Šis raksts ir precīzs un atbilst patiesam autora zināšanām. Saturs ir paredzēts tikai informatīviem vai izklaides nolūkiem, un tas neaizstāj personiskus vai profesionālus padomus uzņēmējdarbības, finanšu, juridiskos vai tehniskos jautājumos.