Obsah
- Transformácia medicíny pomocou 3D tlačiarní
- Ako funguje 3D tlačiareň?
- Tvorba ucha
- Rozdiel medzi formou a lešením
- Potenciálne výhody potlačených uší
- Potlač dolnej čeľuste
- Protetika a implantovateľné predmety
- Ďalšie príklady
- Biotlač so živými bunkami: možná budúcnosť
- Výmena orgánov a tkanív
- Niektoré úspechy v oblasti biotlače
- Tlač častí srdca
- Vytvorenie rohovky
- Výhody mini orgánov, organoidov alebo orgánov na čipu
- Štruktúra, ktorá napodobňuje pľúca
- Niektoré výzvy pre biotlač
- Referencie
Linda Crampton dlhé roky učila študentov stredných škôl vedu a informačné technológie. Baví ju učiť sa o nových technológiách.
Transformácia medicíny pomocou 3D tlačiarní
3D tlač je vzrušujúcim aspektom technológie, ktorá má mnoho užitočných aplikácií. Jednou z fascinujúcich a potenciálne veľmi dôležitých aplikácií 3D tlačiarní je tvorba materiálov, ktoré sa dajú použiť v medicíne. Medzi tieto materiály patria implantovateľné lekárske prístroje, umelé časti tela alebo protetiky a lekárske nástroje na mieru. Zahŕňajú tiež vytlačené škvrny zo živého ľudského tkaniva, ako aj mini orgány. V budúcnosti môžu byť implantovateľné orgány vytlačené.
3D tlačiarne majú schopnosť tlačiť pevné trojrozmerné objekty na základe digitálneho modelu uloženého v pamäti počítača. Bežným tlačovým médiom je tekutý plast, ktorý po vytlačení tuhne, ale sú k dispozícii ďalšie médiá. Patria sem práškový kov a „atramenty“ obsahujúce živé bunky.
Schopnosť tlačiarní vyrábať materiály kompatibilné s ľudským telom sa rýchlo zlepšuje. Niektoré z týchto materiálov sa už používajú v medicíne, zatiaľ čo iné sú zatiaľ v experimentálnej fáze. Do vyšetrovania je zapojených veľa vedcov. 3D tlač má lákavý potenciál transformovať lekárske ošetrenie.
Ako funguje 3D tlačiareň?
Prvým krokom pri vytváraní trojrozmerného objektu tlačiarňou je návrh objektu. To sa deje v programe CAD (Computer-Aided Design). Po dokončení návrhu vytvorí iný program pokyny na výrobu objektu v sérii vrstiev. Tento druhý program je niekedy známy ako program na krájanie alebo ako softvér na krájanie, pretože prevádza kód CAD pre celý objekt na kód pre sériu rezov alebo vodorovných vrstiev. Vrstvy môžu mať stovky alebo dokonca tisíce.
Tlačiareň vytvorí objekt uložením vrstiev materiálu podľa pokynov programu krájača, počnúc od spodnej časti objektu a smerom nahor. Postupné vrstvy sú navzájom spojené. Tento proces sa označuje ako aditívna výroba.
Plastové vlákno sa často používa ako médium pre 3D tlač, najmä v tlačiarňach zameraných na spotrebiteľa. Tlačiareň roztaví vlákno a potom vytláča horúci plast cez dýzu. Tryska sa pohybuje vo všetkých rozmeroch, keď uvoľňuje tekutý plast, aby vytvorila predmet. Pohyb trysky a množstvo vytlačeného plastu sú riadené programom krájača. Horúci plast tuhne takmer okamžite po jeho uvoľnení z trysky. Na špeciálne účely sú k dispozícii ďalšie typy tlačových médií.
Časť ucha, ktorá je viditeľná z vonkajšej strany tela, sa nazýva pinna alebo ušnica. Zvyšok ucha sa nachádza v lebke. Funkciou ušnice je zbierať zvukové vlny a posielať ich do ďalšej časti ucha.
Tvorba ucha
Vo februári 2013 vedci z Cornell University v Spojených štátoch amerických oznámili, že si pomocou 3D tlače dokázali vyrobiť ušné ušnice. Kroky, ktoré nasledovali vedci z Cornellu, boli nasledovné.
- Model ucha bol vytvorený v programe CAD. Vedci použili ako základ pre tento model fotografie skutočných uší.
- Model ucha vytlačila 3D tlačiareň, pomocou plastu sa vytvorila forma s tvarom ucha.
- Do formy sa umiestnil hydrogél obsahujúci proteín nazývaný kolagén. Hydrogél je gél, ktorý obsahuje vodu.
- Chondrocyty (bunky produkujúce chrupavku) sa získali z ucha kravy a pridali sa ku kolagénu.
- Kolagénové ucho sa umiestnilo do výživného roztoku v laboratórnej miske. Keď bolo ucho v roztoku, niektoré chondrocyty nahradili kolagén.
- Ucho sa potom implantovalo do zadnej časti potkana pod kožu.
- Po troch mesiacoch bol kolagén v uchu úplne nahradený chrupavkou a ucho si zachovalo svoj tvar a odlišnosť od okolitých buniek potkana.
Rozdiel medzi formou a lešením
Vo vyššie opísanom procese vytvárania uší bolo plastovým uchom inertná forma. Jeho jedinou funkciou bolo zabezpečiť správny tvar ucha. Kolagénové ucho, ktoré sa vytvorilo vo vnútri formy, pôsobilo ako lešenie pre chondrocyty. V tkanivovom inžinierstve je lešenie biokompatibilný materiál so špecifickým tvarom, na ktorom a v ktorom rastú bunky. Lešenie má nielen správny tvar, ale aj vlastnosti, ktoré podporujú životnosť buniek.
Odkedy bol vykonaný pôvodný proces vytvárania uší, výskumníci z Cornellu našli spôsob, ako vytlačiť kolagénové lešenie so správnym tvarom potrebným na výrobu ucha, čo eliminuje potrebu plastovej formy.
Potenciálne výhody potlačených uší
Uši vyrobené pomocou tlačiarní by mohli byť užitočné pre ľudí, ktorí prišli o vlastné uši v dôsledku úrazu alebo choroby. Mohli by tiež pomôcť ľuďom, ktorí sa narodili bez uší alebo majú také, ktoré sa nevyvinuli správne.
V súčasnosti sa náhradné uši niekedy vyrábajú z chrupavky v pacientovom rebre. Získanie chrupavky je pre pacienta nepríjemným zážitkom a môže poškodiť rebro. Výsledné ucho navyše nemusí vyzerať veľmi prirodzene. Uši sú tiež vyrobené z umelého materiálu, ale výsledok nemusí byť opäť úplne uspokojivý. Potlačené uši majú potenciál vyzerať skôr ako prirodzené uši a pracovať efektívnejšie.
V marci 2013 spoločnosť s názvom Oxford Performance Materials uviedla, že nahradili 75% mužskej lebky potlačenou polymérnou lebkou. 3D tlačiarne sa tiež používajú na výrobu zdravotníckych prístrojov, ako sú protetické končatiny, načúvacie prístroje a zubné implantáty.
Potlač dolnej čeľuste
Vo februári 2012 holandskí vedci oznámili, že vytvorili umelú dolnú čeľusť pomocou 3D tlačiarne a implantovali ju do tváre 83-ročnej ženy. Čeľusť bola vyrobená z vrstiev kovového prášku titánu roztaveného teplom a bola zakrytá biokeramickým povlakom. Biokeramické materiály sú kompatibilné s ľudským tkanivom.
Žena dostala umelú čeľusť, pretože mala chronickú infekciu kostí v dolnej čeľusti. Lekári cítili, že tradičná operácia rekonštrukcie tváre je pre ženu príliš riskantná kvôli jej veku.
Čeľusť mala kĺby, aby sa s ňou dalo hýbať, rovnako ako dutiny na pripevnenie svalov a drážky pre cievy a nervy. Hneď ako sa žena prebudila z anestézie, bola schopná povedať pár slov. Na druhý deň bola schopná prehltnúť. Po štyroch dňoch išla domov. Falošné zuby sa mali implantovať do čeľuste neskôr.
Vytlačené štruktúry sa používajú aj v lekárskom vzdelávaní a v predoperačnom plánovaní. Trojrozmerný model vytvorený z lekárskych skenov pacienta môže byť pre chirurgov veľmi užitočný, pretože dokáže zobraziť špecifické podmienky v tele pacienta. To môže zjednodušiť zložitý chirurgický zákrok.
Protetika a implantovateľné predmety
Kovová čeľusť opísaná vyššie je typom protetickej alebo umelej časti tela. Výroba protetiky je oblasť, v ktorej sa 3D tlačiarne stávajú dôležitými. Niektoré nemocnice majú v súčasnosti svoje vlastné tlačiarne alebo pracujú v spolupráci so zdravotníckou dodávateľskou spoločnosťou, ktorá má tlačiareň.
Výroba protézy pomocou 3D tlače je často rýchlejší a lacnejší proces ako výroba pomocou konvenčných výrobných postupov. Okrem toho je jednoduchšie vytvoriť prispôsobené prispôsobenie pre pacienta, keď je pomôcka špeciálne navrhnutá a vytlačená pre danú osobu. Nemocničné snímky je možné použiť na vytvorenie zariadení na mieru.
Náhradné končatiny sa dnes, aspoň v niektorých častiach sveta, často tlačia 3D. Potlačené ruky a ruky sú často podstatne lacnejšie ako tie, ktoré sa vyrábajú konvenčnými metódami. Jedna spoločnosť zameraná na 3D tlač spolupracuje s Waltom Disneyom na vytvorení farebných a zábavných protetických rúk pre deti. Okrem vytvorenia lacnejšieho produktu, ktorý je cenovo dostupnejší, sa táto iniciatíva zameriava na „pomoc deťom vnímať ich protetiku ako zdroj vzrušenia, a nie rozpakov alebo obmedzení“.
Ďalšie príklady
- Koncom roku 2015 boli pacientovi úspešne vložené vytlačené stavce. Pacienti tiež dostali vytlačenú hrudnú kosť a hrudný kôš.
- 3D tlač sa používa na výrobu vylepšených zubných implantátov.
- Náhradné bedrové kĺby sa často tlačia.
- Katétre, ktoré zodpovedajú konkrétnej veľkosti a tvaru priechodu v tele pacienta, môžu byť čoskoro bežné.
- 3D tlač sa často podieľa na výrobe načúvacích prístrojov.
Biotlač so živými bunkami: možná budúcnosť
Tlač so živými bunkami alebo biotlač sa dnes deje. Je to chúlostivý proces. Bunky sa nesmú príliš zahriať. Väčšina metód 3D tlače zahrnuje vysoké teploty, ktoré by zabíjali bunky. Nosná kvapalina pre bunky ich navyše nesmie poškodiť. Kvapalina a bunky, ktoré obsahuje, sú známe ako bio-atrament (alebo bioink).
Výmena orgánov a tkanív
Výmena poškodených orgánov za orgány vyrobené z 3D tlačiarní by bola úžasnou revolúciou v medicíne. V súčasnosti nie je k dispozícii dostatok darovaných orgánov pre každého, kto ich potrebuje.
V pláne je odobrať bunky z vlastného tela pacienta s cieľom vytlačiť orgán, ktorý potrebujú. Tento proces by mal zabrániť odmietnutiu orgánu. Bunky by pravdepodobne boli kmeňové bunky, čo sú nešpecializované bunky, ktoré sú schopné produkovať iné typy buniek, keď sú správne stimulované. Rôzne typy buniek by tlačiareň uložila v správnom poradí. Vedci zisťujú, že aspoň niektoré druhy ľudských buniek majú úžasnú schopnosť samoorganizácie, keď sú uložené, čo by veľmi pomohlo pri vytváraní orgánu.
Na výrobu živého tkaniva sa používa špeciálny typ 3D tlačiarne známy ako biotlačiareň. Pri bežnej metóde výroby tkaniva sa hydrogél tlačí z jednej tlačovej hlavy na lešenie. Drobné tekuté kvapôčky, z ktorých každá obsahuje tisíce buniek, sú tlačené na lešenie z inej hlavy tlačiarne. Kvapky sa čoskoro spoja a bunky sa navzájom spoja. Keď sa vytvorí požadovaná štruktúra, hydrogélové lešenie sa odstráni.Môže byť odlúpnutý alebo zmytý, ak je rozpustný vo vode. Môžu sa tiež použiť biologicky odbúrateľné lešenia. Tieto sa postupne rozkladajú vo vnútri živého tela.
V medicíne je transplantácia prenosom orgánu alebo tkaniva od darcu k príjemcovi. Implantát je zavedenie umelého prostriedku do tela pacienta. 3D biotlač spadá niekde medzi tieto dva extrémy. „Transplantácia“ aj „implantát“ sa používajú, keď sa odkazuje na položky vyrobené biotlačiarňou.
Niektoré úspechy v oblasti biotlače
Neživé implantáty a protetiky vytvorené 3D tlačiarňami sa už používajú u ľudí. Používanie implantátov obsahujúcich živé bunky si vyžaduje ďalší výskum, ktorý sa práve vykonáva. Celé orgány zatiaľ nemožno vyrobiť 3D tlačou, ale časti orgánov áno. Bolo vytlačených veľa rôznych štruktúr, vrátane škvŕn srdcového svalu, ktoré sú schopné poraziť, kožných škvŕn, segmentov krvných ciev a kolenných chrupaviek. Tieto ešte neboli implantované do ľudí. V roku 2017 vedci predstavili prototyp tlačiarne, ktorá dokáže vytvárať ľudskú kožu na implantáciu, a v roku 2018 ďalší vedci tlačili rohovky procesom, ktorý sa jedného dňa môže použiť na opravu poškodenia očí.
Niektoré nádejné objavy boli hlásené v roku 2016. Tím vedcov implantoval tri typy štruktúr s biotlačou pod kožu myší. Patrili k nim ušnice ušnice veľkosti ľudského dieťaťa, kúsok svalu a časť ľudskej kosti čeľuste. Krvné cievy z okolia zasahovali do všetkých týchto štruktúr, zatiaľ čo boli v telách myší. Bol to vzrušujúci vývoj, pretože na udržanie života tkanív je nevyhnutný prísun krvi. Krv prenáša živiny do živých tkanív a odvádza ich odpad.
Bolo tiež vzrušujúce poznamenať, že implantované štruktúry boli schopné zostať nažive, kým sa nevyvinuli krvné cievy. Tento úspech sa dosiahol existenciou drobných pórov v štruktúrach, ktoré umožňovali vstup živín do nich.
Tlač častí srdca
Vytvorenie rohovky
Vedci z Newcastle University vo Veľkej Británii vytvorili rohovky vytlačené 3D. Rohovka je priehľadná vonkajšia vrstva našich očí. Vážne poškodenie tejto krytiny môže spôsobiť slepotu. Transplantácia rohovky často problém vyrieši, ale nie je k dispozícii dostatok rohoviek, ktoré by pomohli všetkým, ktorí ich potrebujú.
Vedci získali kmeňové bunky zo zdravej ľudskej rohovky. Bunky sa potom umiestnili do gélu vyrobeného z alginátu a kolagénu. Gél chránil bunky pri prechode jedinou tryskou tlačiarne. Na vytlačenie gélu a buniek do správneho tvaru bolo potrebných menej ako desať minút. Tvar sa získal skenovaním oka človeka. (V lekárskej situácii by sa pacientovo oko naskenovalo.) Po vytlačení zmesi gélu a buniek kmeňové bunky vytvorili úplnú rohovku.
Rohovky vyrobené procesom tlače ešte neboli implantované do ľudských očí. Pravdepodobne to bude nejaký čas, kým nebudú. Majú potenciál pomôcť mnohým ľuďom.
Stimulácia kmeňových buniek na produkciu špecializovaných buniek potrebných na vytvorenie konkrétnej časti ľudského tela v správnom čase je sama o sebe výzvou. Je to však proces, ktorý by pre nás mohol mať úžasné výhody.
Výhody mini orgánov, organoidov alebo orgánov na čipu
Vedcom sa podarilo vytvoriť mini orgány 3D tlačou (a inými metódami). „Mini orgány“ sú miniatúrne verzie orgánov, časti orgánov alebo časti tkaniva zo špecifických orgánov. Označujú sa okrem názvu mini organ rôznymi názvami. Tlačené výtvory nemusia obsahovať všetky typy štruktúr, ktoré sa nachádzajú v orgáne v plnej veľkosti, ale sú približné. Výskum naznačuje, že by mohli mať dôležité využitie, aj keď nie sú implantovateľné.
Mini orgány nie sú vždy vyrobené z buniek dodaných náhodným darcom. Namiesto toho sú často vyrobené z buniek človeka, ktorý má chorobu. Vedci môžu skontrolovať účinky liekov na mini orgán. Ak sa zistí, že droga je užitočná a nie škodlivá, môže sa podať pacientovi. Tento proces má niekoľko výhod. Jedným z nich je, že možno použiť liek, ktorý je pravdepodobne prospešný pre konkrétnu verziu ochorenia pacienta a pre jeho špecifický genóm, čo zvyšuje pravdepodobnosť úspešnej liečby. Ďalším je, že lekári môžu byť schopní získať pre pacienta neobvyklý alebo bežne drahý liek, ak preukážu, že je pravdepodobné, že bude účinný. Okrem toho testovanie liekov na mini orgánoch môže znížiť potrebu laboratórnych zvierat.
Štruktúra, ktorá napodobňuje pľúca
V roku 2019 vedci z Riceovej univerzity a Washingtonskej univerzity demonštrovali svoje vytvorenie mini orgánu, ktorý napodobňuje ľudské pľúca v akcii. Mini-pľúca sú vyrobené z hydrogélu. Obsahuje malú štruktúru podobnú pľúcam, ktorá je v pravidelných intervaloch naplnená vzduchom. Sieť ciev, ktoré sú naplnené krvou, obklopuje štruktúru.
Pri stimulácii sa simulované pľúca a ich cievy rytmicky rozširujú a sťahujú bez porušenia. Video ukazuje, ako štruktúra funguje. Aj keď organoid nie je v plnej veľkosti a nenapodobňuje všetky tkanivá v ľudských pľúcach, jeho schopnosť pohybovať sa ako pľúca je veľmi dôležitý vývoj.
Niektoré výzvy pre biotlač
Vytvorenie orgánu vhodného na implantáciu je náročná úloha. Orgán je zložitá štruktúra obsahujúca rôzne typy buniek a tkanív usporiadané do konkrétneho vzoru. Keď sa orgány vyvíjajú počas embryonálneho vývoja, navyše dostávajú chemické signály, ktoré umožňujú správny vývoj ich jemnej štruktúry a zložitého správania. Tieto signály chýbajú, keď sa pokúšame umelo vytvoriť orgán.
Niektorí vedci si myslia, že spočiatku - a možno ešte nejaký čas - vytlačíme implantovateľné štruktúry, ktoré môžu vykonávať jednu funkciu orgánu namiesto všetkých jeho funkcií. Tieto jednoduchšie štruktúry môžu byť veľmi užitočné, ak kompenzujú vážny nedostatok v tele.
Aj keď je pravdepodobné, že to budú roky, kým budú pre implantáty k dispozícii biotlačené orgány, do tej doby môžeme vidieť nové výhody tejto technológie. Zdá sa, že tempo výskumu sa zvyšuje. Budúcnosť 3D tlače vo vzťahu k medicíne by mala byť veľmi zaujímavá a vzrušujúca.
Referencie
- Umelé ucho vytvorené 3D tlačiarňou a živými bunkami chrupavky z časopisu Smithsonian Magazine.
- Transplantačná čeľusť vyrobená 3D tlačiarňou od BBC (British Broadcasting Corporation)
- Farebné 3D tlačené ruky od Americkej spoločnosti strojných inžinierov
- Bioprinter vytvára na zákazku vyrobené laboratórne časti tela na transplantáciu z denníka The Guardian
- Prvá 3D tlačená ľudská rohovka od spravodajskej služby EurekAlert
- 3D tlačiareň vyrába z New Scientist najmenšiu ľudskú pečeň
- Mini 3D tlačené orgány napodobňujú tlkot srdca a pečene od New Scientist
- Orgán, ktorý napodobňuje pľúca z populárnej mechaniky
- Nová 3D tlačiareň vyrába zo živých buniek z Science Alert ucho, svalstvo a kostné tkanivo v životnej veľkosti
- 3-D biotlačiareň na tlač ľudskej pokožky z novej služby phys.org
Tento článok je presný a pravdivý podľa najlepšieho vedomia autora. Obsah slúži iba na informačné alebo zábavné účely a nenahrádza osobné rady ani odborné rady v obchodných, finančných, právnych alebo technických záležitostiach.
