Þrívíddarprentarar í læknisfræði: spennandi notkun og möguleg forrit

Efni.

• Umbreytir læknisfræði með þrívíddarprenturum
• Hvernig virkar 3D prentari?
• Að búa til eyra
• Mismunur á myglu og vinnupalla
• Hugsanlegur ávinningur af prentuðum eyrum
• Prentun neðri kjálka
• Stoðtæki og ígræðsluefni
• Fleiri dæmi
• Lífsprentun með lifandi frumum: möguleg framtíð
• Skipti á líffæri og vefjum
• Sumir velheppnaðir prentun
• Prentun hluta hjartans
• Að búa til glæru
• Ávinningur af lífrænum líffærum, lífrænum efnum eða líffærum á flís
• Uppbygging sem líkir eftir lunganum
• Nokkrar áskoranir fyrir lífrænt prentun
• Tilvísanir

Linda Crampton kenndi framhaldsskólanemum vísindi og upplýsingatækni í mörg ár. Henni finnst gaman að læra um nýja tækni.

Umbreytir læknisfræði með þrívíddarprenturum

Þrívíddarprentun er spennandi þáttur í tækni sem hefur mörg gagnleg forrit. Ein heillandi og hugsanlega mjög mikilvæg notkun 3D prentara er að búa til efni sem hægt er að nota í læknisfræði. Þessi efni fela í sér ígræðanleg lækningatæki, gervi líkamshluta eða stoðtæki og sérsniðin lækningatæki. Þeir fela einnig í sér prentaða plástra af lifandi mannlegum vefjum sem og líffærum. Í framtíðinni er hægt að prenta ígrædd líffæri.

Þrívíddarprentarar hafa getu til að prenta heilsteypta, þrívíða hluti byggða á stafrænu líkani sem geymt er í minni tölvunnar. Algengt prentmiðill er fljótandi plast sem storknar eftir prentun, en aðrir miðlar eru fáanlegir. Þetta felur í sér duftformaðan málm og „blek“ sem innihalda lifandi frumur.

Hæfni prentara til að framleiða efni sem eru samhæfð mannslíkamanum batnar hratt. Sum efnin eru þegar notuð í læknisfræði en önnur eru enn á tilraunastigi. Margir vísindamenn koma að rannsókninni. Þrívíddarprentun hefur spennandi möguleika til að umbreyta læknismeðferð.

Hvernig virkar 3D prentari?

Fyrsta skrefið í því að búa til þrívíddarhlut með prentara er að hanna hlutinn. Þetta er gert í CAD (Computer-Aided Design) forriti. Þegar hönnuninni er lokið skapar annað forrit leiðbeiningar um að framleiða hlutinn í röð laga. Þetta annað forrit er stundum þekkt sem sneiðaforrit eða sem skurðarhugbúnaður, þar sem það breytir CAD kóða fyrir allan hlutinn í kóða fyrir röð sneiða eða láréttra laga. Lagin geta skipt hundruðum eða jafnvel þúsundum.

Prentarinn býr til hlutinn með því að leggja lög af efni samkvæmt leiðbeiningum skurðarforritsins, byrja neðst á hlutnum og vinna upp á við. Árleg lög eru sameinuð saman. Aðferðin er nefnd framleiðsla aukefna.

Plastþráður er oft notaður sem miðill fyrir þrívíddarprentun, sérstaklega í prentara sem stilla til neytenda. Prentarinn bræðir filamentið og pressar síðan heitt plast í gegnum stútinn. Stúturinn hreyfist í öllum stærðum þegar hann losar um fljótandi plast til að búa til hlut. Hreyfing stútsins og magn plasts sem er pressað er stjórnað af skurðarforritinu. Heita plastið storknar næstum strax eftir að það losnar úr stútnum. Aðrar tegundir prentmiðla eru fáanlegar í sérstökum tilgangi.

Sá hluti eyrans sem er sýnilegur utan frá líkamanum er þekktur sem pinna eða auricle. Restin af eyranu er staðsett í höfuðkúpunni. Hlutverk pinna er að safna hljóðbylgjum og senda þær í næsta hluta eyrað.

Að búa til eyra

Í febrúar 2013 tilkynntu vísindamenn við Cornell háskóla í Bandaríkjunum að þeim hefði tekist að búa til eyrnapinna með hjálp þrívíddarprentunar. Skrefin sem Cornell vísindamennirnir fylgdu voru eftirfarandi.

• Líkan af eyranu var búið til í CAD forriti. Vísindamennirnir notuðu ljósmyndir af raunverulegum eyrum sem grunn að þessu líkani.
• Eyrnalíkanið var prentað af þrívíddarprentara og notað plast til að búa til mót með lögun eyrans.
• Vatnsgeli sem innihélt prótein sem kallast kollagen var sett í moldið. Hydrogel er hlaup sem inniheldur vatn.
• Kondrocytter (frumur sem framleiða brjósk) voru fengnar úr eyra kýrinnar og bætt við kollagenið.
• Kollagen eyrað var sett í næringarefna lausn í rannsóknarstofu fat. Meðan eyrað var í lausninni komu sumar kondrósurnar í stað kollagenins.
• Eyran var síðan ígrædd aftan á rottu undir húðinni.
• Eftir þrjá mánuði hafði kollagen í eyranu verið alveg skipt út fyrir brjósk og eyrað hafði haldið lögun sinni og aðgreiningu frá nærliggjandi rottufrumum.

Mismunur á myglu og vinnupalla

Í eyra sköpunarferlinu sem lýst er hér að ofan var plast eyrað óvirk mót. Eina hlutverk þess var að veita rétta lögun fyrir eyrað. Kollagen eyrað sem myndaðist inni í moldinni virkaði sem vinnupall fyrir kondrocyturnar. Í vefjaverkfræði er vinnupallur líffræðilegt samhæft efni með sérstaka lögun á og þar sem frumur vaxa. Vinnupallinn hefur ekki aðeins rétta lögun heldur hefur hann eiginleika sem styðja líf frumanna.

Síðan upphaflega eyrað var búið til, hafa Cornell vísindamennirnir fundið leið til að prenta kollagen vinnupalla með réttri lögun sem þarf til að búa til eyra og útrýma kröfunni um plastmót.

Hugsanlegur ávinningur af prentuðum eyrum

Eyru sem gerð var með prentara gæti nýst fólki sem misst hefur eyru vegna meiðsla eða sjúkdóms. Þeir gætu líka hjálpað fólki sem fæddist án eyrna eða hefur þau sem ekki hafa þróast rétt.

Sem stendur eru uppbótar eyru stundum gerð úr brjóski í rifbeini sjúklings. Að fá brjóskið er óþægileg reynsla fyrir sjúklinginn og getur skemmt rifbeinið. Að auki getur eyrað sem myndast kann að líta ekki mjög eðlilegt út. Eyrnalokkar eru einnig gerðir úr gervi efni, en enn og aftur er niðurstaðan ekki fullnægjandi. Prentuð eyru hafa möguleika á að líta meira út eins og náttúruleg eyru og vinna á skilvirkari hátt.

Í mars 2013 tilkynnti fyrirtæki sem heitir Oxford Performance Materials að það hefði skipt 75% af höfuðkúpu manns út fyrir prentaðan fjölliða höfuðkúpu. Þrívíddarprentarar eru einnig notaðir til að búa til heilsugæslubúnað, svo sem gervilim, heyrnartæki og tannígræðslu.

Prentun neðri kjálka

Í febrúar 2012 tilkynntu hollenskir ​​vísindamenn að þeir hefðu búið til tilbúinn neðri kjálka með þrívíddarprentara og sett hann í andlit 83 ára konu. Kjálkurinn var búinn til úr lögum af títan málmdufti sem er brætt saman með hita og var þakið lífkeramískri húðun. Lífkeramísk efni eru samhæft við vefi manna.

Konan fékk gervi kjálkann vegna þess að hún var með langvarandi beinsýkingu í eigin neðri kjálka. Læknar töldu að hefðbundin skurðaðgerð í andliti væri of áhættusöm fyrir konuna vegna aldurs.

Kjálkurinn hafði liði svo hægt væri að hreyfa hann, auk hola fyrir vöðvafestingu og skurða fyrir æðar og taugar. Konan gat sagt nokkur orð um leið og hún vaknaði af svæfingalyfinu. Daginn eftir gat hún kyngt. Hún fór heim eftir fjóra daga. Til stóð að setja falskar tennur í kjálkann síðar.

Prentað mannvirki er einnig notað við læknisfræðilega þjálfun og í skipulagningu fyrir skurðaðgerð. Þrívíddarlíkan búið til úr læknisskoðunum sjúklings getur verið mjög gagnlegt fyrir skurðlækna, þar sem það getur sýnt sérstök skilyrði inni í líkama sjúklingsins. Þetta gæti einfaldað flóknar aðgerðir.

Stoðtæki og ígræðsluefni

Málmjaxlinn sem lýst er hér að ofan er tegund stoðtækja eða gervilíkamshluta. Framleiðsla stoðtækja er svæði þar sem þrívíddarprentarar eru að verða mikilvægir. Sum sjúkrahús eru nú með eigin prentara eða vinna í samvinnu við lækningafyrirtæki sem hefur prentara.

Sköpun stoðtækja með þrívíddarprentun er oft fljótlegri og ódýrari aðferð en gerð með hefðbundnum framleiðsluaðferðum. Að auki er auðveldara að búa til sérsniðna passa fyrir sjúkling þegar tæki er sérstaklega hannað og prentað fyrir viðkomandi. Hægt er að nota sjúkrahússkannanir til að búa til sérsniðin tæki.

Skiptingarlimir eru oft þrívídd prentaðir í dag, að minnsta kosti sums staðar í heiminum. Prentaðir handleggir og hendur eru oft töluvert ódýrari en þær sem framleiddar eru með hefðbundnum aðferðum. Eitt þrívíddarprentafyrirtæki vinnur með Walt Disney að því að búa til litríkar og skemmtilegar gervihendur fyrir börn. Auk þess að búa til ódýrari vöru sem er á viðráðanlegri hátt miðar frumkvæðið „að hjálpa krökkum að líta á stoðtæki sín sem uppsprettu frekar en vandræði eða takmörkun“.

Fleiri dæmi

• Síðla árs 2015 var prentuðum hryggjum komið fyrir hjá sjúklingi. Sjúklingar hafa einnig fengið prentað bringubein og rifbein.
• Þrívíddarprentun er notuð til að framleiða endurbættar tannígræðslur.
• Skiptingar á mjöðmum eru oft prentaðar.
• Katlar sem passa við tiltekna stærð og lögun leiðar í líkama sjúklings gætu brátt verið algengir.
• Þrívíddarprentun kemur oft við framleiðslu heyrnartækja.

Lífsprentun með lifandi frumum: möguleg framtíð

Prentun með lifandi frumum, eða lífprentun, er að gerast í dag. Það er viðkvæmt ferli. Frumurnar mega ekki verða of heitar. Flestar aðferðir við þrívíddarprentun fela í sér hátt hitastig sem myndi drepa frumur. Að auki má burðarvökvi frumanna ekki skaða þær. Vökvinn og frumurnar sem hann inniheldur er þekktur sem lífblek (eða bioink).

Skipti á líffæri og vefjum

Skipt um skemmd líffæri fyrir líffæri úr þrívíddarprenturum væri dásamleg bylting í læknisfræði. Sem stendur eru ekki nógu mörg framlögð líffæri í boði fyrir alla sem þurfa á þeim að halda.

Ætlunin er að taka frumur úr eigin líkama sjúklings til að prenta líffæri sem þeir þurfa. Þetta ferli ætti að koma í veg fyrir höfnun á líffærum. Frumurnar væru líklega stofnfrumur, sem eru ósérhæfðar frumur sem geta framleitt aðrar frumugerðir þegar þær eru örvaðar rétt. Mismunandi frumugerðir yrðu afhentar prentaranum í réttri röð. Vísindamenn eru að uppgötva að að minnsta kosti einhverskonar mannafrumur hafa ótrúlega hæfileika til að skipuleggja sig sjálfar þegar þær eru afhentar, sem væri mjög gagnlegt við að búa til líffæri.

Sérstök gerð þrívíddarprentara þekktur sem lífprentari er notaður til að búa til lifandi vef. Í algengri aðferð við gerð vefsins er hydrogel prentað frá einum prentarahaus til að mynda vinnupalla. Örlítil vökvadropar, sem hver innihalda mörg þúsund frumur, eru prentaðir á vinnupallinn frá öðru prentarahausi. Smá droparnir sameinast fljótlega og frumurnar festast hver við aðra. Þegar viðkomandi uppbygging hefur myndast er hydrogel vinnupallurinn fjarlægður.Það getur verið afhýtt eða það má þvo í burtu ef það er vatnsleysanlegt. Einnig er hægt að nota niðurbrot vinnupalla. Þetta brotnar smám saman niður í lifandi líkama.

Í læknisfræði er ígræðsla að flytja líffæri eða vef frá gjafa til viðtakanda. Ígræðsla er að setja gervi tæki í líkama sjúklingsins. Þrívíddar lífprentun fellur einhvers staðar á milli þessara tveggja öfga. Bæði „ígræðsla“ og „ígræðsla“ eru notuð þegar átt er við hluti sem framleiddir eru af lífprentara.

Sumir velheppnaðir prentun

Ígræðslur og stoðtæki sem ekki eru lifandi búin til af þrívíddarprenturum eru þegar notuð hjá mönnum. Notkun ígræðslu sem inniheldur lifandi frumur krefst meiri rannsókna sem eru gerðar. Ekki er enn hægt að búa til heil líffæri með þrívíddarprentun, en líffærakaflar. Margar mismunandi mannvirki hafa verið prentuð, þar á meðal blettir í hjartavöðvum sem geta slegið, húðplástrar, æðarhlutar og hnébrjósk. Þessum hefur ekki enn verið komið fyrir í mönnum. Árið 2017 kynntu vísindamenn frumgerð prentara sem getur búið til húð manna til ígræðslu og árið 2018 prentuðu aðrir vísindamenn glærur í ferli sem gæti einhvern tíma verið notað til að bæta skemmdir í augum.

Tilkynnt var um nokkrar vonandi uppgötvanir árið 2016. Hópur vísindamanna græddi þrjár tegundir af lífrænt prentuðu mannvirki undir húð músa. Þar á meðal var eyra í horni að stærð við barn, vöðvastykki og hluti af kjálkabeini. Æðar frá umhverfinu teygðu sig inn í allar þessar mannvirki meðan þær voru í líkama músanna. Þetta var spennandi þróun þar sem blóðgjafi er nauðsynlegur til að halda vefjum lifandi. Blóðið ber næringarefni til lifandi vefja og tekur úrgang þeirra.

Það var líka spennandi að hafa í huga að ígræddu mannvirkin gátu haldið lífi þar til æðar höfðu þróast. Þessi árangur náðist með því að til voru örlítil svitahola í mannvirkjunum sem hleyptu næringarefnum inn í þau.

Prentun hluta hjartans

Að búa til glæru

Vísindamenn við Newcastle háskóla í Bretlandi hafa búið til þrívíddarprentaðar glærur. Hornhimnan er gagnsæ, ysta hula augna okkar. Alvarlegar skemmdir á þessu hulstri geta valdið blindu. Hornhimnaígræðsla leysir vandamálið oft en það eru ekki nægar glærur til að hjálpa öllum sem þurfa á þeim að halda.

Vísindamennirnir fengu stofnfrumur úr heilbrigðu hornhimnu manna. Frumurnar voru síðan settar í hlaup úr algínati og kollageni. Hlaupið verndaði frumurnar þegar þær fóru um eina stút prentarans. Innan við tíu mínútur þurfti til að prenta hlaupið og frumurnar í réttri lögun. Lögunin fékkst með því að skanna auga manns. (Í læknisfræðilegum aðstæðum væri auga sjúklings skannað.) Þegar hlaupið og frumublandan var prentuð mynduðu stofnfrumurnar heila glæru.

Hornhimnurnar sem voru búnar til með prentunarferlinu hafa ekki enn verið settar í augu manna. Það mun líklega líða nokkur tími þar til þeir eru það. Þeir geta þó hjálpað mörgum.

Að örva stofnfrumur til að framleiða þær sérhæfðu frumur sem nauðsynlegar eru til að gera tiltekinn hluta mannslíkamans á réttum tíma er áskorun út af fyrir sig. Það er ferli sem gæti þó haft frábæra kosti fyrir okkur.

Ávinningur af lífrænum líffærum, lífrænum efnum eða líffærum á flís

Vísindamönnum hefur tekist að búa til líffæri með þrívíddarprentun (og með öðrum aðferðum). „Mini líffæri“ eru litlar útgáfur af líffærum, köflum af líffærum eða plástra af vefjum frá sérstökum líffærum. Þeir eru nefndir með ýmsum nöfnum til viðbótar við hugtakið líffæri. Prentuðu sköpunarverkin innihalda kannski ekki allar tegundir af uppbyggingu sem finnast í orgelinu í fullri stærð, en þær eru góðar áætlanir. Rannsóknir benda til þess að þær gætu haft mikilvæga notkun, jafnvel þó að þær séu ekki ígræðanlegar.

Líffæri eru ekki alltaf framleidd úr frumum sem gefnar eru af handahófi gjafa. Þess í stað eru þau oft gerð úr frumum manns sem er með sjúkdóm. Vísindamenn geta kannað áhrif lyfja á líffæri. Ef lyf reynast gagnlegt og ekki skaðlegt getur það verið gefið sjúklingnum. Það eru nokkrir kostir við þetta ferli. Ein er sú að hægt er að nota lyf sem líklegt er að sé gagnlegt fyrir sértæka útgáfu sjúkdómsins og fyrir sérstakt erfðamengi þeirra, sem eykur líkurnar á árangursríkri meðferð. Annað er að læknar geta fengið óvenjulegt eða venjulega dýrt lyf fyrir sjúkling ef þeir geta sýnt fram á að lyfið sé líklegt til árangurs. Að auki getur lyfjapróf á líffærum dregið úr þörfinni fyrir tilraunadýr.

Uppbygging sem líkir eftir lunganum

Árið 2019 sýndu vísindamenn við Rice háskólann og háskólann í Washington sköpun þeirra líffæra sem líkir eftir lunga manna í verki. Mini-lungan er úr hydrogel. Það inniheldur litla lungnalaga uppbyggingu sem er fyllt með lofti með reglulegu millibili. Net skipa sem eru fyllt af blóði umlykur bygginguna.

Þegar það er örvað stækkar herma lungan og æðar hennar og dragast saman taktlaust án þess að brotna. Myndbandið sýnir hvernig uppbyggingin virkar. Þrátt fyrir að líffærafruman sé ekki í fullri stærð og ekki líkir eftir öllum vefjum í lungum manna, þá er hæfileiki hennar til að hreyfa sig eins og lunga mjög mikilvæg þróun.

Nokkrar áskoranir fyrir lífrænt prentun

Að búa til líffæri sem hentar ígræðslu er erfitt verkefni. Líffæri er flókin uppbygging sem inniheldur mismunandi frumugerðir og vefi raðað í ákveðið mynstur. Að auki, þegar líffæri þróast við þroska fósturvísa, fá þau efnafræðileg merki sem gera fínni uppbyggingu þeirra og flókna hegðun kleift að þróast rétt. Þessi merki vantar þegar við reynum að búa til líffæri tilbúið.

Sumir vísindamenn halda að í fyrstu - og kannski um nokkurt skeið - munum við prenta ígræðanleg mannvirki sem geta framkvæmt eina virkni líffæra í stað allra starfa hennar. Þessar einfaldari mannvirki geta verið mjög gagnlegar ef þær bæta upp alvarlegan galla í líkamanum.

Þó líklegt sé að mörg ár líffæraprentuð líffæri séu fáanleg fyrir ígræðslur, gætum við vel séð nýja kosti tækninnar fyrir þann tíma. Hraði rannsókna virðist aukast. Framtíð þrívíddarprentunar í tengslum við lyf ætti að vera mjög áhugaverð sem og spennandi.

Tilvísanir

• Gervi eyra búið til af þrívíddar prentara og lifandi brjóskfrumum frá Smithsonian tímaritinu.
• Ígræddur kjálki gerður af þrívíddarprentara frá BBC (British Broadcasting Corporation)
• Litríkar 3D prentaðar hendur frá American Society of Mechanical Engineers
• Bioprinter býr til sérsniðna líkamshluta sem ræktaðir eru á rannsóknarstofu til ígræðslu frá The Guardian
• Fyrsta þrívíddarhimnuða mannhimnan frá EurekAlert fréttaþjónustunni
• Þrívíddarprentari framleiðir minnstu mannslifur frá New Scientist
• Mini 3D prentuð líffæri líkja eftir sláandi hjarta og lifur frá New Scientist
• Líffæri sem líkir eftir lungunum úr Popular Mechanics
• Nýr þrívíddarprentari framleiðir eyra, vöðva og beinvef í lífstærð úr lifandi frumum frá Science Alert
• 3-D lífprentari til að prenta manna húð frá phys.org nýju þjónustunni

Þessi grein er nákvæm og sönn eftir bestu vitund höfundar. Innihald er eingöngu til upplýsinga eða skemmtunar og kemur ekki í stað persónulegs ráðgjafar eða faglegrar ráðgjafar í viðskipta-, fjárhags-, lögfræðilegum eða tæknilegum málum.