Imprimante 3D în medicină: utilizări interesante și aplicații potențiale

Conţinut

• Transformarea medicinii cu imprimante 3D
• Cum funcționează o imprimantă 3D?
• Făcând o ureche
• Diferența dintre o matriță și o schelă
• Beneficiile potențiale ale urechilor tipărite
• Tipărirea unei maxilare inferioare
• Proteză și articole implantabile
• Mai multe exemple
• Bioprintarea cu celule vii: un viitor posibil
• Înlocuirea organelor și a țesuturilor
• Câteva succese în bioprintare
• Imprimarea părților inimii
• Crearea unei cornee
• Avantajele Mini Organelor, Organoidelor sau Organelor pe un cip
• O structură care imită plămânii
• Câteva provocări pentru bioprintare
• Referințe

Linda Crampton a predat științei și tehnologiei informației elevilor de liceu timp de mulți ani. Îi place să învețe despre noile tehnologii.

Transformarea medicinii cu imprimante 3D

Imprimarea 3D este un aspect interesant al tehnologiei care are multe aplicații utile. O aplicație fascinantă și potențial foarte importantă a imprimantelor 3D este crearea de materiale care pot fi utilizate în medicină. Aceste materiale includ dispozitive medicale implantabile, părți artificiale ale corpului sau proteze și instrumente medicale personalizate. Acestea includ, de asemenea, patch-uri imprimate de țesut uman viu, precum și mini organe. În viitor, organele implantabile pot fi tipărite.

Imprimantele 3D au capacitatea de a imprima obiecte solide, tridimensionale, pe baza unui model digital stocat în memoria computerului. Un mediu de imprimare obișnuit este plasticul lichid care se solidifică după imprimare, dar sunt disponibile și alte suporturi. Acestea includ pulberi de metal și „cerneluri” care conțin celule vii.

Capacitatea imprimantelor de a produce materiale compatibile cu corpul uman se îmbunătățește rapid. Unele dintre materiale sunt deja utilizate în medicină, în timp ce altele sunt încă în stadiul experimental. Mulți cercetători sunt implicați în anchetă. Imprimarea 3D are potențialul tentant de a transforma tratamentul medical.

Cum funcționează o imprimantă 3D?

Primul pas în crearea unui obiect tridimensional de către o imprimantă este proiectarea obiectului. Acest lucru se face într-un program CAD (Computer-Aided Design). Odată ce proiectul este terminat, un alt program creează instrucțiuni pentru producerea obiectului într-o serie de straturi. Acest al doilea program este uneori cunoscut ca un program de feliere sau ca software de tăiere, deoarece convertește codul CAD pentru întregul obiect în cod pentru o serie de felii sau straturi orizontale. Straturile pot fi numărate în sute sau chiar în mii.

Imprimanta creează obiectul depunând straturi de material conform instrucțiunilor programului de tăiere, începând de la partea de jos a obiectului și lucrând în sus. Straturile succesive sunt fuzionate împreună. Procesul este denumit fabricație aditivă.

Filamentul din plastic este adesea folosit ca mediu pentru imprimarea 3D, în special în imprimantele orientate către consumatori. Imprimanta topește filamentul și apoi extrude plasticul fierbinte printr-o duză. Duza se mișcă în toate dimensiunile, deoarece eliberează plasticul lichid pentru a crea un obiect. Mișcarea duzei și cantitatea de plastic extrudată sunt controlate de programul de tăiere. Plasticul fierbinte se solidifică aproape imediat după ce a fost eliberat din duză. Alte tipuri de suporturi de imprimare sunt disponibile în scopuri speciale.

Partea urechii care este vizibilă din exteriorul corpului este cunoscută sub numele de pinna sau auriculă. Restul urechii este situat în craniu. Funcția pinnei este de a colecta unde sonore și de a le trimite la următoarea secțiune a urechii.

Făcând o ureche

În februarie 2013, oamenii de știință de la Universitatea Cornell din Statele Unite au anunțat că au reușit să realizeze un pinna pentru urechi cu ajutorul imprimării 3D. Pașii urmați de oamenii de știință Cornell au fost după cum urmează.

• Un model de ureche a fost creat într-un program CAD. Cercetătorii au folosit fotografii cu urechi reale ca bază pentru acest model.
• Modelul urechii a fost tipărit de o imprimantă 3D, folosind plastic pentru a crea o matriță cu forma urechii.
• Un hidrogel care conține o proteină numită colagen a fost plasat în interiorul matriței. Un hidrogel este un gel care conține apă.
• Condrocitele (celule care produc cartilaj) au fost obținute din urechea vacii și adăugate la colagen.
• Urechea de colagen a fost plasată într-o soluție nutritivă într-un vas de laborator. În timp ce urechea era în soluție, unele condrocite au înlocuit colagenul.
• Urechea a fost apoi implantată în spatele unui șobolan sub piele.
• După trei luni, colagenul din ureche fusese complet înlocuit cu cartilaj, iar urechea își păstrase forma și distincția față de celulele șobolanului din jur.

Diferența dintre o matriță și o schelă

În procesul de creare a urechii descris mai sus, urechea din plastic era o matriță inertă. Singura sa funcție a fost de a oferi forma corectă urechii. Urechea de colagen care s-a format în interiorul matriței a acționat ca un eșafod pentru condrocite. În ingineria țesuturilor, un eșafod este un material biocompatibil cu o formă specifică pe care cresc celulele. Schela nu numai că are forma corectă, dar are și proprietăți care susțin viața celulelor.

De când s-a efectuat procesul original de creare a urechii, cercetătorii Cornell au găsit o modalitate de a imprima o schelă de colagen cu forma corectă necesară pentru a face o ureche, eliminând cerința pentru o matriță din plastic.

Beneficiile potențiale ale urechilor tipărite

Urechile făcute cu ajutorul imprimantelor ar putea fi utile pentru persoanele care și-au pierdut propriile urechi din cauza rănirii sau a bolii. De asemenea, ar putea ajuta oamenii care s-au născut fără urechi sau au cei care nu s-au dezvoltat corespunzător.

În acest moment, urechile de înlocuire sunt uneori făcute din cartilaj în coasta pacientului. Obținerea cartilajului este o experiență neplăcută pentru pacient și poate deteriora coasta. În plus, urechea rezultată ar putea să nu pară foarte naturală. Urechile sunt făcute și dintr-un material artificial, dar încă o dată rezultatul poate să nu fie complet satisfăcător. Urechile tipărite au potențialul de a semăna mai mult cu urechile naturale și de a lucra mai eficient.

În martie 2013, o companie numită Oxford Performance Materials a raportat că au înlocuit 75% din craniul unui bărbat cu un craniu polimeric imprimat. Imprimantele 3D sunt, de asemenea, utilizate pentru fabricarea aparatelor de îngrijire a sănătății, cum ar fi membrele protetice, aparatele auditive și implanturile dentare.

Tipărirea unei maxilare inferioare

În februarie 2012, oamenii de știință olandezi au raportat că au creat o maxilară inferioară artificială cu o imprimantă 3D și au implantat-o ​​pe fața unei femei în vârstă de 83 de ani. Fălcile au fost realizate din straturi de pulbere metalică de titan topite prin căldură și au fost acoperite de un strat bioceramic. Materialele bioceramice sunt compatibile cu țesutul uman.

Femeia a primit maxilarul artificial deoarece avea o infecție cronică a oaselor în maxilarul inferior. Medicii au considerat că operația tradițională de reconstrucție facială era prea riscantă pentru femeie din cauza vârstei sale.

Maxilarul avea articulații astfel încât să poată fi mișcat, precum și cavități pentru atașarea musculară și caneluri pentru vasele de sânge și nervi. Femeia a putut să spună câteva cuvinte imediat ce s-a trezit din anestezic. A doua zi a reușit să înghită. S-a dus acasă după patru zile. Dinții falși au fost programați pentru a fi implantați în maxilar la o dată ulterioară.

Structurile tipărite sunt utilizate și în formarea medicală și în planificarea pre-chirurgicală. Un model tridimensional creat din scanările medicale ale unui pacient poate fi foarte util pentru chirurgi, deoarece poate arăta condițiile specifice din corpul pacientului. Acest lucru poate simplifica intervenția chirurgicală complexă.

Proteză și articole implantabile

Maxilarul metalic descris mai sus este un tip de parte protetică sau artificială a corpului. Producția de proteze este un domeniu în care imprimantele 3D devin importante. Unele spitale au acum propriile imprimante sau lucrează în cooperare cu o companie de furnizare medicală care are o imprimantă.

Crearea unei proteze prin imprimarea 3D este adesea un proces mai rapid și mai ieftin decât crearea prin metode convenționale de fabricație. În plus, este mai ușor să creați o potrivire personalizată pentru un pacient atunci când un dispozitiv este special conceput și tipărit pentru persoana respectivă. Scanările de spital pot fi utilizate pentru a crea dispozitive personalizate.

Membrele de înlocuire sunt adesea tipărite 3D astăzi, cel puțin în unele părți ale lumii. Brațele și mâinile imprimate sunt adesea mult mai ieftine decât cele produse prin metode convenționale. O companie de tipărire 3D lucrează cu Walt Disney pentru a crea mâini protetice colorate și distractive pentru copii. În plus față de crearea unui produs mai ieftin, care este mai accesibil, inițiativa își propune „să-i ajute pe copii să-și vadă protezele mai degrabă ca o sursă de emoție decât ca jenă sau limitare”.

Mai multe exemple

• La sfârșitul anului 2015, vertebrele tipărite au fost plasate cu succes la un pacient. Pacienții au primit, de asemenea, un stern imprimat și o cutie toracică.
• Imprimarea 3D este utilizată pentru a produce implanturi dentare îmbunătățite.
• Articulațiile de șold de schimb sunt adesea tipărite.
• Cateterele care se potrivesc dimensiunii și formei specifice unui pasaj din corpul pacientului ar putea fi în curând comune.
• Imprimarea 3D este adesea implicată în fabricarea aparatelor auditive.

Bioprintarea cu celule vii: un viitor posibil

Imprimarea cu celule vii sau bioimprimarea are loc astăzi. Este un proces delicat. Celulele nu trebuie să se încălzească prea mult. Majoritatea metodelor de imprimare 3D implică temperaturi ridicate, care ar distruge celulele. În plus, lichidul purtător pentru celule nu trebuie să le dăuneze. Lichidul și celulele pe care le conține este cunoscut sub numele de bio-cerneală (sau bioink).

Înlocuirea organelor și a țesuturilor

Înlocuirea organelor deteriorate cu organe fabricate din imprimante 3D ar fi o revoluție minunată în medicină. În acest moment, nu există suficiente organe donate disponibile pentru toată lumea care are nevoie de ele.

Planul este de a prelua celule din propriul corp al pacientului pentru a imprima un organ de care au nevoie. Acest proces ar trebui să prevină respingerea organelor. Celulele ar fi probabil celule stem, care sunt celule nespecializate care sunt capabile să producă alte tipuri de celule atunci când sunt stimulate corect. Diferitele tipuri de celule vor fi depuse de imprimantă în ordinea corectă. Cercetătorii descoperă că cel puțin unele tipuri de celule umane au o capacitate uimitoare de autoorganizare atunci când sunt depuse, ceea ce ar fi foarte util în procesul de creare a unui organ.

Un tip special de imprimantă 3D cunoscută sub numele de bioprinter este utilizat pentru a produce țesuturi vii. Într-o metodă obișnuită de fabricare a țesutului, un hidrogel este imprimat dintr-un cap de imprimantă pentru a forma un eșafod. Micile picături de lichid, fiecare conținând mii de celule, sunt tipărite pe eșafod de pe un alt cap de imprimantă. Picăturile se alătură curând și celulele se atașează una de cealaltă. Când sa format structura dorită, schela hidrogel este îndepărtată.Poate fi îndepărtat sau poate fi spălat dacă este solubil în apă. De asemenea, pot fi utilizate schele biodegradabile. Acestea se descompun treptat în interiorul unui corp viu.

În medicină, un transplant este transferul unui organ sau țesut de la un donator la un beneficiar. Un implant este inserarea unui dispozitiv artificial în corpul pacientului. Bioprintarea 3D se încadrează undeva între aceste două extreme. Atât „transplantul”, cât și „implantul” sunt utilizate atunci când se referă la articole produse de un bioprinter.

Câteva succese în bioprintare

Implanturile non-vii și protezele create de imprimantele 3D sunt deja utilizate la om. Utilizarea implanturilor care conțin celule vii necesită mai multe cercetări, care sunt efectuate. Organele întregi nu pot fi realizate încă prin imprimarea 3D, dar secțiunile organelor pot fi făcute. Au fost tipărite multe structuri diferite, inclusiv pete de mușchi ale inimii care sunt capabile să bată, pete de piele, segmente de vase de sânge și cartilaj de genunchi. Acestea nu au fost încă implantate la oameni. În 2017, oamenii de știință au prezentat un prototip de imprimantă care poate crea piele umană pentru implantare, însă în 2018 alți oameni de știință au imprimat cornee într-un proces care poate fi folosit într-o zi pentru a repara deteriorarea ochilor.

Unele descoperiri pline de speranță au fost raportate în 2016. O echipă de oameni de știință a implantat trei tipuri de structuri bioprintate sub pielea șoarecilor. Acestea includeau o ureche de ureche umană de dimensiunea unui copil, o bucată de mușchi și o secțiune de os maxilar uman. Vasele de sânge din împrejurimi s-au extins în toate aceste structuri în timp ce se aflau în corpurile șoarecilor. Aceasta a fost o dezvoltare interesantă, deoarece este necesar un aport de sânge pentru a menține țesuturile în viață. Sângele transportă substanțele nutritive către țesuturile vii și le îndepărtează deșeurile.

De asemenea, a fost interesant de observat că structurile implantate au fost capabile să rămână în viață până când vasele de sânge s-au dezvoltat. Această ispravă a fost realizată prin existența unor pori minusculi în structurile care au permis nutrienților să pătrundă în ei.

Imprimarea părților inimii

Crearea unei cornee

Oamenii de știință de la Universitatea Newcastle din Marea Britanie au creat cornee imprimate 3D. Corneea este acoperirea transparentă și exterioară a ochilor noștri. Deteriorarea gravă a acestei acoperiri poate provoca orbire. Un transplant de cornee rezolvă adesea problema, dar nu există suficiente cornee disponibile pentru a ajuta pe toți cei care au nevoie de ele.

Oamenii de știință au obținut celule stem dintr-o cornee umană sănătoasă. Celulele au fost apoi plasate într-un gel format din alginat și colagen. Gelul a protejat celulele în timp ce călătoreau prin duza unică a imprimantei. Au fost necesare mai puțin de zece minute pentru a imprima gelul și celulele în forma corectă. Forma a fost obținută prin scanarea ochiului unei persoane. (Într-o situație medicală, ochiul pacientului ar fi scanat.) Odată ce amestecul de gel și celule a fost tipărit, celulele stem au produs o cornee completă.

Corneele realizate prin procesul de imprimare nu au fost încă implantate în ochii omului. Probabil va trece ceva timp până vor fi. Cu toate acestea, au potențialul de a ajuta mulți oameni.

Stimularea celulelor stem pentru a produce celulele specializate necesare pentru a face o parte specifică a corpului uman la momentul corect este o provocare în sine. Cu toate acestea, este un proces care ar putea avea beneficii minunate pentru noi.

Avantajele Mini Organelor, Organoidelor sau Organelor pe un cip

Oamenii de știință au reușit să creeze mini organe prin imprimarea 3D (și prin alte metode). „Mini organele” sunt versiuni miniaturale ale organelor, secțiunilor de organe sau petelor de țesut din organe specifice. Acestea sunt menționate prin diferite nume pe lângă termenul de mini organ. Creațiile tipărite pot să nu conțină toate tipurile de structuri găsite în organul de dimensiuni mari, dar sunt aproximări bune. Cercetările indică faptul că ar putea avea utilizări importante, chiar dacă nu sunt implantabile.

Mini organele nu sunt întotdeauna produse din celule furnizate de un donator aleator. În schimb, ele sunt adesea fabricate din celulele unei persoane care are o boală. Cercetătorii pot verifica efectele medicamentelor asupra mini-organului. Dacă se constată că un medicament este util și nu dăunător, acesta poate fi administrat pacientului. Există mai multe avantaje în acest proces. Una este că poate fi utilizat un medicament care este probabil benefic pentru versiunea specifică a bolii a pacientului și pentru genomul specific al acestuia, ceea ce crește probabilitatea unui tratament de succes. Un alt lucru este că medicii pot obține un medicament neobișnuit sau în mod normal scump pentru un pacient dacă pot demonstra că medicamentul este probabil să fie eficient. În plus, testarea medicamentelor pe mini organe poate reduce necesitatea animalelor de laborator.

O structură care imită plămânii

În 2019, oamenii de știință de la Universitatea Rice și Universitatea din Washington și-au demonstrat crearea unui mini organ care imită un plămân uman în acțiune. Mini-plămânul este realizat dintr-un hidrogel. Conține o mică structură asemănătoare plămânilor care este umplută cu aer la intervale regulate. O rețea de vase pline de sânge înconjoară structura.

Când este stimulat, plămânul simulat și vasele sale se extind și se contractă ritmic fără a se rupe. Videoclipul arată cum funcționează structura. Deși organoidul nu are dimensiuni complete și nu imită toate țesuturile unui plămân uman, capacitatea sa de a se mișca ca un plămân este o dezvoltare foarte importantă.

Câteva provocări pentru bioprintare

Crearea unui organ adecvat pentru implantare este o sarcină dificilă. Un organ este o structură complexă care conține diferite tipuri de celule și țesuturi dispuse într-un model specific. În plus, pe măsură ce organele se dezvoltă în timpul dezvoltării embrionare, ele primesc semnale chimice care permit structurii lor fine și comportamentul complicat să se dezvolte corect. Aceste semnale lipsesc atunci când încercăm să creăm un organ artificial.

Unii oameni de știință cred că la început - și poate pentru un timp viitor - vom imprima structuri implantabile care pot îndeplini o singură funcție a unui organ în loc de toate funcțiile sale. Aceste structuri mai simple pot fi foarte utile dacă compensează un defect grav al corpului.

Deși este posibil să treacă ani înainte ca organele bioprintite să fie disponibile pentru implanturi, este posibil să vedem noi avantaje ale tehnologiei până atunci. Ritmul cercetării pare să crească. Viitorul imprimării 3D în legătură cu medicina ar trebui să fie atât de interesant, cât și de interesant.

Referințe

• O ureche artificială creată de o imprimantă 3D și celule de cartilaj viu din revista Smithsonian.
• Falcă de transplant realizată de o imprimantă 3D de la BBC (British Broadcasting Corporation)
• Mâini colorate imprimate 3D de la Societatea Americană a Inginerilor Mecanici
• Bioprinter creează părți ale corpului personalizate, cultivate în laborator, pentru transplant de la The Guardian
• Prima cornee umană tipărită 3D de la serviciul de știri EurekAlert
• Imprimanta 3D produce cel mai mic ficat uman de la New Scientist
• Mini organe imprimate 3D imită bătăile inimii și ficatului de la New Scientist
• Un organ care imită plămânii din Mecanica populară
• Noua imprimantă 3D realizează urechi, mușchi și țesuturi osoase în mărime naturală din celule vii din Science Alert
• Bioprinter 3-D pentru a imprima pielea umană din noul serviciu phys.org

Acest articol este corect și fidel, după cunoștințele autorului. Conținutul are doar scop informativ sau de divertisment și nu înlocuiește consilierea personală sau sfatul profesional în probleme de afaceri, financiare, juridice sau tehnice.