3D-printere i medicin: Spændende anvendelser og potentielle applikationer

Indhold

• Transformering af medicin med 3D-printere
• Hvordan fungerer en 3D-printer?
• At lave et øre
• Forskellen mellem en form og et stillads
• Potentielle fordele ved trykte ører
• Udskrivning af underkæbe
• Proteser og implanterbare genstande
• Flere eksempler
• Bioprinting med levende celler: En mulig fremtid
• Udskiftning af organ og væv
• Nogle succeser med bioprinting
• Udskrivning af dele af hjertet
• Oprettelse af en hornhinde
• Fordele ved mini-organer, organoider eller organer på en chip
• En struktur, der efterligner lungerne
• Nogle udfordringer for bioprinting
• Referencer

Linda Crampton underviste gymnasieelever i videnskab og informationsteknologi i mange år. Hun nyder at lære om ny teknologi.

Transformering af medicin med 3D-printere

3D-udskrivning er et spændende aspekt af teknologi, der har mange nyttige applikationer. En fascinerende og potentielt meget vigtig anvendelse af 3D-printere er oprettelsen af ​​materialer, der kan bruges i medicin. Disse materialer inkluderer implanterbare medicinske anordninger, kunstige kropsdele eller proteser og tilpassede medicinske instrumenter. De inkluderer også trykte pletter af levende menneskeligt væv samt mini-organer. I fremtiden kan implanterbare organer udskrives.

3D-printere har evnen til at udskrive faste, tredimensionelle objekter baseret på en digital model, der er gemt i en computers hukommelse. Et almindeligt trykmedie er flydende plast, der størkner efter udskrivning, men andre medier er tilgængelige. Disse inkluderer pulveriseret metal og "blæk" indeholdende levende celler.

Printerens evne til at producere materialer, der er kompatible med menneskekroppen, forbedres hurtigt. Nogle af materialerne bruges allerede i medicin, mens andre stadig er i eksperimentfasen. Mange forskere er involveret i undersøgelsen. 3D-udskrivning har det spændende potentiale til at transformere medicinsk behandling.

Hvordan fungerer en 3D-printer?

Det første trin i oprettelsen af ​​et tredimensionelt objekt af en printer er at designe objektet. Dette gøres i et CAD-program (Computer-Aided Design). Når designet er færdigt, opretter et andet program instruktioner til fremstilling af objektet i en række lag. Dette andet program er undertiden kendt som et udskæringsprogram eller som udskæringssoftware, da det konverterer CAD-koden for hele objektet til kode for en række skiver eller vandrette lag. Lagene kan nummerere i hundreder eller endda i tusinder.

Printeren opretter genstanden ved at deponere lag af materiale i henhold til udsnitsprogrammets instruktioner, startende i bunden af ​​objektet og arbejde opad. Efterfølgende lag smeltes sammen. Processen kaldes additiv fremstilling.

Plastfilament bruges ofte som medium til 3D-udskrivning, især i forbrugerorienterede printere. Printeren smelter glødetråden og ekstruderer derefter varm plast gennem en dyse. Dysen bevæger sig i alle dimensioner, når den frigiver den flydende plast for at skabe et objekt. Dysens bevægelse og den mængde plast, der ekstruderes, styres af skæreprogrammet. Den varme plast størkner næsten umiddelbart efter, at den er frigivet fra dysen. Andre typer trykmedier er tilgængelige til specielle formål.

Den del af øret, der er synlig udefra, er kendt som pinna eller auricle. Resten af ​​øret er placeret i kraniet. Pinna's funktion er at samle lydbølger og sende dem til den næste del af øret.

At lave et øre

I februar 2013 meddelte forskere ved Cornell University i USA, at de havde været i stand til at lave en ørepynt ved hjælp af 3D-udskrivning. De trin, Cornell-forskerne fulgte, var som følger.

• En model af et øre blev oprettet i et CAD-program. Forskerne brugte fotografier af ægte ører som grundlag for denne model.
• Øremodellen blev udskrevet af en 3D-printer ved hjælp af plast til at skabe en form med ørens form.
• En hydrogel indeholdende et protein kaldet kollagen blev anbragt inde i formen. En hydrogel er en gel, der indeholder vand.
• Chondrocytter (celler, der producerer brusk) blev opnået fra en ko's øre og føjet til kollagenet.
• Kollagenøret blev anbragt i en næringsstofopløsning i en laboratoriefad. Mens øret var i løsningen, erstattede nogle af chondrocytterne kollagenet.
• Øret blev derefter implanteret på bagsiden af ​​en rotte under huden.
• Efter tre måneder var kollagenet i øret blevet erstattet fuldstændigt med brusk, og øret havde opretholdt sin form og skelnen fra de omgivende rotte celler.

Forskellen mellem en form og et stillads

I den ovenfor beskrevne øreproces var plastøret en inaktiv form. Dens eneste funktion var at give øret den rigtige form. Kollagenøret, der dannedes inde i formen, fungerede som et stillads for kondrocytterne. I vævsteknik er et stillads et biokompatibelt materiale med en bestemt form på, og hvor celler vokser. Stilladset har ikke kun den rigtige form, men har også egenskaber, der understøtter cellernes levetid.

Siden den oprindelige øreproces blev udført, har Cornell-forskerne fundet en måde at udskrive et kollagenstillads med den rigtige form, der er nødvendig for at lave et øre, hvilket eliminerer kravet om en plastform.

Potentielle fordele ved trykte ører

Ører lavet ved hjælp af printere kan være nyttige for folk, der har mistet deres egne ører på grund af kvæstelse eller sygdom. De kunne også hjælpe folk, der blev født uden ører eller har dem, der ikke har udviklet sig ordentligt.

I øjeblikket er udskiftningsører undertiden lavet af brusk i en patients ribben. At få brusk er en ubehagelig oplevelse for patienten og kan skade ribben. Derudover kan det resulterende øre muligvis ikke se meget naturligt ud. Ørene er også lavet af et kunstigt materiale, men igen er resultatet muligvis ikke helt tilfredsstillende. Trykte ører har potentialet til at ligne mere som naturlige ører og arbejde mere effektivt.

I marts 2013 rapporterede et firma ved navn Oxford Performance Materials, at de havde udskiftet 75% af en mands kranium med en trykt polymerskalle. 3D-printere bruges også til at fremstille apparater til sundhedspleje, såsom proteser, høreapparater og tandimplantater.

Udskrivning af underkæbe

I februar 2012 rapporterede hollandske forskere, at de havde skabt en kunstig underkæbe med en 3D-printer og implanteret den i ansigtet på en 83-årig kvinde. Kæben blev fremstillet af lag af titanmetalpulver smeltet af varme og blev dækket af en biokeramisk belægning. Biokeramiske materialer er kompatible med humant væv.

Kvinden modtog den kunstige kæbe, fordi hun havde en kronisk knogleinfektion i sin egen underkæbe. Læger mente, at traditionel ansigtsrekonstruktionskirurgi var for risikabel for kvinden på grund af hendes alder.

Kæben havde led, så den kunne bevæges, såvel som hulrum til fastgørelse af muskler og riller til blodkar og nerver. Kvinden var i stand til at sige et par ord, så snart hun vågnede af bedøvelsesmidlet. Den næste dag kunne hun sluge. Hun gik hjem efter fire dage. Falske tænder var planlagt til at blive implanteret i kæben på et senere tidspunkt.

Trykte strukturer bruges også i medicinsk træning og i præ-kirurgisk planlægning. En tredimensionel model oprettet ud fra en patients medicinske scanninger kan være meget nyttig for kirurger, da den kan vise de specifikke forhold inde i patientens krop. Dette kan forenkle kompleks kirurgi.

Proteser og implanterbare genstande

Metalkæben beskrevet ovenfor er en type protese eller kunstig kropsdel. Produktion af proteser er et område, hvor 3D-printere bliver vigtige. Nogle hospitaler har nu deres egne printere eller arbejder i samarbejde med en medicinsk forsyningsvirksomhed, der har en printer.

Oprettelse af en protese ved 3D-udskrivning er ofte en hurtigere og billigere proces end oprettelsen ved hjælp af konventionelle fremstillingsmetoder. Derudover er det lettere at skabe en tilpasset pasform til en patient, når en enhed er specielt designet og udskrevet til personen. Hospitalscanninger kan bruges til at oprette skræddersyede enheder.

Udskiftningslemmer er ofte 3D-trykt i dag, i det mindste i nogle dele af verden. Trykte arme og hænder er ofte betydeligt billigere end dem, der produceres ved konventionelle metoder. Et 3D-udskrivningsfirma arbejder sammen med Walt Disney for at skabe farverige og sjove protesehænder til børn. Ud over at skabe et billigere produkt, der er billigere, har initiativet til formål "at hjælpe børn med at se deres proteser som en kilde til spænding snarere end forlegenhed eller begrænsning".

Flere eksempler

• I slutningen af ​​2015 blev trykte ryghvirvler med succes placeret i en patient. Patienter har også modtaget et trykt brystben og en ribcage.
• 3D-udskrivning bruges til at producere forbedrede tandimplantater.
• Udskiftning af hofteleddene udskrives ofte.
• Katetre, der passer til den specifikke størrelse og form af en passage i en patients krop, kan snart være almindelige.
• 3D-udskrivning er ofte involveret i fremstillingen af ​​høreapparater.

Bioprinting med levende celler: En mulig fremtid

Udskrivning med levende celler eller bioprinting sker i dag. Det er en delikat proces. Cellerne må ikke blive for varme. De fleste metoder til 3D-udskrivning involverer høje temperaturer, som vil dræbe celler. Derudover må bærervæsken til cellerne ikke skade dem. Væsken og cellerne, den indeholder, er kendt som en bio-blæk (eller en bioink).

Udskiftning af organ og væv

Udskiftning af beskadigede organer med organer fremstillet af 3D-printere ville være en vidunderlig revolution inden for medicin. I øjeblikket er der ikke nok donerede organer til rådighed for alle, der har brug for dem.

Planen er at tage celler fra en patients egen krop for at udskrive et organ, som de har brug for. Denne proces skal forhindre organafstødning. Cellerne vil sandsynligvis være stamceller, som er uspecialiserede celler, der er i stand til at producere andre celletyper, når de stimuleres korrekt. De forskellige celletyper deponeres af printeren i den rigtige rækkefølge. Forskere opdager, at i det mindste nogle former for menneskelige celler har en fantastisk evne til selvorganisering, når de deponeres, hvilket ville være meget nyttigt i processen med at skabe et organ.

En speciel type 3D-printer kendt som en bioprinter bruges til at fremstille levende væv. I en almindelig metode til fremstilling af vævet trykkes en hydrogel fra et printerhoved til dannelse af et stillads. Små væskedråber, der hver indeholder mange tusinde celler, trykkes på stilladset fra et andet printerhoved. Dråberne går snart sammen, og cellerne hænger sammen. Når den ønskede struktur er dannet, fjernes hydrogelstilladset.Det kan skrælles væk eller vaskes væk, hvis det er vandopløseligt. Biologisk nedbrydelige stilladser kan også anvendes. Disse nedbrydes gradvist i en levende krop.

I medicin er en transplantation overførsel af et organ eller væv fra en donor til en modtager. Et implantat er indsættelse af en kunstig enhed i patientens krop. 3D bioprinting falder et sted mellem disse to ekstremer. Både "transplantation" og "implantat" bruges, når der henvises til emner produceret af en bioprinter.

Nogle succeser med bioprinting

Ikke-levende implantater og proteser oprettet af 3D-printere bruges allerede til mennesker. Brug af implantater, der indeholder levende celler, kræver mere forskning, som udføres. Hele organer kan endnu ikke laves ved 3D-udskrivning, men sektioner af organer kan. Mange forskellige strukturer er blevet trykt, herunder pletter af hjertemuskel, der er i stand til at slå, hudpletter, segmenter af blodkar og knæbrusk. Disse er endnu ikke blevet implanteret i mennesker. I 2017 præsenterede forskere dog en prototype af en printer, der kan skabe menneskelig hud til implantation, og i 2018 trykte andre forskere hornhinder i en proces, der en dag kan bruges til at reparere øjenskader.

Nogle håbefulde opdagelser blev rapporteret i 2016. Et team af forskere implanterede tre typer bioprintede strukturer under musens hud. Disse omfattede en pinna i mennesket i babystørrelse, et stykke muskel og en sektion af menneskelig kæbeben. Blodkar fra omgivelserne strakte sig ind i alle disse strukturer, mens de var i musenes kroppe. Dette var en spændende udvikling, da en blodforsyning er nødvendig for at holde væv i live. Blodet fører næringsstoffer til levende væv og fjerner deres affald.

Det var også spændende at bemærke, at de implanterede strukturer var i stand til at holde sig i live, indtil blodkarrene havde udviklet sig. Denne bedrift blev opnået ved eksistensen af ​​små porer i de strukturer, der tillod næringsstoffer at komme ind i dem.

Udskrivning af dele af hjertet

Oprettelse af en hornhinde

Forskere ved Newcastle University i Storbritannien har skabt 3D-trykte hornhinder. Hornhinden er den gennemsigtige, yderste dækning af vores øjne. Alvorlig skade på dette betræk kan forårsage blindhed. En hornhindetransplantation løser ofte problemet, men der er ikke nok hornhinder til rådighed til at hjælpe alle, der har brug for dem.

Forskerne opnåede stamceller fra en sund human hornhinde. Cellerne blev derefter anbragt i en gel fremstillet af alginat og kollagen. Gelen beskyttede cellerne, da de vandrede gennem printerens enkelt dyse. Mindre end ti minutter var nødvendige for at udskrive gelen og cellerne i den rigtige form. Formen blev opnået ved at scanne en persons øje. (I en medicinsk situation ville patientens øje blive scannet.) Når gel- og celleblandingen var trykt, producerede stamcellerne en komplet hornhinde.

Hornhinderne fremstillet ved trykningsprocessen er endnu ikke implanteret i menneskelige øjne. Det vil sandsynligvis tage et stykke tid, før de er det. De har dog potentialet til at hjælpe mange mennesker.

At stimulere stamceller til at producere de specialiserede celler, der kræves for at udgøre en bestemt del af menneskekroppen på det rigtige tidspunkt, er en udfordring i sig selv. Det er dog en proces, der kan have vidunderlige fordele for os.

Fordele ved mini-organer, organoider eller organer på en chip

Forskere har været i stand til at skabe mini-organer ved 3D-udskrivning (og ved andre metoder). "Miniorganer" er miniatureversioner af organer, sektioner af organer eller pletter af væv fra specifikke organer. De omtales med forskellige navne ud over udtrykket miniorgel. De trykte kreationer indeholder muligvis ikke alle typer strukturer, der findes i orgelet i fuld størrelse, men de er gode tilnærmelser. Forskning viser, at de kunne have vigtige anvendelser, selvom de ikke kan implanteres.

Miniorganer produceres ikke altid fra celler leveret af en tilfældig donor. I stedet er de ofte lavet af cellerne hos en person, der har en sygdom. Forskere kan kontrollere virkningen af ​​medicin på mini-organet. Hvis et stof viser sig at være nyttigt og ikke skadeligt, kan det gives til patienten. Der er flere fordele ved denne proces. Den ene er, at en medicin, der sandsynligvis vil være gavnlig for patientens specifikke version af en sygdom og for deres specifikke genom, kan bruges, hvilket øger sandsynligheden for en vellykket behandling. En anden er, at læger muligvis kan få et usædvanligt eller normalt dyrt lægemiddel til en patient, hvis de kan demonstrere, at stoffet sandsynligvis vil være effektivt. Derudover kan test af lægemidler på mini-organer reducere behovet for forsøgsdyr.

En struktur, der efterligner lungerne

I 2019 demonstrerede forskere ved Rice University og University of Washington deres oprettelse af et mini-organ, der efterligner en menneskelig lunge i aktion. Mini-lungen er lavet af en hydrogel. Den indeholder en lille lungelignende struktur, der er fyldt med luft med jævne mellemrum. Et netværk af kar, der er fyldt med blod, omgiver strukturen.

Når den stimuleres, udvides den simulerede lunge og dens kar rytmisk uden at gå i stykker. Videoen viser, hvordan strukturen fungerer. Selvom organoiden ikke er i fuld størrelse og ikke efterligner alle væv i en menneskelig lunge, er dens evne til at bevæge sig som en lunge en meget vigtig udvikling.

Nogle udfordringer for bioprinting

At skabe et organ, der er egnet til implantation, er en vanskelig opgave. Et organ er en kompleks struktur, der indeholder forskellige celletyper og væv arrangeret i et specifikt mønster. Når organer udvikler sig under embryonal udvikling, modtager de desuden kemiske signaler, der gør det muligt for deres fine struktur og indviklede opførsel at udvikle sig korrekt. Disse signaler mangler, når vi prøver at skabe et organ kunstigt.

Nogle forskere tror, ​​at vi i starten - og måske i et stykke tid fremover - vil udskrive implanterbare strukturer, der kan udføre en enkelt funktion af et organ i stedet for alle dets funktioner. Disse enklere strukturer kan være meget nyttige, hvis de kompenserer for en alvorlig defekt i kroppen.

Selvom det sandsynligvis går år, før bioprintede organer er tilgængelige for implantater, kan vi godt se nye fordele ved teknologien inden da. Forskningstakten synes at være stigende. Fremtiden for 3D-udskrivning i forhold til medicin skal være meget interessant såvel som spændende.

Referencer

• Et kunstigt øre skabt af en 3D-printer og levende bruskceller fra Smithsonian Magazine.
• Transplantationskæbe lavet af en 3D-printer fra BBC (British Broadcasting Corporation)
• Farverige 3D-trykte hænder fra American Society of Mechanical Engineers
• Bioprinter skaber skræddersyede laboratoriedyrede kropsdele til transplantation fra The Guardian
• Første 3D-trykte menneskelige hornhinde fra EurekAlert nyhedstjenesten
• 3D-printer fremstiller mindste menneskelige lever nogensinde fra New Scientist
• Mini 3D-trykte organer efterligner bankende hjerte og lever fra New Scientist
• Et organ, der efterligner lungerne fra Popular Mechanics
• Ny 3D-printer fremstiller øre-, muskel- og knoglevæv i livsstil fra levende celler fra Science Alert
• 3-D bioprinter til udskrivning af menneskelig hud fra phys.org nye service

Denne artikel er nøjagtig og sand efter bedste forfatterens viden. Indholdet er kun til informations- eller underholdningsformål og erstatter ikke personlig rådgivning eller professionel rådgivning i forretningsmæssige, økonomiske, juridiske eller tekniske forhold.