Tartalom
- Az orvoslás átalakítása 3D nyomtatókkal
- Hogyan működik a 3D nyomtató?
- Fül készítése
- Különbség a penész és az állvány között
- A nyomtatott fülek lehetséges előnyei
- Alsó állkapocs nyomtatása
- Protézisek és beültethető tárgyak
- További példák
- Bioprinting élő sejtekkel: lehetséges jövő
- Szerv- és szövetpótlás
- Néhány biológiai nyomtatási siker
- A szív alkatrészeinek nyomtatása
- Szaruhártya létrehozása
- A mini szervek, organoidok vagy a chipen található szervek előnyei
- A tüdőt utánzó szerkezet
- A biológiai nyomtatás néhány kihívása
- Hivatkozások
Linda Crampton sok éven át tanította a természettudományt és az informatikát középiskolásoknak. Szívesen tanul az új technológiáról.
Az orvoslás átalakítása 3D nyomtatókkal
A 3D nyomtatás a technológia izgalmas aspektusa, amely számos hasznos alkalmazással rendelkezik. A 3D nyomtatók egyik lenyűgöző és potenciálisan nagyon fontos alkalmazása az orvostudományban felhasználható anyagok létrehozása. Ezek az anyagok magukba foglalják a beültethető orvostechnikai eszközöket, a mesterséges testrészeket vagy a protetikákat, valamint a testre szabott orvosi műszereket. Tartalmaznak nyomtatott emberi élő szövetfoltokat, valamint mini szerveket is. A jövőben implantálható szerveket nyomtathatnak ki.
A 3D nyomtatók képesek szilárd, háromdimenziós objektumok nyomtatására a számítógép memóriájában tárolt digitális modell alapján. Gyakori nyomtatási közeg a folyékony műanyag, amely a nyomtatás után megszilárdul, de más hordozók is rendelkezésre állnak. Ide tartoznak a fémpor és az élő sejteket tartalmazó "tinták".
Gyorsan javul a nyomtatók képessége az emberi testtel kompatibilis anyagok előállítására. Az anyagok egy részét már használják az orvostudományban, míg mások még kísérleti stádiumban vannak. Számos kutató vesz részt a vizsgálatban. A 3D nyomtatás megkínálja az orvosi kezelés átalakítását.
Hogyan működik a 3D nyomtató?
A háromdimenziós objektum nyomtató általi létrehozásának első lépése az objektum megtervezése. Ez egy CAD (Computer-Aided Design) programban történik. A tervezés befejezése után egy másik program utasításokat készít az objektum rétegek sorozatának előállítására. Ezt a második programot néha szeletelő programnak vagy szeletelő szoftvernek is nevezik, mivel a teljes objektum CAD kódját szeletek vagy vízszintes rétegek sorozatává alakítja. A rétegek százai vagy akár ezrei lehetnek.
A nyomtató úgy hozza létre az objektumot, hogy az anyagrétegeket a szeletelőprogram utasításainak megfelelően rakja le, az objektum aljától kezdve és felfelé haladva. Az egymást követő rétegek összeolvadnak. A folyamatot adalékanyag-gyártásnak nevezik.
A műanyag szálakat gyakran használják 3D nyomtatáshoz, különösen a fogyasztóorientált nyomtatóknál. A nyomtató megolvasztja az izzószálat, majd egy fúvókán keresztül forró műanyagot sajtol ki. A fúvóka minden dimenzióban mozog, miközben felszabadítja a folyékony műanyagot egy tárgy létrehozása érdekében. A fúvóka mozgását és az extrudált műanyag mennyiségét a szeletelő program vezérli. A forró műanyag szinte azonnal megszilárdul, miután kiengedte a fúvókáról. Más típusú nyomathordozók speciális célokra állnak rendelkezésre.
A fülnek a test kívülről látható része pinna vagy auricle néven ismert. A fül többi része a koponyában helyezkedik el. A pinna funkciója a hanghullámok összegyűjtése és a fül következő részébe juttatása.
Fül készítése
2013 februárjában az egyesült államokbeli Cornell Egyetem tudósai bejelentették, hogy a fül nyomtatását 3D nyomtatással sikerült elkészíteni. A Cornell-tudósok által követett lépések a következők voltak.
- A fül modelljét egy CAD programban hozták létre. A kutatók a valódi fülek fényképeit használták ennek a modellnek az alapjaként.
- A fülmodellt 3D nyomtatóval nyomtatták ki, műanyag segítségével a fül alakjával formát hoztak létre.
- A penészbe egy kollagén nevű fehérjét tartalmazó hidrogélt helyeztünk. A hidrogél egy gél, amely vizet tartalmaz.
- A teher füléből kondrocitákat (porcot termelő sejtek) nyertünk, és hozzáadtuk a kollagénhez.
- A kollagén fület tápoldatba helyeztük egy laboratóriumi edénybe. Amíg a fül az oldatban volt, a kondrociták egy része a kollagént helyettesítette.
- Ezután a fület egy patkány hátába ültették a bőre alá.
- Három hónap elteltével a fülben lévő kollagént teljesen pótolták a porcok, és a fül megőrizte formáját és megkülönböztetését a környező patkánysejtektől.
Különbség a penész és az állvány között
A fent leírt fülalkotási folyamat során a műanyag fül inert penész volt. Az egyetlen funkciója a fül megfelelő alakjának biztosítása volt. A penész belsejében kialakuló kollagén fül a chondrocyták állványaként működött. A szövettechnikában az állvány egy biokompatibilis anyag, amelynek meghatározott alakja van, és amelyben a sejtek növekednek. Az állvány nemcsak megfelelő alakú, hanem olyan tulajdonságokkal is rendelkezik, amelyek támogatják a sejtek életét.
Amióta az eredeti fülalkotási eljárást elvégezték, a Cornell kutatói megtalálták a módját, hogy a fül készítéséhez szükséges megfelelő formájú kollagén állványt kinyomtassák, megszüntetve ezzel a műanyag penész igényét.
A nyomtatott fülek lehetséges előnyei
A nyomtatók segítségével készült fülek hasznosak lehetnek azok számára, akik sérülés vagy betegség miatt elvesztették saját fülüket. Segíthetnek olyan embereknek is, akik fül nélkül születtek, vagy nem megfelelően fejlődtek.
Jelenleg a pótfüleket néha a beteg bordájának porcaiból készítik. A porc megszerzése kellemetlen élmény a beteg számára, és károsíthatja a bordát. Ezenkívül a kapott fül nem tűnhet túl természetesnek. A fülek szintén mesterséges anyagból készülnek, de az eredmény ismét nem biztos, hogy kielégítő. A nyomtatott fülek képesek jobban hasonlítani a természetes fülekre és hatékonyabban működni.
2013 márciusában az Oxford Performance Materials nevű cég arról számolt be, hogy az ember koponyájának 75% -át nyomtatott polimer koponyával helyettesítették. A 3D nyomtatókat olyan egészségügyi berendezések gyártására is használják, mint a végtagok, hallókészülékek és fogászati implantátumok.
Alsó állkapocs nyomtatása
2012 februárjában holland tudósok arról számoltak be, hogy egy 3D nyomtatóval létrehoztak egy mesterséges alsó állkapcsot, és beültették azt egy 83 éves nő arcába. Az állkapcsot titán fémpor rétegekből készítették, amelyek hővel összeolvadtak, és biokerámia bevonattal borították. A biokerámia anyagok kompatibilisek az emberi szövetekkel.
A nő azért kapta a műpofát, mert krónikus csontfertőzése volt saját alsó állkapcsában. Az orvosok úgy vélték, hogy a hagyományos arcrekonstrukciós műtét kora miatt túl kockázatos a nő számára.
Az állkapocsnak ízületei voltak, hogy mozogni lehessen, valamint üregek voltak az izmok rögzítéséhez, valamint barázdák az erekhez és az idegekhez. A nő tudott mondani néhány szót, amint felébredt az érzéstelenítőtől. Másnap képes volt lenyelni. Négy nap után hazament. A hamis fogakat későbbre tervezték az állkapcsba ültetni.
A nyomtatott szerkezeteket az orvosi képzésben és a műtét előtti tervezésben is használják. A páciens orvosi vizsgálatából létrehozott háromdimenziós modell nagyon hasznos lehet a sebészek számára, mivel megmutatja a beteg testének sajátos körülményeit. Ez egyszerűsítheti a komplex műtétet.
Protézisek és beültethető tárgyak
A fent leírt fém állkapocs protézis vagy mesterséges testrész. A protetika gyártása olyan terület, ahol a 3D nyomtatók egyre fontosabbá válnak. Néhány kórház rendelkezik saját nyomtatóval, vagy együttműködik egy nyomtatóval rendelkező orvosi ellátó céggel.
A protézis 3D nyomtatással történő létrehozása gyakran gyorsabb és olcsóbb folyamat, mint a hagyományos gyártási módszerekkel történő létrehozás. Ezenkívül könnyebb egyedi testreszabást létrehozni a beteg számára, ha egy készüléket kifejezetten a személy számára terveztek és nyomtattak. A kórházi vizsgálatok segítségével testreszabott eszközöket lehet létrehozni.
A pótló végtagokat manapság gyakran 3D-ben nyomtatják, legalábbis a világ egyes részein. A nyomtatott karok és kezek gyakran lényegesen olcsóbbak, mint a hagyományos módszerekkel előállítottak. Az egyik 3D-s nyomtatócég a Walt Disney-vel közösen színes és szórakoztató protézis kezeket készít a gyermekek számára. Az olcsóbb és olcsóbb termék létrehozása mellett a kezdeményezés célja, hogy "segítse a gyerekeket protetikájukban, mint izgalom, nem pedig zavar vagy korlátozás".
További példák
- 2015 végén a nyomtatott csigolyákat sikeresen elhelyezték egy betegben. A betegek kaptak nyomtatott szegycsontot és mellkasi is.
- A 3D nyomtatással továbbfejlesztett fogászati implantátumokat állítanak elő.
- A csípőízületeket gyakran nyomtatják.
- A katéterek, amelyek illeszkednek a beteg testének átjárójának sajátos méretéhez és alakjához, hamarosan gyakoriak lehetnek.
- A 3D nyomtatás gyakran részt vesz a hallókészülékek gyártásában.
Bioprinting élő sejtekkel: lehetséges jövő
Az élő sejtekkel történő nyomtatás vagy bioprintelés ma történik. Kényes folyamat. A cellák nem lehetnek túl forrók. A 3D nyomtatás legtöbb módszere magas hőmérsékletet tartalmaz, ami megöli a sejteket. Ezenkívül a sejtek hordozófolyadékának nem szabad ártaniuk. A benne lévő folyadék és sejtek biotintaként (vagy bioinkként) ismertek.
Szerv- és szövetpótlás
A sérült szervek 3D nyomtatókból készült szervekkel történő cseréje csodálatos forradalmat jelentene az orvostudományban. Jelenleg nincs elég adományozott szerv mindenki számára, akinek szüksége van rájuk.
A terv az, hogy a páciens saját testéből veszi le a sejteket, hogy kinyomtassa a szükséges szervet. Ennek a folyamatnak meg kell akadályoznia a szerv kilökődését. A sejtek valószínűleg őssejtek lennének, amelyek nem szpecializált sejtek, amelyek képesek más sejttípusok előállítására, ha őket megfelelő stimuláció éri. A különböző cellatípusokat a nyomtató a megfelelő sorrendben helyezi el. A kutatók felfedezik, hogy legalább néhány emberi sejtnek elképesztő önszerveződési képessége van, amikor lerakódik, ami nagyon hasznos lenne egy szerv létrehozásának folyamatában.
Az élő szövetek előállításához speciális típusú, bioprinterként ismert 3D nyomtatót használnak. A szövet előállításának egyik általános eljárásában az egyik nyomtatófejből hidrogélt nyomtatnak, hogy állványt képezzenek. Apró, sok ezer cellát tartalmazó folyadékcseppeket nyomtatnak az állványra egy másik nyomtatófejből. A cseppek hamarosan csatlakoznak, és a sejtek egymáshoz kapcsolódnak. Amikor a kívánt szerkezet kialakult, a hidrogél állványt eltávolítjuk.Lehúzható vagy lemosható, ha vízoldható. Biológiailag lebontható állványok is használhatók. Ezek fokozatosan lebomlanak egy élő test belsejében.
Az orvostudományban a transzplantáció egy szerv vagy szövet átadása egy donortól a befogadóig. Az implantátum egy mesterséges eszköz behelyezése a beteg testébe. A 3D bioprint valahol e két véglet közé esik. Mind a "transzplantációt", mind az "implantátumot" használják, amikor a bioprinter által készített tárgyakra utalunk.
Néhány biológiai nyomtatási siker
A 3D nyomtatók által létrehozott nem élő implantátumokat és protetikákat már használják az embereknél. Az élő sejteket tartalmazó implantátumok használata további kutatásokat igényel, amelyeket jelenleg is végeznek. A teljes szerveket még nem lehet 3D-s nyomtatással elkészíteni, a szervek metszeteit azonban igen. Számos különböző szerkezetet nyomtattak ki, beleértve a szívverésre képes foltokat, a bőrfoltokat, az erek szegmenseit és a térd porcát. Ezeket még nem ültették be az emberekbe. 2017-ben a tudósok bemutattak egy olyan nyomtató prototípusát, amely emberi bőrt hozhat létre beültetés céljából, és 2018-ban más tudósok szaruhártyát nyomtattak egy olyan folyamat során, amelyet egy napon fel lehet használni a szem károsodásának helyreállítására.
Néhány reményteli felfedezésről 2016-ban számoltak be. Egy tudóscsoport háromféle biográfiai szerkezetet ültetett be az egerek bőre alá. Ezek közé tartozott egy csecsemő méretű emberi fülcsúcs, egy darab izom és egy része az emberi állkapocs csontjának. A környező erek kiterjedtek ezekre a szerkezetekre, miközben az egerek testében voltak. Ez izgalmas fejlemény volt, mivel vérellátásra van szükség a szövetek életben tartásához. A vér tápanyagokat juttat az élő szövetekbe, és elszállítja azok hulladékát.
Izgalmas volt megjegyezni azt is, hogy a beültetett struktúrák életben tudtak maradni, amíg az erek ki nem fejlődtek. Ezt a bravúrt úgy valósították meg, hogy apró pórusok voltak a szerkezetekben, amelyek lehetővé tették a tápanyagok belépését.
A szív alkatrészeinek nyomtatása
Szaruhártya létrehozása
Az Egyesült Királyság Newcastle Egyetemének tudósai 3D nyomtatott szaruhártyákat készítettek. A szaruhártya szemünk átlátszó, legkülső borítása. A burkolat súlyos károsodása vakságot okozhat. A szaruhártya-transzplantáció gyakran megoldja a problémát, de nincs elegendő szaruhártya ahhoz, hogy mindenkinek segítsen, akinek szüksége van rájuk.
A tudósok egészséges emberi szaruhártyából nyertek őssejteket. A sejteket ezután alginátból és kollagénből készült gélbe helyeztük. A gél megvédte a sejteket, amikor a nyomtató egyetlen fúvókáján keresztül haladtak. Tíz percnél kevesebb idő kellett a gél és a sejtek megfelelő alakú kinyomtatásához. Az alakot az ember szemének pásztázásával kaptuk. (Orvosi helyzetben a beteg szemét átvizsgálják.) A gél- és sejtkeverék kinyomtatása után az őssejtek teljes szaruhártyát hoztak létre.
A nyomtatási eljárással előállított szaruhártyákat még nem ültették be az emberi szemekbe. Valószínűleg időbe telik, mire azok. Lehetségesek azonban sok embernek segítséget nyújtani.
Az őssejtek stimulálása az emberi test egy adott részének megfelelő időben történő előállításához szükséges speciális sejtek előállításához önmagában is kihívást jelent. Ez egy olyan folyamat, amely csodálatos előnyökkel járhat számunkra.
A mini szervek, organoidok vagy a chipen található szervek előnyei
A tudósok képesek voltak mini orgonákat létrehozni 3D nyomtatással (és más módszerekkel). A "mini szervek" a szervek, szervszakaszok vagy meghatározott szervek szövetfoltjainak miniatűr változatai. A mini orgona kifejezés mellett különféle nevekkel emlegetik őket. A kinyomtatott alkotások nem feltétlenül tartalmazzák a teljes méretű orgonában található minden típusú szerkezetet, de jó közelítések. A kutatások azt mutatják, hogy fontos felhasználási lehetőségeik lehetnek, még akkor is, ha nem implantálhatók.
A mini szerveket nem mindig állítják elő véletlenszerű donor által szolgáltatott sejtek. Ehelyett gyakran egy betegségben szenvedő személy sejtjeiből készülnek. A kutatók ellenőrizhetik a gyógyszerek mini szervre gyakorolt hatását. Ha kiderül, hogy egy gyógyszer hasznos és nem káros, akkor a betegnek adható. Ennek a folyamatnak számos előnye van. Az egyik az, hogy olyan gyógyszer alkalmazható, amely valószínűleg előnyös a beteg beteg specifikus változata és sajátos genomja szempontjából, ami növeli a sikeres kezelés valószínűségét. A másik az, hogy az orvosok képesek lehetnek szokatlan vagy általában drága gyógyszerek beszerzésére a beteg számára, ha bizonyítani tudják, hogy a gyógyszer valószínűleg hatékony. Ezenkívül a gyógyszerek mini szerveken történő tesztelése csökkentheti a laboratóriumi állatok szükségességét.
A tüdőt utánzó szerkezet
2019-ben a Rice Egyetem és a Washingtoni Egyetem tudósai bemutatták egy mini szerv létrehozását, amely működés közben utánozza az emberi tüdőt. A mini tüdő hidrogélből készül. Kis tüdőszerű szerkezetet tartalmaz, amelyet rendszeres időközönként levegő tölt meg. Vérrel teli erek hálózata veszi körül a szerkezetet.
Stimulálva a szimulált tüdő és érei ritmikusan tágulnak és összehúzódnak anélkül, hogy elszakadnának. A videó bemutatja a szerkezet működését. Noha az organoid nem teljes méretű és nem utánozza az emberi tüdő összes szövetét, a tüdőként való mozgásának képessége nagyon fontos fejlemény.
A biológiai nyomtatás néhány kihívása
A beültetésre alkalmas szerv létrehozása nehéz feladat. A szerv egy összetett szerkezet, amely különféle sejttípusokat és szöveteket tartalmaz, meghatározott mintázatban. Ezenkívül, amikor a szervek az embrionális fejlődés során fejlődnek, kémiai jeleket kapnak, amelyek lehetővé teszik finom szerkezetük és bonyolult viselkedésük megfelelő fejlődését. Ezek a jelek hiányoznak, amikor megpróbálunk mesterségesen létrehozni egy szervet.
Egyes tudósok úgy gondolják, hogy eleinte - és talán még egy ideig - olyan beültethető struktúrákat fogunk kinyomtatni, amelyek egy szerv egyetlen funkcióját képesek ellátni az összes funkciója helyett. Ezek az egyszerűbb szerkezetek nagyon hasznosak lehetnek, ha kompenzálják a test súlyos hibáját.
Bár valószínűleg évek telnek el, mire a bioprintet tartalmazó szervek rendelkezésre állnak az implantátumok számára, addig is láthatjuk a technológia új előnyeit. Úgy tűnik, hogy a kutatások üteme növekszik. A 3D nyomtatás jövője az orvostudomány vonatkozásában nagyon érdekes és izgalmas is lehet.
Hivatkozások
- 3D nyomtató és élő porcsejtek által létrehozott műfül a Smithsonian Magazine-ból.
- A BBC (British Broadcasting Corporation) 3D nyomtatójával készült transzplantációs állkapocs
- Színes 3D nyomtatott kezek az Amerikai Gépészmérnökök Társaságától
- A Bioprinter létrehozza a The Guardian testre szabott testrészeit transzplantáció céljából
- Az első 3D-nyomtatású emberi szaruhártya az EurekAlert hírszolgálattól
- A 3D nyomtató a legapróbb emberi májat gyártja a New Scientist-től
- A Mini 3D nyomtatott szervek a New Scientist szív- és májverését utánozzák
- A népszerű mechanika tüdejét utánzó szerv
- Az új 3D nyomtató életnagyságú fül-, izom- és csontszöveteket készít a Science Alert élő sejtjeiből
- 3D nyomtató az emberi bőr kinyomtatásához a phys.org új szolgáltatásból
Ez a cikk pontos és a szerző legjobb tudása szerint hű. A tartalom csak tájékoztató vagy szórakoztató célokat szolgál, és nem helyettesíti a személyes vagy üzleti tanácsokat üzleti, pénzügyi, jogi vagy technikai kérdésekben.
