3D-tulostimet lääketieteessä: jännittäviä käyttötarkoituksia ja mahdollisia sovelluksia

Sisältö

• Lääketieteen muuttaminen 3D-tulostimilla
• Kuinka 3D-tulostin toimii?
• Korvan tekeminen
• Ero muotin ja telineen välillä
• Painettujen korvien mahdolliset edut
• Alaleuan tulostaminen
• Proteesit ja implantoitavat tuotteet
• Lisää esimerkkejä
• Biopainatus elävillä soluilla: mahdollinen tulevaisuus
• Urkujen ja kudosten korvaaminen
• Joitakin biopainatuksen onnistumisia
• Sydämen osien tulostaminen
• Sarveiskalvon luominen
• Pienelinten, organoidien tai sirulla olevien etujen edut
• Rakenne, joka jäljittelee keuhkoja
• Joitakin biopainatuksen haasteita
• Viitteet

Linda Crampton opetti luonnontieteitä ja tietotekniikkaa lukiolaisille vuosien ajan. Hän nauttii uuden tekniikan oppimisesta.

Lääketieteen muuttaminen 3D-tulostimilla

3D-tulostus on jännittävä osa tekniikkaa, jolla on monia hyödyllisiä sovelluksia. Yksi kiehtova ja mahdollisesti erittäin tärkeä 3D-tulostimien sovellus on lääketieteessä käytettävien materiaalien luominen. Näitä materiaaleja ovat implantoitavat lääkinnälliset laitteet, keinotekoiset ruumiinosat tai proteesit ja räätälöidyt lääkinnälliset instrumentit. Ne sisältävät myös painettuja laastareita elävistä ihmiskudoksista sekä minielimiä. Tulevaisuudessa implantoitavia elimiä voidaan tulostaa.

3D-tulostimilla on mahdollisuus tulostaa kiinteitä, kolmiulotteisia esineitä tietokoneen muistiin tallennetun digitaalisen mallin perusteella. Yleinen tulostusmateriaali on nestemäinen muovi, joka jähmettyy tulostuksen jälkeen, mutta muita materiaaleja on saatavana. Näitä ovat metallijauhe ja eläviä soluja sisältävät "musteet".

Tulostimien kyky tuottaa ihmiskehon kanssa yhteensopivia materiaaleja paranee nopeasti. Joitakin materiaaleja käytetään jo lääketieteessä, kun taas toiset ovat vielä kokeiluvaiheessa. Monet tutkijat ovat mukana tutkimuksessa. 3D-tulostuksella on houkutteleva potentiaali muuttaa lääketieteellistä hoitoa.

Kuinka 3D-tulostin toimii?

Ensimmäinen vaihe kolmiulotteisen objektin luomisessa tulostimella on objektin suunnittelu. Tämä tehdään CAD (Computer-Aided Design) -ohjelmassa. Kun suunnittelu on valmis, toinen ohjelma luo ohjeet objektin tuottamiseksi kerroksittain. Tätä toista ohjelmaa kutsutaan joskus viipalointiohjelmaksi tai viipalointiohjelmaksi, koska se muuntaa koko objektin CAD-koodin viipaleiden tai vaakasuorien kerrosten sarjaksi. Kerrosten lukumäärä voi olla satoja tai jopa tuhansia.

Tulostin luo objektin sijoittamalla materiaalikerrokset leikkausohjelman ohjeiden mukaan aloittaen kohteen alareunasta ylöspäin. Peräkkäiset kerrokset sulautuvat yhteen. Prosessia kutsutaan lisäaineiden valmistukseksi.

Muovifilamenttia käytetään usein väliaineena 3D-tulostuksessa, erityisesti kuluttajakeskeisissä tulostimissa. Tulostin sulattaa hehkulangan ja puristaa sitten kuuman muovin suuttimen läpi. Suutin liikkuu kaikissa ulottuvuuksissa vapauttaessaan nestemäisen muovin esineen luomiseksi. Suuttimen liikettä ja suulakepuristettua muovimäärää ohjataan viipaleohjelmalla. Kuuma muovi jähmettyy melkein heti sen jälkeen, kun se on irrotettu suuttimesta. Muita tulostusmateriaaleja on saatavana erityistarkoituksiin.

Korvan osa, joka on näkyvissä kehon ulkopuolelta, tunnetaan nimellä pinna tai auricle. Loput korva sijaitsee kallossa. Pinnan tehtävänä on kerätä ääniaaltoja ja lähettää ne korvan seuraavaan osaan.

Korvan tekeminen

Helmikuussa 2013 Yhdysvaltain Cornellin yliopiston tutkijat ilmoittivat voivansa tehdä korvanapan 3D-tulostuksen avulla. Cornellin tutkijoiden vaiheet olivat seuraavat.

• Korvamalli luotiin CAD-ohjelmassa. Tutkijat käyttivät valokuvia todellisista korvista tämän mallin perustana.
• Korvamalli tulostettiin 3D-tulostimella muovilla korvan muotoisen muotin luomiseksi.
• Kollageeniksi kutsuttuja proteiineja sisältävä hydrogeeli laitettiin muotin sisään. Hydrogeeli on geeli, joka sisältää vettä.
• Kondrosyytit (rustoa tuottavat solut) saatiin lehmän korvasta ja lisättiin kollageeniin.
• Kollageenikorva asetettiin ravintoliuokseen laboratorioastialla. Korvan ollessa liuoksessa osa kondrosyyteistä korvasi kollageenin.
• Korva istutettiin sitten rotan takaosaan ihon alle.
• Kolmen kuukauden kuluttua korvan kollageeni oli täysin korvattu rustolla ja korva oli säilyttänyt muodonsa ja erotuksen ympäröivistä rotan soluista.

Ero muotin ja telineen välillä

Edellä kuvatussa korvanluontiprosessissa muovinen korva oli inertti muotti. Sen ainoa tehtävä oli tarjota oikea muoto korvalle. Kollageenikorva, joka muodostui muotin sisälle, toimi rungosoluina. Kudostekniikassa teline on biologisesti yhteensopiva materiaali, jolla on tietty muoto ja jossa solut kasvavat. Telineellä ei ole vain oikea muoto, vaan sillä on myös ominaisuuksia, jotka tukevat solujen elämää.

Alkuperäisen korvanluontiprosessin jälkeen Cornellin tutkijat ovat löytäneet tavan tulostaa kollageenitelineet oikeanmuotoisella korvalla, mikä poistaa muovimuotin tarpeen.

Painettujen korvien mahdolliset edut

Tulostimien avulla tehdyt korvat voivat olla hyödyllisiä ihmisille, jotka ovat menettäneet oman korvansa loukkaantumisen tai sairauden takia. He voivat myös auttaa ihmisiä, jotka ovat syntyneet ilman korvia tai joilla on sellaisia, jotka eivät ole kehittyneet kunnolla.

Tällä hetkellä korva-korvat tehdään joskus potilaan kylkiluiden rustosta. Ruston saaminen on potilaalle epämiellyttävä kokemus ja voi vahingoittaa kylkiluita. Lisäksi syntynyt korva ei välttämättä näytä kovin luonnolliselta. Korvat valmistetaan myös keinotekoisesta materiaalista, mutta jälleen kerran tulos ei ehkä ole täysin tyydyttävä. Painetut korvat voivat näyttää enemmän luonnollisilta korville ja työskennellä tehokkaammin.

Maaliskuussa 2013 yritys nimeltä Oxford Performance Materials ilmoitti, että he olivat korvanneet 75% miehen kallosta painetulla polymeerikallolla. 3D-tulostimia käytetään myös terveydenhuollon laitteiden, kuten raajojen proteesien, kuulolaitteiden ja hammasimplanttien valmistamiseen.

Alaleuan tulostaminen

Helmikuussa 2012 hollantilaiset tutkijat kertoivat luoneensa 3D-tulostimella keinotekoisen alaleuan ja istuttaneet sen 83-vuotiaan naisen kasvoihin. Leuka valmistettiin titaanimetallijauhekerroksista, jotka oli sulatettu lämpöön ja peitettiin biokeraamisella pinnoitteella. Biokeraamiset materiaalit ovat yhteensopivia ihmiskudoksen kanssa.

Nainen sai keinotekoisen leuan, koska hänen omassa alaleuassaan oli krooninen luuinfektio. Lääkäreiden mielestä perinteinen kasvojen jälleenrakennusleikkaus oli naiselle liian riskialtista hänen ikänsä vuoksi.

Leuassa oli nivelet, jotta sitä voitiin siirtää, samoin ontelot lihasten kiinnittämiseen ja urat verisuonille ja hermoille. Nainen pystyi sanomaan muutaman sanan heti, kun hän heräsi anestesiasta. Seuraavana päivänä hän pystyi nielemään. Hän meni kotiin neljän päivän kuluttua. Väärät hampaat oli tarkoitus istuttaa leuaan myöhemmin.

Painettuja rakenteita käytetään myös lääketieteellisessä koulutuksessa ja leikkausta edeltävässä suunnittelussa. Potilaan lääketieteellisestä skannauksesta luotu kolmiulotteinen malli voi olla erittäin hyödyllinen kirurgille, koska se voi osoittaa potilaan kehon erityiset olosuhteet. Tämä voi yksinkertaistaa monimutkaista leikkausta.

Proteesit ja implantoitavat tuotteet

Edellä kuvattu metallileuka on eräänlainen proteesi tai keinotekoinen ruumiinosa. Proteesien tuotanto on alue, jolla 3D-tulostimet ovat tärkeässä asemassa. Joillakin sairaaloilla on nyt omat tulostimet tai ne työskentelevät yhteistyössä tulostinta käyttävän lääketieteen alan yrityksen kanssa.

Proteesin luominen 3D-tulostuksella on usein nopeampi ja halvempi prosessi kuin luominen tavanomaisilla valmistusmenetelmillä. Lisäksi on helpompaa luoda räätälöity sovitus potilaalle, kun laite on erityisesti suunniteltu ja painettu henkilölle. Sairaalan skannauksia voidaan käyttää räätälöityjen laitteiden luomiseen.

Vaihtoraajat tulostetaan nykyään usein 3D-muodossa, ainakin joissakin osissa maailmaa. Painetut käsivarret ja kädet ovat usein huomattavasti halvempia kuin tavanomaisilla menetelmillä valmistetut. Yksi 3D-tulostusyritys tekee yhteistyötä Walt Disneyn kanssa värikkäiden ja hauskojen proteettisten käsien luomiseksi lapsille. Sen lisäksi, että luodaan halvempi ja edullisempi tuote, aloitteen tavoitteena on "auttaa lapsia näkemään proteesinsa jännityksen lähteenä eikä hämmennyksen tai rajoituksen sijasta".

Lisää esimerkkejä

• Vuoden 2015 lopulla painetut nikamat sijoitettiin onnistuneesti potilaaseen. Potilaat ovat saaneet myös painetun rintalastan ja rintakehän.
• 3D-tulostusta käytetään parannettujen hammasimplanttien valmistamiseen.
• Korvaavat lonkkanivelet tulostetaan usein.
• Katetrit, jotka sopivat potilaan kehon tietyn koon ja muodon kanssa, voivat pian olla yleisiä.
• 3D-tulostus on usein mukana kuulolaitteiden valmistuksessa.

Biopainatus elävillä soluilla: mahdollinen tulevaisuus

Tulostus elävillä soluilla tai biotulostus tapahtuu tänään. Se on herkkä prosessi. Solut eivät saa tulla liian kuumiksi. Useimpiin 3D-tulostusmenetelmiin liittyy korkea lämpötila, joka tappaisi solut. Lisäksi solujen kantoaine ei saa vahingoittaa niitä. Nestettä ja sen sisältämiä soluja kutsutaan biomusteeksi (tai bioinkiksi).

Urkujen ja kudosten korvaaminen

Vaurioituneiden elinten korvaaminen 3D-tulostimilla valmistetuilla elimillä olisi hieno vallankumous lääketieteessä. Tällä hetkellä ei ole tarpeeksi lahjoitettuja elimiä kaikille niitä tarvitseville.

Suunnitelmana on ottaa solut potilaan omasta kehosta tarvitsemansa elimen tulostamiseksi. Tämän prosessin tulisi estää elinten hylkääminen. Solut olisivat todennäköisesti kantasoluja, jotka ovat erikoistumattomia soluja, jotka pystyvät tuottamaan muita solutyyppejä, kun niitä stimuloidaan oikein. Tulostin sijoittaa eri solutyypit oikeassa järjestyksessä. Tutkijat havaitsevat, että ainakin joillakin ihmissoluilla on hämmästyttävä kyky itseorganisoitua, kun ne talletetaan, mikä olisi erittäin hyödyllistä elimen luomisprosessissa.

Erityistä 3D-tulostinta, joka tunnetaan biotulostimena, käytetään elävän kudoksen valmistamiseen. Tavallisessa kudoksen valmistusmenetelmässä yhdestä tulostuspäästä tulostetaan hydrogeeli telineen muodostamiseksi. Pienet nestepisarat, joista kukin sisältää tuhansia soluja, tulostetaan telineeseen toisesta tulostuspäästä. Pisarat yhdistyvät pian ja solut kiinnittyvät toisiinsa. Kun haluttu rakenne on muodostunut, hydrogeeliteline poistetaan.Se voidaan irrottaa tai se voidaan pestä pois, jos se on vesiliukoinen. Biohajoavia telineitä voidaan myös käyttää. Nämä hajoavat vähitellen elävän ruumiin sisällä.

Lääketieteessä elinsiirto on elimen tai kudoksen siirtyminen luovuttajalta vastaanottajalle. Implantaatti on keinotekoisen laitteen asettaminen potilaan kehoon. 3D-biopainatus jää näiden kahden ääripään väliin. Sekä "elinsiirtoa" että "implanttia" käytetään viitattaessa biotulostimen tuottamiin esineisiin.

Joitakin biopainatuksen onnistumisia

3D-tulostimien luomia elottomia implantteja ja proteetteja käytetään jo ihmisillä. Eläviä soluja sisältävien implanttien käyttö vaatii enemmän tutkimusta, jota tehdään. Kokonaisia ​​urkuja ei voida vielä tehdä 3D-tulostuksella, mutta urkujen osia. On painettu monia erilaisia ​​rakenteita, mukaan lukien sydänlihakset, jotka kykenevät lyömään, iholaastarit, verisuonten segmentit ja polven rusto. Näitä ei ole vielä istutettu ihmisiin. Vuonna 2017 tutkijat esittivät prototyypin tulostimesta, joka voi luoda ihmisen ihon istutettavaksi, ja vuonna 2018 muut tutkijat tulostivat sarveiskalvoja prosessissa, jota voidaan jonain päivänä käyttää silmävaurioiden korjaamiseen.

Joitakin toiveikkaita löytöjä raportoitiin vuonna 2016. Tutkijaryhmä istutti kolmen tyyppisiä biopainettuja rakenteita hiirien ihon alle. Näihin kuului vauvan kokoinen ihmisen korvakoru, pala lihaksia ja osa ihmisen leukaluuta. Ympäristön verisuonet ulottuvat kaikkiin näihin rakenteisiin, kun ne olivat hiirten ruumiissa. Tämä oli jännittävä kehitys, koska verenkierto on välttämätöntä kudosten elossa pitämiseksi. Veri kuljettaa ravintoaineita eläviin kudoksiin ja poistaa niiden jätteet.

Oli myös jännittävää huomata, että istutetut rakenteet pystyivät pysymään hengissä, kunnes verisuonet olivat kehittyneet. Tämä saavutus saavutettiin pienillä huokosilla rakenteissa, jotka sallivat ravinteiden pääsyn niihin.

Sydämen osien tulostaminen

Sarveiskalvon luominen

Ison-Britannian Newcastlen yliopiston tutkijat ovat luoneet 3D-tulostettuja sarveiskalvoja. Sarveiskalvo on silmiemme läpinäkyvä, uloin peite. Tämän päällyksen vakava vaurio voi aiheuttaa sokeutta. Sarveiskalvonsiirto ratkaisee ongelman usein, mutta sarveiskalvoja ei ole käytettävissä tarpeeksi kaikkien niitä tarvitsevien auttamiseksi.

Tutkijat saivat kantasolut terveestä ihmisen sarveiskalvosta. Solut pantiin sitten alginaatista ja kollageenista valmistettuun geeliin. Geeli suojasi soluja niiden kulkiessa tulostimen yhden suuttimen läpi. Alle kymmenen minuuttia kului geelin ja solujen oikeaan muotoon tulostamiseen. Muoto saatiin skannaamalla henkilön silmä. (Lääketieteellisessä tilanteessa potilaan silmä skannattaisiin.) Kun geeli- ja soluseos oli painettu, kantasolut tuottivat täydellisen sarveiskalvon.

Painoprosessilla valmistettuja sarveiskalvoja ei ole vielä istutettu ihmisen silmiin. Luultavasti kestää jonkin aikaa ennen kuin he ovat. Heillä on kuitenkin potentiaalia auttaa monia ihmisiä.

Kantasolujen stimuloiminen tuottamaan erikoistuneita soluja, joita tarvitaan tietyn osan muodostamiseksi ihmiskehosta oikeaan aikaan, on itsessään haaste. Se on prosessi, jolla voi kuitenkin olla upeita etuja meille.

Pienelinten, organoidien tai sirulla olevien etujen edut

Tutkijat ovat pystyneet luomaan mini-urkuja 3D-tulostuksella (ja muilla menetelmillä). "Mini-elimet" ovat miniatyyriversioita elimistä, elinleikkeistä tai kudoslaastareista tietyistä elimistä. Niihin viitataan useilla nimillä termin mini-elin lisäksi. Painetut luomukset eivät välttämättä sisällä kaikkia täysikokoisissa uruissa olevia rakenteita, mutta ne ovat hyviä likiarvoja. Tutkimukset osoittavat, että heillä voi olla tärkeitä käyttötarkoituksia, vaikka ne eivät ole implantoitavia.

Minielimiä ei aina tuoteta satunnaisen luovuttajan toimittamista soluista. Sen sijaan ne valmistetaan usein sellaisen henkilön soluista, jolla on sairaus. Tutkijat voivat tarkistaa lääkkeiden vaikutukset minielimeen. Jos huumeesta havaitaan olevan hyötyä eikä haittaa, se voidaan antaa potilaalle. Tällä prosessilla on useita etuja. Yksi on se, että voidaan käyttää lääkitystä, joka todennäköisesti on hyödyllistä potilaan tietylle taudiversiolle ja hänen erityiselle genomilleen, mikä lisää onnistuneen hoidon todennäköisyyttä. Toinen on se, että lääkärit saattavat pystyä hankkimaan potilaalle epätavallisen tai normaalisti kalliimman lääkkeen, jos he voivat osoittaa, että lääke on todennäköisesti tehokas. Lisäksi huumeiden testaaminen minielimillä voi vähentää laboratorioeläinten tarvetta.

Rakenne, joka jäljittelee keuhkoja

Vuonna 2019 Rice-yliopiston ja Washingtonin yliopiston tutkijat osoittivat luomansa miniorgan, joka jäljittelee ihmisen keuhkoja toiminnassa. Mini-keuhko on valmistettu hydrogeelistä. Se sisältää pienen keuhkomaisen rakenteen, joka on täynnä ilmaa säännöllisin väliajoin. Verellä täytetty verisuoniverkko ympäröi rakennetta.

Stimuloituna simuloitu keuhko ja sen suonet laajenevat ja supistuvat rytmisesti rikkomatta. Video näyttää kuinka rakenne toimii. Vaikka organoidi ei ole täysikokoinen eikä jäljittele kaikkia ihmisen keuhkojen kudoksia, sen kyky liikkua kuin keuhko on erittäin tärkeä kehitys.

Joitakin biopainatuksen haasteita

Istuttamiseen soveltuvan elimen luominen on vaikea tehtävä. Elin on monimutkainen rakenne, joka sisältää erilaisia ​​solutyyppejä ja kudoksia järjestettynä tiettyyn kuvioon. Lisäksi kun elimet kehittyvät alkionkehityksen aikana, ne saavat kemiallisia signaaleja, jotka mahdollistavat niiden hienon rakenteen ja monimutkaisen käyttäytymisen kehittymisen kunnolla. Tätä signaalia puuttuu, kun yritämme luoda elintä keinotekoisesti.

Jotkut tutkijat ajattelevat, että aluksi - ja ehkä vielä jonkin aikaa eteenpäin - tulostamme implantoitavia rakenteita, jotka voivat suorittaa yhden elimen toiminnon kaikkien sen toimintojen sijaan. Nämä yksinkertaisemmat rakenteet voivat olla erittäin hyödyllisiä, jos ne kompensoivat kehossa olevan vakavan vian.

Vaikka on todennäköisesti vuosia, ennen kuin biopainettuja elimiä on saatavana implantteihin, voimme hyvinkin nähdä tekniikan uusia etuja ennen sitä. Tutkimusvauhti näyttää kasvavan. 3D-tulostuksen tulevaisuuden suhteessa lääketieteeseen pitäisi olla sekä mielenkiintoinen että jännittävä.

Viitteet

• 3D-tulostimen ja Smithsonian-lehden elävien rustosolujen luoma keinotekoinen korva.
• Siirtoleuka, jonka on valmistanut 3D-tulostin BBC: ltä (British Broadcasting Corporation)
• Värikkäät 3D-painetut kädet American Society of Mechanical Engineersiltä
• Biotulostin luo The Guardianilta räätälöityjä laboratoriossa kasvatettuja elinosia elinsiirtoa varten
• Ensimmäinen 3D-tulostettu ihmisen sarveiskalvo EurekAlert-uutispalvelusta
• 3D-tulostin tekee pienimmän ihmisen maksan koskaan uudesta tiedemiehestä
• Mini 3D-tulostetut elimet jäljittelevät New Scientistin sydämen ja maksan lyöntiä
• Elin, joka jäljittelee Popular Mechanicsin keuhkoja
• Uusi 3D-tulostin tekee elokokoisista korvan, lihaksen ja luukudoksen Science Alertin elävistä soluista
• Kolmiulotteinen biotulostin ihmisen ihon tulostamiseen uudesta phys.org-palvelusta

Tämä artikkeli on kirjoittajan parhaiden tietojen mukaan tarkka ja todenmukainen. Sisältö on tarkoitettu vain tiedotus- tai ajanvietetarkoituksiin, eikä se korvaa henkilökohtaista tai ammatillista neuvontaa liike-, rahoitus-, laki- tai teknisissä asioissa.