3D-прынтэры ў медыцыне: захапляльнае выкарыстанне і патэнцыяльнае прымяненне

Задаволены

• Пераўтварэнне медыцыны з дапамогай 3D-прынтараў
• Як працуе 3D-прынтэр?
• Стварэнне вуха
• Розніца паміж цвіллю і лёскай
• Патэнцыйныя перавагі друкаваных вушэй
• Друк ніжняй сківіцы
• Пратэзаванне і імплантацыйныя прадметы
• Больш прыкладаў
• Біядрук з жывымі клеткамі: магчымае будучыня
• Замена органа і тканін
• Некаторыя поспехі ў біядрукаванні
• Друк частак сэрца
• Стварэнне рагавіцы
• Перавагі міні-органаў, арганоідаў альбо органаў на чыпе
• Структура, якая імітуе лёгкае
• Некаторыя праблемы біядруку
• Спіс літаратуры

Лінда Крэмптан шмат гадоў выкладала навуку і інфармацыйныя тэхналогіі для старшакласнікаў. Ёй падабаецца даведацца пра новыя тэхналогіі.

Пераўтварэнне медыцыны з дапамогай 3D-прынтараў

3D-друк - гэта захапляльны аспект тэхналогіі, які мае мноства карысных прыкладанняў. Займальным і патэнцыйна вельмі важным ужываннем 3D-прынтараў з'яўляецца стварэнне матэрыялаў, якія можна выкарыстоўваць у медыцыне. Гэтыя матэрыялы ўключаюць у сябе імплантуемыя медыцынскія вырабы, штучныя часткі цела ці пратэзаванне, а таксама медыцынскія інструменты, прызначаныя для індывідуальнага выкарыстання. Яны таксама ўключаюць раздрукаваныя ўчасткі жывой тканіны чалавека, а таксама міні-органы. У будучыні імплантаваныя органы могуць быць надрукаваны.

3D-прынтэры маюць магчымасць друкаваць цвёрдыя трохмерныя аб'екты на аснове лічбавай мадэлі, якая захоўваецца ў памяці кампутара. Звычайным носьбітам друку з'яўляецца вадкі пластык, які застывае пасля друку, але даступныя і іншыя носьбіты. Сюды ўваходзяць металічны парашок і "чарніла", якія змяшчаюць жывыя клеткі.

Магчымасць друкарак вырабляць матэрыялы, сумяшчальныя з чалавечым целам, хутка паляпшаецца. Некаторыя матэрыялы ўжо выкарыстоўваюцца ў медыцыне, а іншыя ўсё яшчэ знаходзяцца на стадыі эксперымента. У расследаванні ўдзельнічаюць шматлікія даследчыкі. 3D-друк мае спакуслівы патэнцыял для пераўтварэння лячэння.

Як працуе 3D-прынтэр?

Першы крок у стварэнні трохмернага аб'екта прынтарам - гэта праектаванне аб'екта. Гэта робіцца ў праграме CAD (Computer-Aided Design). Пасля завяршэння праектавання іншая праграма стварае інструкцыі для стварэння аб'екта ў шэраг слаёў. Гэтая другая праграма часам вядомая як праграма для нарэзкі альбо як праграма для нарэзкі, паколькі яна пераўтварае код САПР для ўсяго аб'екта ў код для серыі зрэзаў альбо гарызантальных слаёў. Пласты могуць налічваць сотні ці нават тысячы.

Прынтэр стварае аб'ект, наносячы пласты матэрыялу ў адпаведнасці з інструкцыямі праграмы слайсер, пачынаючы унізе аб'екта і працуючы ўверх. Паслядоўныя пласты зліваюцца паміж сабой. Працэс называюць вытворчасцю дадаткаў.

Пластыкавыя ніткі часта выкарыстоўваюцца ў якасці асяроддзя для 3D-друку, асабліва ў друкарках, арыентаваных на спажыўцоў. Прынтэр расплаўляе нітку, а затым экструдуе гарачую пластмасу праз сопла. Сопла рухаецца ва ўсіх памерах, выпускаючы вадкі пластык, каб стварыць прадмет. Рух сопла і колькасць экструдаванага пластыка кантралюецца праграмай нарэзкі. Гарачы пластык застывае амаль адразу пасля таго, як выходзіць з сопла. Іншыя тыпы друкаваных носьбітаў даступныя для спецыяльных мэтаў.

Частка вуха, якая бачная звонку цела, вядомая як вушная ракавіна. Астатняя частка вуха знаходзіцца ў чэрапе. Функцыя піны - збіраць гукавыя хвалі і накіроўваць іх у наступны аддзел вуха.

Стварэнне вуха

У лютым 2013 года навукоўцы з Універсітэта Корнела ў ЗША абвясцілі, што змаглі зрабіць вушную кончык пры дапамозе 3D-друку. Крокі, зробленыя навукоўцамі з Корнела, былі наступнымі.

• Мадэль вуха была створана ў праграме САПР. У якасці асновы для гэтай мадэлі даследчыкі выкарысталі фатаграфіі сапраўдных вушэй.
• Мадэль вуха была надрукаваная на 3D-прынтары, выкарыстоўваючы пластык для стварэння формы з формай вуха.
• Унутры формы быў змешчаны гідрагель, які змяшчае бялок, званы калагенам. Гідрагель - гэта гель, які змяшчае ваду.
• Хандрацыты (клеткі, якія вырабляюць храсток), атрымлівалі з вуха каровы і дадавалі ў калаген.
• Калагенавае вуха змясцілі ў пажыўны раствор у лабараторнай посудзе. Пакуль вуха знаходзілася ў растворы, некаторыя хандрацыты замянялі калаген.
• Затым вуха імплантавалі ў спіну пацука пад скуру.
• Праз тры месяцы калаген у вуху быў цалкам заменены храстком, і вуха захавала форму і адрозненне ад навакольных клетак пацукоў.

Розніца паміж цвіллю і лёскай

У апісаным вышэй працэсе стварэння вушэй пластыкавае вуха было інэртнай формай. Яго адзінай функцыяй было забеспячэнне правільнай формы вуха. Вуха калагена, якое ўтварылася ўнутры формы, выконвала ролю лёскі для хандрацытаў. У тканкавай інжынерыі лёска - гэта біялагічна сумяшчальны матэрыял, які мае пэўную форму і ў якім растуць клеткі. Падмостка не толькі мае правільную форму, але і валодае ўласцівасцямі, якія падтрымліваюць жыццё клетак.

Паколькі першапачатковы працэс стварэння вушэй быў праведзены, даследчыкі Cornell знайшлі спосаб надрукаваць калагенавыя ляскі правільнай формы, неабходныя для вырабу вуха, ухіляючы патрабаванне да пластыкавай формы.

Патэнцыйныя перавагі друкаваных вушэй

Вушы, зробленыя пры дапамозе друкарак, могуць спатрэбіцца людзям, якія страцілі ўласныя вушы з-за траўмы альбо хваробы. Яны таксама могуць дапамагчы людзям, якія нарадзіліся без вушэй альбо ў іх не развіліся належным чынам.

На дадзены момант замена вушэй часам вырабляецца з храстка ў рэбры пацыента. Атрыманне храстка непрыемна для пацыента і можа пашкодзіць рэбры. Да таго ж атрыманае вуха можа выглядаць не вельмі натуральна. Вушы таксама зроблены са штучнага матэрыялу, але зноў вынік можа апынуцца не зусім здавальняючым. Друкаваныя вушы могуць выглядаць больш падобна на натуральныя вушы і працаваць больш эфектыўна.

У сакавіку 2013 года кампанія пад назвай Oxford Performance Materials паведаміла, што яны замянілі 75% чэрапа мужчыны на паліграфічны чэрап. 3D-прынтэры таксама выкарыстоўваюцца для вырабу медыцынскіх прыбораў, такіх як пратэзаванне канечнасцяў, слыхавыя апараты і імплантацыя зубоў.

Друк ніжняй сківіцы

У лютым 2012 года галандскія навукоўцы паведамілі, што стварылі штучную ніжнюю сківіцу з дапамогай 3D-прынтара і імплантавалі яе ў твар 83-гадовай жанчыне. Сківіцу зрабілі з пластоў тытанавага металічнага парашка, злітага ў цяпле, і пакрылі біякерамічным пакрыццём. Біякерамічныя матэрыялы сумяшчальныя з тканінамі чалавека.

Жанчына атрымала штучную сківіцу, бо ў яе была хранічная касцяная інфекцыя ва ўласнай ніжняй сківіцы. Лекары палічылі, што традыцыйная аперацыя па рэканструкцыі асобы была занадта рызыкоўнай для жанчыны з-за яе ўзросту.

Сківіца мела суставы, каб можна было рухацца, а таксама паражніны для мацавання цягліц і баразёнкі для сасудаў і нерваў. Жанчына змагла сказаць некалькі слоў, як толькі прачнулася ад наркозу. На наступны дзень яна змагла праглынуць. Праз чатыры дні яна пайшла дадому. Пазней планавалася ўкараніць ілжывыя зубы ў сківіцу.

Друкаваныя структуры таксама выкарыстоўваюцца ў медыцынскай падрыхтоўцы і ў дахірургічным планаванні. Трохмерная мадэль, створаная на аснове медыцынскіх сканаванняў пацыента, можа быць вельмі карыснай для хірургаў, паколькі яна можа паказваць канкрэтныя ўмовы ў арганізме пацыента. Гэта можа спрасціць складаную аперацыю.

Пратэзаванне і імплантацыйныя прадметы

Апісаная вышэй металічная сківіца - гэта тып пратэза, альбо штучная частка цела. Вытворчасць пратэзаў - гэта вобласць, у якой 3D-прынтэры набываюць важнае значэнне. Цяпер некаторыя бальніцы маюць уласныя друкаркі альбо працуюць у супрацоўніцтве з кампаніяй медыцынскага забеспячэння, якая мае прынтэр.

Стварэнне пратэза з дапамогай 3D-друку часта з'яўляецца больш хуткім і танным працэсам, чым стварэнне звычайнымі метадамі вытворчасці. Акрамя таго, лягчэй стварыць індывідуальную форму для пацыента, калі прылада спецыяльна распрацавана і надрукавана для чалавека. Сканаванне ў бальніцы можа быць выкарыстана для стварэння індывідуальных прылад.

Заменныя канечнасці сёння часта друкуюцца 3D, па меншай меры, у некаторых частках свету. Друкаваныя рукі і рукі часта значна таннейшыя, чым тыя, што вырабляюцца звычайнымі метадамі. Адна кампанія па 3D-друку супрацоўнічае з Уолтам Дыснеем над стварэннем маляўнічых і вясёлых пратэзаў рук для дзяцей. У дадатак да стварэння больш таннага прадукту, які з'яўляецца больш даступным па цане, мэта гэтай ініцыятывы "дапамагчы дзецям разглядаць сваё пратэзаванне як крыніца хвалявання, а не збянтэжанасці і абмежаванняў".

Больш прыкладаў

• У канцы 2015 года надрукаваныя пазванкі былі паспяхова змешчаны ў пацыента. Пацыенты таксама атрымалі раздрукаваную грудзіну і грудную клетку.
• 3D-друк выкарыстоўваецца для вытворчасці палепшаных зубных імплантатаў.
• Замяшчальныя тазасцегнавыя суставы часта друкуюць.
• Катэтэры, якія адпавядаюць пэўнаму памеру і форме праходу ў целе пацыента, неўзабаве могуць стаць звычайнай з'явай.
• 3D-друк часта ўдзельнічае ў вытворчасці слыхавых апаратаў.

Біядрук з жывымі клеткамі: магчымае будучыня

Друк на жывых клетках альбо біядрук адбываецца сёння. Гэта далікатны працэс. Клеткі не павінны занадта награвацца. Большасць метадаў 3D-друку звязана з высокай тэмпературай, якая можа забіць клеткі. Акрамя таго, вадкасць-носьбіт для клетак не павінна шкодзіць ім. Вадкасць і клеткі, якія ў ёй утрымліваюцца, вядомыя як бія-чарніла (або біяінк).

Замена органа і тканін

Замена пашкоджаных органаў на органы, вырабленыя з 3D-прынтараў, была б цудоўнай рэвалюцыяй у медыцыне. На дадзены момант недаступна донарскіх органаў для ўсіх, хто ў іх мае патрэбу.

У планах - узяць клеткі з уласнага цела пацыента, каб надрукаваць патрэбны ім орган. Гэты працэс павінен прадухіляць адрыньванне органа. Клеткі, верагодна, будуць ствалавымі клеткамі, якія з'яўляюцца неспецыялізаванымі клеткамі, здольнымі вырабляць іншыя тыпы клетак пры правільнай стымуляцыі. Розныя тыпы ячэек будуць захоўвацца прынтарам у правільным парадку. Даследчыкі выяўляюць, што па меншай меры некаторыя віды чалавечых клетак валодаюць дзівоснай здольнасцю самаарганізоўвацца, калі яны адкладаюцца, што было б вельмі карысна ў працэсе стварэння органа.

Для вырабу жывой тканіны выкарыстоўваецца спецыяльны тып 3D-прынтараў, вядомы як біяпрынтэр. Пры распаўсюджаным спосабе вырабу тканіны гідрагель друкуецца з адной галоўкі друкаркі, каб сфармаваць лёску. Малюсенькія кропелькі вадкасці, кожная з якіх змяшчае шмат тысяч клетак, надрукаваны на рыштаванні з іншай галоўкі друкаркі. Кроплі хутка злучаюцца, і клеткі прымацоўваюцца адна да адной. Калі патрэбная структура сфармуецца, гідрагелевая ляска здымаецца.Яе можна ачысціць ад лупіны альбо змыць, калі яна раствараецца ў вадзе. Таксама могуць выкарыстоўвацца біяраскладальныя рыштаванні. Яны паступова распадаюцца ўнутры жывога цела.

У медыцыне трансплантацыя - гэта перанос органа або тканіны ад донара да рэцыпіента. Імплантат - гэта ўвядзенне штучнага прылады ў арганізм пацыента. 3D-біядрукаванне знаходзіцца дзесьці паміж гэтымі двума крайнасцямі. І "трансплантацыя", і "імплантацыя" выкарыстоўваюцца пры спасылцы на вырабы, вырабленыя біяпрынтарам.

Некаторыя поспехі ў біядрукаванні

Нежывыя імплантаты і пратэзаванне, створаныя 3D-прынтарамі, ужо выкарыстоўваюцца ў людзей. Выкарыстанне імплантатаў, якія змяшчаюць жывыя клеткі, патрабуе дадатковых даследаванняў, якія праводзяцца. Цэлыя органы пакуль нельга зрабіць пры дапамозе 3D-друку, але зрэзы органаў могуць. Было надрукавана мноства розных структур, у тым ліку плямы сардэчнай мышцы, здольныя біцца, скурныя ўчасткі, сегменты сасудаў і храсткі калена. Яны яшчэ не імплантаваны чалавеку. У 2017 годзе навукоўцы прадставілі прататып прынтара, які можа стварыць чалавечую скуру для імплантацыі, аднак у 2018 годзе іншыя навукоўцы надрукавалі рагавіцу ў працэсе, які аднойчы можа быць выкарыстаны для ліквідацыі пашкоджанняў вачэй.

У 2016 годзе паведамлялася пра некалькі абнадзейлівых адкрыццяў. Група навукоўцаў імплантавала пад тып мышэй тры тыпы біядрукаваных структур. Яны ўключалі ў сябе вушную ракавіну чалавечага вуха памерам з дзіця, кавалак мышцы і ўчастак косці сківіцы чалавека. Крывяносныя пасудзіны з навакольнага асяроддзя распаўсюджваліся ва ўсе гэтыя структуры, пакуль яны знаходзіліся ў целах мышэй. Гэта было захапляльнае развіццё падзей, паколькі кроў неабходны для таго, каб падтрымліваць тканіны жывымі. Кроў пераносіць пажыўныя рэчывы ў жывыя тканіны і забірае іх адходы.

Было таксама цікава адзначыць, што імплантаваныя структуры змаглі застацца ў жывых, пакуль крывяносныя пасудзіны не развіліся. Гэты подзвіг быў дасягнуты наяўнасцю драбнюткіх пор у структурах, якія дазвалялі пажыўным рэчывам пранікаць у іх.

Друк частак сэрца

Стварэнне рагавіцы

Навукоўцы з універсітэта Ньюкасла ў Вялікабрытаніі стварылі рагавіцы, надрукаваныя 3D. Рагавіца - гэта празрыстае, самае вонкавае покрыва нашых вачэй. Сур'ёзнае пашкоджанне гэтага пакрыцця можа прывесці да слепаты. Перасадка рагавіцы часта вырашае праблему, але недастаткова даступных рагавіц, каб дапамагчы ўсім, хто ў іх мае патрэбу.

Навукоўцы атрымалі ствалавыя клеткі са здаровай рагавіцы чалавека. Затым клеткі змяшчалі ў гель з альгіната і калагена. Гель абараняў клеткі, праходзячы праз адзінае сопла друкаркі. Каб надрукаваць гель і клеткі ў правільнай форме, спатрэбілася менш за дзесяць хвілін. Форма была атрымана шляхам сканавання вачэй чалавека. (У медыцынскай сітуацыі праводзіцца сканаванне вока пацыента.) Пасля таго, як гель і клеткавая сумесь былі надрукаваны, ствалавыя клеткі ўтварылі поўную рагавіцу.

Рагавіцы, зробленыя ў працэсе друку, яшчэ не імплантаваны ў чалавечыя вочы. Магчыма, пройдзе нейкі час, пакуль яны не з’явяцца. Аднак яны могуць дапамагчы многім.

Стымуляванне ствалавых клетак для атрымання спецыялізаваных клетак, неабходных для стварэння пэўнай часткі чалавечага цела ў патрэбны час, - праблема сама па сабе. Аднак гэты працэс можа прынесці нам цудоўную карысць.

Перавагі міні-органаў, арганоідаў альбо органаў на чыпе

Навукоўцы змаглі стварыць міні-органы з дапамогай 3D-друку (і іншымі метадамі). "Міні-органы" - гэта мініяцюрныя версіі органаў, зрэзаў органаў або плям тканін ад пэўных органаў. У дадатак да тэрміна міні-орган яны называюцца рознымі назвамі. Друкаваныя творы могуць утрымліваць не ўсе тыпы структур, якія сустракаюцца ў поўнапамерным органе, але яны з'яўляюцца добрым набліжэннем. Даследаванні паказваюць, што яны могуць мець важнае прымяненне, нават калі яны не імплантуюцца.

Міні-органы не заўсёды атрымліваюцца з клетак, якія пастаўляюцца выпадковым донарам. Замест гэтага яны часта вырабляюцца з клетак чалавека, які мае захворванне. Даследчыкі могуць праверыць уплыў лекаў на міні-орган. Калі лекавы сродак будзе карысным і не шкодзіць, яго могуць даць пацыенту. У гэтага працэсу ёсць некалькі пераваг. Адзін з іх заключаецца ў тым, што можна выкарыстоўваць лекі, якія могуць быць карыснымі для канкрэтнай версіі захворвання пацыента і для іх канкрэтнага геному, што павялічвае верагоднасць паспяховага лячэння. Іншае заключаецца ў тым, што лекары могуць атрымаць незвычайны альбо звычайна дарагі прэпарат для пацыента, калі змогуць прадэманстраваць, што прэпарат можа быць эфектыўным. Акрамя таго, тэставанне лекаў на міні-органах можа паменшыць патрэбу ў лабараторных жывёлах.

Структура, якая імітуе лёгкае

У 2019 годзе навукоўцы з Універсітэта Райса і Універсітэта Вашынгтона прадэманстравалі стварэнне міні-органа, які імітуе ў дзеянні лёгкае чалавека. Міні-лёгкае зроблена з гідрагеля. Ён змяшчае невялікую лёгкападобную структуру, якая праз роўныя прамежкі часу напаўняецца паветрам. Акружае структуру сетка сасудаў, напоўненых крывёй.

Пры стымуляцыі змадэляванае лёгкае і яго посуд пашыраюцца і рытмічна скарачаюцца, не парушаючыся. Відэа паказвае, як працуе структура. Хоць арганоід не поўнапамерны і не імітуе ўсе тканіны ў лёгкім чалавека, яго здольнасць рухацца, як лёгкае, з'яўляецца вельмі важным развіццём.

Некаторыя праблемы біядруку

Стварэнне органа, прыдатнага для імплантацыі, з'яўляецца складанай задачай. Орган - гэта складаная структура, якая змяшчае розныя тыпы клетак і тканіны, размешчаныя па пэўнай схеме. Акрамя таго, па меры развіцця органаў падчас развіцця эмбрыёна, яны атрымліваюць хімічныя сігналы, якія дазваляюць правільна развівацца іх тонкай структуры і складаным паводзінам. Гэтых сігналаў не хапае, калі мы спрабуем штучна стварыць орган.

Некаторыя навукоўцы думаюць, што спачатку - і, магчыма, яшчэ нейкі час - мы надрукуем імплантацыйныя структуры, якія могуць выконваць адзіную функцыю органа замест усіх яго функцый. Гэтыя больш простыя структуры могуць быць вельмі карыснымі, калі яны кампенсуюць сур'ёзны дэфект у целе.

Хоць, магчыма, пройдуць гады, пакуль органы з біяпрынтамі будуць даступныя для імплантацыі, мы можам убачыць новыя перавагі тэхналогіі да гэтага. Здаецца, тэмпы даследаванняў павялічваюцца. Будучыня 3D-друку ў дачыненні да медыцыны павінна быць вельмі цікавай і захапляльнай.

Спіс літаратуры

• Штучнае вуха, створанае 3D-прынтарам і жывымі храстковымі клеткамі часопіса Smithsonian.
• Трансплантацыя сківіцы, зробленая 3D-прынтарам ад BBC (British Broadcasting Corporation)
• Маляўнічыя 3D-раздрукоўкі ад Амерыканскага таварыства інжынераў-механікаў
• Bioprinter стварае вырабленыя ў лабараторыі часткі цела для трансплантацыі ад The ​​Guardian
• Першая рагавіца чалавека на 3D-раздрукоўцы ад службы навін EurekAlert
• 3D-прынтэр робіць драбнюткую чалавечую печань калі-небудзь ад New Scientist
• Міні-3D-друкаваныя органы імітуюць біццё сэрца і печані ад New Scientist
• Орган, які імітуе лёгкія з папулярнай механікі
• Новы 3D-прынтэр робіць вуха, цягліцы і касцяную тканіну ў натуральную велічыню з жывых клетак Science Alert
• 3-D біяпрынтэр для друку скуры чалавека з новай паслугі Phys.org

Гэты артыкул дакладна і дакладна адпавядае ведам аўтара. Змест прызначаны толькі для інфармацыйных ці забаўляльных мэт і не замяняе асабістых кансультацый альбо прафесійных парад у дзелавых, фінансавых, юрыдычных і тэхнічных пытаннях.