3D tiskárny v medicíně: vzrušující použití a potenciální aplikace

Obsah

• Transformace medicíny pomocí 3D tiskáren
• Jak funguje 3D tiskárna?
• Dělat ucho
• Rozdíl mezi formou a lešením
• Možné výhody potištěných uší
• Tisk dolní čelisti
• Protetika a implantovatelné předměty
• Další příklady
• Bioprinting s živými buňkami: možná budoucnost
• Výměna orgánů a tkání
• Některé úspěchy v oblasti biotisku
• Tisk částí srdce
• Vytvoření rohovky
• Výhody mini orgánů, organoidů nebo orgánů na čipu
• Struktura napodobující plíce
• Některé výzvy pro biologický tisk
• Reference

Linda Crampton mnoho let učila studenty středních škol vědu a informační technologie. Ráda se učí o nových technologiích.

Transformace medicíny pomocí 3D tiskáren

3D tisk je vzrušujícím aspektem technologie, která má mnoho užitečných aplikací. Jednou z fascinujících a potenciálně velmi důležitých aplikací 3D tiskáren je tvorba materiálů, které lze použít v medicíně. Mezi tyto materiály patří implantovatelné zdravotnické prostředky, umělé části těla nebo protézy a lékařské nástroje na míru. Zahrnují také tištěné skvrny živé lidské tkáně i mini orgánů. V budoucnu mohou být implantovatelné orgány vytištěny.

3D tiskárny mají schopnost tisknout pevné trojrozměrné objekty na základě digitálního modelu uloženého v paměti počítače. Běžným tiskovým médiem je tekutý plast, který po tisku ztuhne, ale jsou k dispozici i jiná média. Patří mezi ně práškový kov a „inkousty“ obsahující živé buňky.

Schopnost tiskáren vyrábět materiály kompatibilní s lidským tělem se rychle zlepšuje. Některé z těchto materiálů se již používají v medicíně, zatímco jiné jsou stále v experimentální fázi. Do výzkumu je zapojeno mnoho vědců. 3D tisk má lákavý potenciál transformovat lékařské ošetření.

Jak funguje 3D tiskárna?

Prvním krokem při vytváření trojrozměrného objektu tiskárnou je návrh objektu. To se provádí v programu CAD (Computer-Aided Design). Po dokončení návrhu vytvoří jiný program pokyny pro výrobu objektu v sérii vrstev. Tento druhý program je někdy známý jako řezací program nebo jako krájecí software, protože převádí kód CAD pro celý objekt na kód pro řadu řezů nebo vodorovných vrstev. Vrstvy mohou mít stovky nebo dokonce tisíce.

Tiskárna vytvoří objekt uložením vrstev materiálu podle pokynů průřezového programu, počínaje spodní částí objektu a směrem nahoru. Postupné vrstvy jsou spojeny dohromady. Tento proces se označuje jako aditivní výroba.

Plastové vlákno se často používá jako médium pro 3D tisk, zejména u tiskáren orientovaných na spotřebitele. Tiskárna roztaví vlákno a poté vytlačuje horký plast tryskou. Tryska se pohybuje ve všech dimenzích, protože uvolňuje tekutý plast za účelem vytvoření předmětu. Pohyb trysky a množství vytlačovaného plastu jsou řízeny krájecím programem. Horký plast tuhne téměř okamžitě po uvolnění z trysky. Pro speciální účely jsou k dispozici další typy tiskových médií.

Část ucha, která je viditelná z vnějšku těla, je známá jako boltce nebo ušní boltce. Zbytek ucha je umístěn v lebce. Funkce boltce je sbírat zvukové vlny a posílat je do další části ucha.

Dělat ucho

V únoru 2013 vědci na Cornellově univerzitě ve Spojených státech oznámili, že si pomocí 3D tisku dokázali vyrobit ušního boltce. Kroky následované vědci z Cornellu byly následující.

• Model ucha byl vytvořen v programu CAD. Vědci použili jako základ pro tento model fotografie skutečných uší.
• Model ucha byl vytištěn na 3D tiskárně pomocí plastu k vytvoření formy s tvarem ucha.
• Do formy byl vložen hydrogel obsahující protein zvaný kolagen. Hydrogel je gel, který obsahuje vodu.
• Chondrocyty (buňky produkující chrupavku) byly získány z kravského ucha a přidány ke kolagenu.
• Kolagenové ucho bylo umístěno do živného roztoku v laboratorní misce. Zatímco ucho bylo v roztoku, některé chondrocyty nahradily kolagen.
• Ucho bylo poté implantováno do zadní části krysy pod kůži.
• Po třech měsících byl kolagen v uchu zcela nahrazen chrupavkou a ucho si zachovalo svůj tvar a odlišnost od okolních krysích buněk.

Rozdíl mezi formou a lešením

Ve výše popsaném procesu vytváření ucha bylo plastové ucho inertní formou. Jeho jedinou funkcí bylo zajistit správný tvar ucha. Kolagenové ucho, které se vytvořilo uvnitř formy, fungovalo jako lešení pro chondrocyty. V tkáňovém inženýrství je lešení biokompatibilní materiál se specifickým tvarem, na kterém a ve kterém buňky rostou. Lešení má nejen správný tvar, ale také vlastnosti, které podporují životnost buněk.

Vzhledem k tomu, že byl proveden původní proces vytváření uší, našli výzkumníci společnosti Cornell způsob, jak vytisknout kolagenové lešení se správným tvarem potřebným k výrobě ucha, což eliminuje požadavek na plastovou formu.

Možné výhody potištěných uší

Uši vyrobené pomocí tiskáren by mohly být užitečné pro lidi, kteří ztratili vlastní uši kvůli zranění nebo nemoci. Mohli by také pomoci lidem, kteří se narodili bez uší nebo mají ty, kteří se nevyvinuli správně.

V současné době jsou náhradní uši někdy vyrobeny z chrupavky v pacientově žebru. Získání chrupavky je pro pacienta nepříjemným zážitkem a může poškodit žebro. Výsledné ucho navíc nemusí vypadat příliš přirozeně. Uši jsou také vyrobeny z umělého materiálu, ale výsledek nemusí být zcela uspokojivý. Potištěné uši mají potenciál vypadat spíše jako přirozené uši a pracovat efektivněji.

V březnu 2013 společnost s názvem Oxford Performance Materials uvedla, že nahradily 75% lidské lebky tištěnou polymerní lebkou. 3D tiskárny se také používají k výrobě zdravotnických pomůcek, jako jsou protetické končetiny, sluchadla a zubní implantáty.

Tisk dolní čelisti

V únoru 2012 holandští vědci uvedli, že vytvořili umělou dolní čelist pomocí 3D tiskárny a implantovali ji do obličeje 83leté ženy. Čelist byla vyrobena z vrstev kovového prášku titanu roztaveného teplem a byla zakryta biokeramickým povlakem. Biokeramické materiály jsou kompatibilní s lidskou tkání.

Žena dostala umělou čelist, protože měla chronickou kostní infekci ve vlastní dolní čelisti. Lékaři cítili, že tradiční operace rekonstrukce obličeje je pro ženu kvůli jejímu věku příliš riskantní.

Čelist měla klouby, aby se s ní dalo hýbat, stejně jako dutiny pro svalové připojení a drážky pro krevní cévy a nervy. Jakmile se žena probudila z anestetika, dokázala říct několik slov. Následujícího dne dokázala polknout. Po čtyřech dnech šla domů. Falešné zuby měly být implantovány do čelisti později.

Tištěné struktury se také používají ve zdravotnictví a v předoperačním plánování. Trojrozměrný model vytvořený z lékařských skenů pacienta může být pro chirurgy velmi užitečný, protože může ukázat konkrétní podmínky uvnitř těla pacienta. To může zjednodušit složitou operaci.

Protetika a implantovatelné předměty

Kovová čelist popsaná výše je typem protetické nebo umělé části těla. Výroba protetiky je oblast, ve které se 3D tiskárny stávají důležitými. Některé nemocnice nyní mají své vlastní tiskárny nebo spolupracují s lékařskou zásobovací společností, která má tiskárnu.

Vytvoření protézy pomocí 3D tisku je často rychlejší a levnější proces než tvorba konvenčními výrobními metodami. Navíc je snazší vytvořit přizpůsobené přizpůsobení pro pacienta, když je zařízení speciálně navrženo a vytištěno pro danou osobu. Nemocniční skenování lze použít k vytvoření zařízení na míru.

Náhradní končetiny jsou dnes, alespoň v některých částech světa, často vytištěny 3D. Potištěné paže a ruce jsou často podstatně levnější než ty, které se vyrábějí konvenčními metodami. Jedna společnost zabývající se 3D tiskem ve spolupráci s Waltem Disneyem vytváří barevné a zábavné protetické ruce pro děti. Kromě vytvoření levnějšího produktu, který je cenově dostupnější, si tato iniciativa klade za cíl „pomoci dětem dívat se na jejich protetiku spíše jako na zdroj vzrušení než na rozpaky či omezení“.

Další příklady

• Na konci roku 2015 byly pacientovi úspěšně umístěny tištěné obratle. Pacienti také dostali vytištěnou hrudní kost a hrudní koš.
• 3D tisk se používá k výrobě vylepšených zubních implantátů.
• Náhradní kyčelní klouby se často tisknou.
• Katetry, které odpovídají konkrétní velikosti a tvaru průchodu v těle pacienta, mohou být brzy běžné.
• 3D tisk se často podílí na výrobě sluchadel.

Bioprinting s živými buňkami: možná budoucnost

Tisk se živými buňkami nebo biotisk se dnes děje. Je to delikátní proces. Buňky se nesmí příliš zahřát. Většina metod 3D tisku zahrnuje vysoké teploty, které by zabíjely buňky. Nosná kapalina pro buňky jim navíc nesmí ublížit. Kapalina a buňky, které obsahuje, jsou známé jako bio-inkoust (nebo bioink).

Výměna orgánů a tkání

Výměna poškozených orgánů za orgány vyrobené z 3D tiskáren by byla úžasnou revolucí v medicíně. V tuto chvíli není k dispozici dostatek darovaných orgánů pro každého, kdo je potřebuje.

V plánu je odebrat buňky z vlastního těla pacienta za účelem vytištění orgánu, který potřebuje. Tento proces by měl zabránit odmítnutí orgánu. Buňky by pravděpodobně byly kmenové buňky, což jsou nespecializované buňky, které jsou schopné produkovat jiné typy buněk, když jsou správně stimulovány. Různé typy buněk by tiskárna uložila ve správném pořadí. Vědci objevují, že alespoň některé druhy lidských buněk mají úžasnou schopnost samoorganizace, když jsou uloženy, což by bylo velmi užitečné v procesu vytváření orgánu.

K výrobě živé tkáně se používá speciální typ 3D tiskárny známý jako biotiskárna. Při běžném způsobu výroby tkáně je hydrogel vytištěn z jedné tiskové hlavy za vzniku lešení. Drobné kapičky kapaliny, z nichž každá obsahuje mnoho tisíc buněk, se tisknou na lešení z jiné tiskové hlavy. Kapičky se brzy spojí a buňky se navzájem spojí. Když se vytvoří požadovaná struktura, hydrogelové lešení se odstraní.Pokud je rozpustný ve vodě, může být odloupnut nebo smýt. Mohou být také použita biologicky odbouratelná lešení. Ty se postupně rozpadají uvnitř živého těla.

V medicíně je transplantace přenosem orgánu nebo tkáně od dárce k příjemci. Implantát je zavedení umělého zařízení do těla pacienta. 3D bioprinting spadá někde mezi tyto dva extrémy. „Transplantace“ i „implantát“ se používají, pokud jde o položky vyrobené biotiskárnou.

Některé úspěchy v oblasti biotisku

Neživé implantáty a protetiky vytvořené 3D tiskárnami se již používají u lidí. Použití implantátů obsahujících živé buňky vyžaduje další výzkum, který se provádí. Celé orgány ještě nelze vyrobit pomocí 3D tisku, ale části orgánů ano. Bylo vytištěno mnoho různých struktur, včetně náplastí srdečního svalu, které jsou schopné bít, kožních náplastí, segmentů krevních cév a kolenních chrupavek. Ty ještě nebyly implantovány do lidí. V roce 2017 vědci představili prototyp tiskárny, která dokáže vytvořit lidskou kůži pro implantaci, a v roce 2018 další vědci tiskli rohovky v procesu, který může být jednoho dne použit k opravě poškození očí.

Některé nadějné objevy byly hlášeny v roce 2016. Tým vědců implantoval tři typy biologicky vytištěných struktur pod kůži myší. Patřily mezi ně ušního boltce lidského ucha velikosti dítěte, kousek svalu a část lidské čelistní kosti. Krevní cévy z okolí zasahovaly do všech těchto struktur, zatímco byly v tělech myší. Byl to vzrušující vývoj, protože pro udržení živých tkání je nezbytný přísun krve. Krev přenáší živiny do živých tkání a odvádí jejich odpad.

Bylo také vzrušující si povšimnout, že implantované struktury dokázaly zůstat naživu, dokud se nevyvinou krevní cévy. Tohoto úspěchu bylo dosaženo existencí drobných pórů ve strukturách, které umožňovaly vstup živin do nich.

Tisk částí srdce

Vytvoření rohovky

Vědci z Newcastle University ve Velké Británii vytvořili rohovky vytištěné 3D. Rohovka je průhledná, vnější vrstva našich očí. Vážné poškození této krytiny může způsobit slepotu. Transplantace rohovky často problém řeší, ale není k dispozici dostatek rohovek, které by pomohly každému, kdo je potřebuje.

Vědci získali kmenové buňky ze zdravé lidské rohovky. Buňky byly poté umístěny do gelu vyrobeného z alginátu a kolagenu. Gel chránil buňky, když procházely jedinou tryskou tiskárny. K tisku gelu a buněk do správného tvaru bylo zapotřebí méně než deset minut. Tvar byl získán skenováním oka člověka. (V lékařské situaci by bylo oko pacienta skenováno.) Jakmile byla směs gelu a buněk vytištěna, kmenové buňky vytvořily kompletní rohovku.

Rohovky vyrobené tiskovým procesem ještě nebyly implantovány do lidských očí. Pravděpodobně to bude nějaký čas, než budou. Mají potenciál pomoci mnoha lidem.

Stimulace kmenových buněk k produkci specializovaných buněk potřebných k vytvoření konkrétní části lidského těla ve správný čas je sama o sobě výzvou. Je to však proces, který by pro nás mohl mít skvělé výhody.

Výhody mini orgánů, organoidů nebo orgánů na čipu

Vědci dokázali vytvořit mini orgány 3D tiskem (a dalšími metodami). „Mini orgány“ jsou miniaturní verze orgánů, části orgánů nebo části tkáně ze specifických orgánů. Jsou označovány různými jmény kromě termínu mini orgán. Tištěné výtvory nemusí obsahovat všechny typy struktur nalezené v orgánech v plné velikosti, ale jsou to dobré aproximace. Výzkum naznačuje, že mohou mít důležité využití, i když nejsou implantovatelné.

Mini orgány nejsou vždy produkovány z buněk dodávaných náhodným dárcem. Místo toho jsou často vyrobeny z buněk osoby, která má nemoc. Vědci mohou zkontrolovat účinky léků na mini orgán. Pokud se zjistí, že lék je užitečný a neškodný, může být podán pacientovi. Tento proces má několik výhod. Jedním z nich je, že lze použít lék, který bude pravděpodobně přínosem pro pacientovu specifickou verzi onemocnění a pro jeho specifický genom, což zvyšuje pravděpodobnost úspěšné léčby. Dalším důvodem je, že lékaři mohou být schopni získat pro pacienta neobvyklý nebo normálně nákladný lék, pokud mohou prokázat, že je pravděpodobné, že lék bude účinný. Kromě toho může testování léků na mini orgánech snížit potřebu laboratorních zvířat.

Struktura napodobující plíce

V roce 2019 vědci z Rice University a University of Washington předvedli, že vytvořili mini orgán, který napodobuje lidské plíce v akci. Mini-plíce je vyrobena z hydrogelu. Obsahuje malou strukturu podobnou plicím, která je v pravidelných intervalech naplněna vzduchem. Síť cév naplněných krví obklopuje strukturu.

Při stimulaci se simulovaná plíce a její cévy rytmicky rozpínají a smršťují, aniž by se rozbily. Video ukazuje, jak struktura funguje. Ačkoli organoid není v plné velikosti a nenapodobuje všechny tkáně v lidských plicích, jeho schopnost pohybovat se jako plíce je velmi důležitý vývoj.

Některé výzvy pro biologický tisk

Vytvoření orgánu vhodného pro implantaci je obtížný úkol. Orgán je složitá struktura obsahující různé typy buněk a tkání uspořádané do konkrétního vzoru. Kromě toho, jak se orgány vyvíjejí během embryonálního vývoje, dostávají chemické signály, které umožňují správný vývoj jejich jemné struktury a složitého chování. Tyto signály chybí, když se pokoušíme uměle vytvořit orgán.

Někteří vědci si myslí, že nejprve - a možná ještě nějakou dobu - vytiskneme implantovatelné struktury, které mohou vykonávat jednu funkci orgánu místo všech jeho funkcí. Tyto jednodušší struktury mohou být velmi užitečné, pokud kompenzují vážné poškození těla.

I když je pravděpodobné, že to budou roky, než budou pro implantáty k dispozici biotištěné orgány, můžeme do té doby dobře vidět nové výhody této technologie. Zdá se, že tempo výzkumu se zvyšuje. Budoucnost 3D tisku ve vztahu k medicíně by měla být velmi zajímavá a vzrušující.

Reference

• Umělé ucho vytvořené 3D tiskárnou a živými buňkami chrupavky z časopisu Smithsonian Magazine.
• Transplantační čelist vyrobená 3D tiskárnou od BBC (British Broadcasting Corporation)
• Barevné 3D tištěné ruce od Americké společnosti strojních inženýrů
• Bioprinter vytváří na zakázku laboratorní části těla určené k transplantaci od The Guardian
• První 3D vytištěná lidská rohovka ze zpravodajské služby EurekAlert
• 3D tiskárna vyrábí nejmenší lidská játra od New Scientist
• Mini 3D tištěné orgány napodobují tlukot srdce a jater od New Scientist
• Orgán, který napodobuje plíce z Popular Mechanics
• Nová 3D tiskárna vyrábí ucho, sval a kostní tkáň v životní velikosti ze živých buněk z Science Alert
• 3-D biotiskárna pro tisk lidské kůže z nové služby phys.org

Tento článek je přesný a pravdivý podle nejlepších znalostí autora. Obsah slouží pouze k informačním nebo zábavním účelům a nenahrazuje osobní rady ani odborné rady v obchodních, finančních, právních nebo technických záležitostech.