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3D-Drucken von menschlichen Organen – Wie realistisch ist es?
Die Welt des 3D-Druckens expandiert mit einem erheblich schnellen Tempo. Schätzungen deuten darauf hin, dass der globale Marktwert des 3D-Druckens—Produkte und Dienstleistungen—zwischen 2020 und 2026 um das Dreifache wachsen wird. Bei einem Wert von 12,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 könnte der Markt bis 2026 auf über 37 Milliarden US-Dollar anwachsen.
Der Anstieg im Markt der Anwendungen wird durch den Raum, in dem Innovationen entstehen—sowohl auf der Ebene von Institutionen als auch von Unternehmen—unterstützt. Große US-Technologieunternehmen haben beispielsweise sehr aktiv mit 3D-Drucken gearbeitet—wie die Anzahl der Patente zeigt, die sie seit 2010 veröffentlicht haben. General Electrics hat beispielsweise 342 Patente zwischen 2010 und 2019 veröffentlicht.
Das Gebiet des 3D-Druckens hat jedoch immer wieder die entscheidende Frage der Anwendbarkeit im realen Leben gestellt. Während es immer ein wissenschaftlich spannendes und verlockendes Gebiet war, haben viele gefragt: “Wie realistisch ist es?”
Kürzlich zeigte ein erfolgreiches Experiment, wie real es sein könnte, als ein Forschungsteam an der University of Virginia School of Engineering and Applied Science ein entwickelte, was das Vorlage für die ersten Bausteine für menschliche Organe drucken konnte, die auf Anfrage gedruckt wurden. In dem kommenden Abschnitt gehen wir auf das Experiment und seine Errungenschaften genauer ein.
Biomaterialien mit kontrollierten mechanischen Eigenschaften, die denen verschiedener menschlicher Gewebe entsprechen
Das Experiment wurde von Liheng Cai und Jinchang Zhu geleitet. Liheng Cai ist Assistant Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie Chemieingenieurwesen, und Jinchang Zhu ist sein Doktorand.
Die Bioprinting-Methode, der sie folgten, heißt Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Diese Technik legt Biomaterialpartikel in einer wasserbasierten Trägermatrix ab, um 3D-Strukturen zu bauen, die ein günstiges Umfeld für das Wachstum von Zellen bieten.
In der Veröffentlichung ihrer Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Communications nannten die Wissenschaftler den Bericht “Voxelated Bioprinting von modularen Doppelnetzwerk-Bio-Tropfen”. Der Begriff Voxel stammt von der Tatsache, dass der Druckprozess der Art und Weise entspricht, wie “Voxels” – die 3D-Version von Pixeln – 3D-Objekte konstruieren.
Während er die Durchbrüche erklärte, die ihre Forschung der wissenschaftlichen Gemeinschaft ermöglichte, sagte Jinchang Zhu Folgendes:
“Unsere neuen Hydrogel-Partikel stellen das erste funktionale Voxel dar, das wir jemals hergestellt haben. Mit präziser Kontrolle über die mechanischen Eigenschaften kann dieses Voxel als einer der grundlegenden Bausteine für unsere zukünftigen Druckkonstrukte dienen.”
In seinem Bemühen, für den durchschnittlichen Benutzer spezifischer zu sein, betonte Zhu die herausragenden Eigenschaften ihrer Technik im Vergleich zu anderen Bioprinting-Methoden. Er betonte das Element der “Kontrolle” in ihrer Technologie, die es möglich machte, Organoiden zu drucken.
Diese Organoiden waren nichts anderes als 3D-Zell-Modelle, die wie menschliche Gewebe funktionieren konnten. Sie könnten verwendet werden, um die Krankheitsprogression in unserer ständig fortschreitenden Suche nach Heilmethoden zu untersuchen.
Ein großer Sprung im Vergleich zu bestehenden Bioprinting-Technologien
Zhu bezeichnete ihre Innovation als “großen Sprung” im Vergleich zu bestehenden Bioprinting-Technologien, da sie “stabil und zellfreundlich” sei. Die Polymer-Hydrogel-Partikel, die im Experiment verwendet wurden, konnten menschliche Gewebe nachahmen, indem sie die Anordnung und die chemischen Bindungen von Ein-Molekül-Monomeren änderten, die sich zu Ketten verbinden, um Netzwerke zu bilden.
Im Vergleich zu anderen ähnlichen Lösungen war die Lösung, die Cai und Zhu angeboten haben, auch weniger toxisch und biokompatibler.
Das Team erzielte auch bedeutende Verbesserungen bei der Verwendung des Bioprinters. Die von ihnen entwickelte Mehrkanal-Düse konnte Hydrogel-Komponenten auf Anfrage mischen. Es half, die Herausforderung zu lösen, die durch die sehr schnelle Vernetzung entstand, die flüssige Tropfen in einen elastischen, wassergesättigten Gel innerhalb von 60 Sekunden umwandelte.
Die DASP-Technik entfernt diese Flaschenhalsstelle, indem sie große Tropfen aus einer schmalen und schnellen Düse in die Matrix ablegt und sie sofort suspendiert. Auf diese Weise löst sie ein Kernproblem im Bereich der Weichmaterie und des 3D-Bioprinting: die präzise Manipulation von viskoelastischen Voxeln. In der Zusammenfassung der Errungenschaft sagte Cai:
“Wir haben nun die Grundlage für voxelisiertes Bioprinting gelegt. Wenn es vollständig realisiert wird, werden die Anwendungen von DASP künstliche Organtransplantation, Krankheits- und Gewebemodellierung sowie die Auswahl von Kandidaten für neue Medikamente umfassen. Und es wird wahrscheinlich nicht dabei bleiben.”
Wie wir bereits gesehen haben, laufen Innovationen im Bereich des 3D-Bioprinting bereits seit langem. Es ist daher offensichtlich, dass viele renommierte Unternehmen diese Technologie angenommen haben. In den folgenden Abschnitten gehen wir auf zwei Unternehmen ein, die diesen Bereich in der Medizinwissenschaft und der Gesundheitstechnologie gefördert haben.
#1. Northwell Health
Das Unternehmen behauptet, “100% darauf ausgerichtet zu sein, das erste Gesundheitssystem zu sein, das Ihre Heilung mit 3D-Druck herstellt”. Eine der wichtigsten Interventionen von Northwell Health in diesem Bereich war im Bereich der Prothetik.
Das Unternehmen 3D-druckte ein amphibisches Prothesenbein. Die Lösung ist ein Fin, der es dem Amputierten ermöglicht, ohne Wechsel der Prothese in und aus dem Wasser zu gehen.
Der Fin bietet Vorteile wie den Einsatz von hochmodernen Carbon-Fasermaterialien und die Nutzung einer ergonomischen Form, um eine dauerhafte und effiziente Bewegung zu gewährleisten. Northwell verwendete carbon-faserverstärktes Nylon, um den Fin zu drucken, der auf Stärke und Flexibilität ausgerichtet war. Darüber hinaus machte seine Haltbarkeit ihn für den Einsatz auf dem Land und im Wasser geeignet.
Der Fin hatte eine einzigartige Materialdynamik. Er verfügte über kegelförmige Löcher, die die Menge an Wasser, das durch sie hindurchfließen konnte, steuern konnten. Die Anordnung und das Design der Löcher ermöglichten natürlichen Widerstand und Antrieb im Wasser. Die Anzahl der Löcher konnte an die spezifischen Bedürfnisse des Amputierten angepasst werden.
Northwell Health hat seit langem eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung von 3D-gedruckten, detaillierten Modellen von Körperteilen, um Chirurgen bei der Operationsplanung zu unterstützen. Das Unternehmen erkannte das Potenzial des 3D-Druckens, bevor es zu einem so florierenden Trend wurde.
In einem Zitat, das auf 2018 zurückgeht, sagte Todd Goldstein, Leiter des 3D-Design- und Innovationszentrums bei Northwell Health, Folgendes:
“Der Einsatz von 3D-Drucken in der Medizin ermöglicht es uns, die Anatomie der Patienten von einem Computerschirm zu holen und sie in die Hände der Ärzte zu legen. Diese Art von Technologie ist ein Game-Changer für alle Beteiligten, da sie es den Ärzten ermöglicht, die Pathologie besser zu visualisieren, den Patienten ermöglicht, wirklich zu sehen, welche Behandlung erforderlich ist, und präzisere, patientenspezifische Behandlungen in fast allen Fachgebieten ermöglicht.”
Im Jahr 2023 erzielte Northwell Health ein Umsatz von 16,9 Milliarden US-Dollar und eine EBITDA-Marge von 6,3%.
#2. Psyonic
Ein weiteres Unternehmen, das in diesem Bereich bemerkenswerte Arbeit geleistet hat, ist Psyonic. Ability Hand, das Flaggschiffprodukt von Psyonic, ist die weltweit schnellste und erste berührungsensitive Bionik-Hand. PSYONIC nutzt 3D-Drucken, um effizient zu prototypisieren, die Zugänglichkeit und Affordability zu erhöhen und die Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit zu verbessern.
Psyonic hat seinem Produkt einen erheblichen Wert hinzugefügt, indem es Sensoren in den Fingerspitzen der bionischen Hand integrierte, die den Druck erkennen, wenn der Träger ein Objekt greift, und eine Vibration an den Arm senden, um die Empfindung zu vermitteln.
Infolgedessen kann der Benutzer der Hand die Aktion spüren und mit den meisten empfindlichen Objekten mit Leichtigkeit, Komfort und Nahtlosigkeit arbeiten. Seine Robustheit ermöglicht es ihm, stumpfe Schläge ohne Bruch zu widerstehen. Es ist auch wasserdicht und verfügt über verschiedene Griffformen für den Einsatz während des Tages.
Ability Hand bietet 32 Griffformen, von denen 19 vordefiniert und verfügbar sind. Es ist leicht, wiegt 490 Gramm und ist mehrfach Gelenkt, wobei alle fünf Finger bereit sind, sich zu beugen und zu strecken, und der Daumen kann elektrisch und manuell rotieren.
Es kann mit einem USB-C in einer Stunde aufgeladen werden und ist kompatibel mit den meisten Drittanbieter-EMG-Mustern-Erkennungssystemen, EMG-Direktsteuerungssystemen, linearen Transducern und Kraftsensoren.
Laut den neuesten verfügbaren Finanzinformationen hat die Crowdfunding-Kampagne von Psyonic mehr als 1 Million US-Dollar eingesammelt.
Wie aus diesen Beispielen von 3D-gedruckten Körperteilen hervorgeht, ist es realistisch, dass 3D-Drucken von menschlichen Organen kein ferner Traum ist. Während wir bereits eines der bedeutendsten Durchbrüche in diesem Bereich diskutiert haben, werden wir weitere relevante Forschungsergebnisse untersuchen, um das enorme Potenzial der Zukunft zu verstehen.
Die Zukunft des 3D-Druckens: So realistisch wie möglich
Der Einsatz von Hydrogel in der Herstellung von 3D-gedruckten Organen hat einige Geschichte. Ein Forschungsbericht von 2022 zitierte das Beispiel einer Studie, die von Professor Thomas Scheibel an der Universität Bayreuth geleitet wurde und erfolgreich ein “Bio-Tinten” oder Hydrogel durch die Mischung von Spinnenseide mit Maus-Fibroblasten-Zellen unter Verwendung von 3D-Drucken herstellte.
Die Gele konnten sich schnell von einem flüssigen in einen festen Zustand umwandeln, wenn sie durch den Druckkopf auf eine Extrusionsfläche flossen. Das Wissen wurde entdeckt, um es in der Reproduktion von Herzmuskelgewebe unter Verwendung von Spinnenseide-Scaffolds und Kardiomyozyten zu verwenden.
Ein Bericht von 2023, der die Realität des 3D-Druckens von menschlichen Organen umfassend untersuchte, behauptete, es sei eine “baldige Realität”. Es zitierte viele Beispiele, die auf eine vielversprechende Zukunft in allen wahrscheinlichen Auswirkungen hinweisen.
Zum Beispiel konnte Dr. Arturo Bonilla in San Antonio, Texas, im Jahr 2022 einem 20-jährigen Frauen, die ohne Ohr geboren wurde, ein äußeres Ohr implantieren, indem er das rechte Ohr in der exakten Form und Größe ihres linken Ohres konstruierte. Der Fall war von entscheidender Bedeutung, da es sich um den ersten Fall handelte, bei dem das implantierte Ohr das Produkt eines 3D-Bioprinters unter Verwendung der Cartilage-Zellen der Frau war.
Forscher in Polen konnten ein funktionales Prototyp eines Pankreas mit stabilem Blutfluss drucken. Das Experiment wurde an Schweinen durchgeführt und über zwei Wochen beobachtet. Währenddessen waren Bemühungen im Gange, die Techniken für menschliche Lungen anzupassen. Michal Wszola, der Schöpfer des Bionic-Pankreas, und United Therapeutics Corporation druckten ein menschliches Lungen-Scaffold mit 4.000 Kilometern Kapillaren und 200 Millionen Alveolen (kleine Luftbeutel), die in Tiermodellen Sauerstoff austauschen konnten.
Die Wissenschaftler des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine entwickelten ein mobiles Haut-Bioprinting-System. Sie glauben, dass es bald möglich sein wird, den Drucker direkt zum Bett eines Patienten mit einer nicht heilenden Wunde, wie einem Brand, zu rollen, die Wunde zu scannen und zu messen und die Haut schichtweise direkt auf die Wundoberfläche zu drucken.
Professor Tal Dvir ist der Leiter der Gewebeingenieurwissenschaft und Regenerativer Medizin an der Universität Tel Aviv in Israel. Sein Team hat ein 3D-gedrucktes “kaninchen-großes” Herz, das Zellen, Kammern, die Hauptblutgefäße und einen Herzschlag hat. Während er über die Erfindung und ihr Potenzial für die Zukunft sprach, sagte Dvir:
“Wir arbeiten jetzt an den Schrittmacherzellen, den atrialen Zellen, den ventrikulären Zellen. Es sieht gut aus. Ich glaube, dass dies die Zukunft ist.”
Gesundheitsexperten glauben, dass die Fähigkeit der Menschheit, Organe zu drucken, der 106.000 Personen umfassenden Warteliste für Organtransplantationen helfen würde. Jeden Tag sterben 17 Patienten, während sie auf eine Transplantation warten. Die Fähigkeit, menschliche Organe zu drucken, würde viele Leben retten.
Laut Mark Skylar-Scott, Assistant Professor im Department of Bioengineering der Stanford University:
“Das Feld hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten sehr schnell entwickelt, von gedruckten Blasen zu hochzellulareren Geweben mit Gefäßen, die an eine Pumpe angeschlossen werden können – und komplexe 3D-Modelle, die Herzkomponenten mit integrierten Herzzellen nachahmen.”
Es ist jetzt fast sicher, dass das 3D-Drucken von menschlichen Organen unsere Behandlungsverfahren und Pflegesysteme revolutionieren wird. Allerdings muss es einige Herausforderungen überwinden.
Zum Beispiel muss es widerstandsfähiger gegen Stress sein. Die Produktion und Herstellung müssen inklusiver sein, was die Kompatibilität der Rohmaterialien betrifft. Es muss energieeffizient sein, damit es schneller skaliert werden kann.
Es muss die flüchtigen organischen Verbindungen, die von 3D-Druckern emittiert werden und oft krebserregend und giftig sind und schwerwiegende Gesundheitsprobleme wie Organschäden, Halsschmerzen und Übelkeit verursachen können, beseitigen. Schließlich muss es kostengünstig und erschwinglich sein, um einen großen Teil unserer unterbehandelten Bevölkerung weltweit zu profitieren.
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