3D 프린팅 인간 장기 – 얼마나 현실적일까?

3D 프린팅의 세계는 상당히 빠른 속도로 확장되고 있습니다. 추정에 따르면 3D 프린팅의 글로벌 시장 규모—제품 및 서비스 —는 2020년부터 2026년 사이에 12.6배 성장할 것입니다. 2020년에 미화 37억 달러로 평가되는 시장은 2026년까지 미화 XNUMX억 달러 이상으로 성장할 수 있습니다.

애플리케이션 시장의 급증 능숙하게 지원됩니다 기관과 기업/회사 수준 모두에서 혁신이 일어나는 공간을 기준으로 합니다. 예를 들어, 미국의 대형 기술 기업은 3년 이후 공개한 특허 수에서 알 수 있듯이 2010D 프린팅에 매우 적극적이었습니다. 예를 들어 General Electrics는 342 특허 2010과 2019 사이. 

그러나 3D 프린팅 영역은 항상 실제 적용 가능성에 대한 중요한 문제에 직면해 왔습니다. 항상 과학적으로 흥미롭고 탐험하기에 매력적인 공간이었지만 많은 사람들이 '얼마나 현실적입니까?'라고 질문했습니다.

최근 성공적인 실험을 통해 그것이 얼마나 실제적인지 보여주었습니다. 잠재적으로 버지니아 대학교 공학 및 응용과학 대학의 연구팀이 다음과 같은 것을 개발했을 때입니다. 인간에 적합한 장기를 위한 최초의 빌딩 블록을 위한 템플릿 주문형으로 인쇄됩니다. 다음 부분에서는 실험과 그 결과를 더 자세히 살펴보겠습니다. 

다양한 인체 조직의 기계적 특성과 일치하는 제어된 기계적 특성을 지닌 생체 재료 

실험은 Liheng Cai와 Jinchang Zhu가 주도했습니다. Liheng Cai는 재료 과학, 공학, 화학 공학 조교수이고 Jinchang Zhu는 그의 박사 학위입니다. 학생.

그들이 따랐던 바이오프린팅 방법은 DASP(Digital Assembly of Spherical Particles)라고 불립니다. 이 기술은 수성 지지 매트릭스에 생체재료 입자를 침전시킵니다. 세포 성장에 도움이 되는 환경을 제공하는 3D 구조를 구축합니다.

자신의 연구 결과를 저널에 발표하면서 자연 통신, 과학자들은 보고서 이름을 '모듈형 이중 네트워크 바이오 잉크 방울의 복셀화된 바이오프린팅.' 복셀이라는 용어는 인쇄 프로세스가 픽셀의 3D 버전인 '복셀'이 3D 개체를 구성하는 방식을 따른다는 사실에서 유래되었습니다. 

그들의 연구가 과학계에 힘을 실어준 획기적인 발전을 설명하면서 Jinchang Zhu는 다음과 같이 말했습니다.

“우리의 새로운 하이드로겔 입자는 우리가 만든 최초의 기능성 복셀을 나타냅니다. 기계적 특성을 정밀하게 제어함으로써 이 복셀은 미래의 인쇄 구조를 위한 기본 구성 요소 중 하나 역할을 할 수 있습니다."

일반 사용자에게 보다 구체적으로 설명하려는 시도에서 Zhu는 다른 바이오프린팅 방법과 비교하여 해당 기술의 뛰어난 품질을 강조했습니다. 그는 그들의 기술에 있어서 '통제'라는 요소를 강조했는데, 오가노이드 인쇄가 가능합니다. 

이 오가노이드는 인간 조직으로 기능할 수 있는 3D 세포 기반 모델에 불과했습니다. 그럴 수도 있지 활용되다 끊임없이 진화하는 치료법 검색을 통해 질병 진행을 연구합니다. 

기존 바이오프린팅 기술 대비 큰 도약

Zhu는 이 혁신이 '견고하고 세포 친화적'이기 때문에 기존 바이오프린팅 기술에 비해 '큰 도약'이라고 불렀습니다. 실험에 사용된 폴리머 하이드로겔 입자는 사슬로 연결되어 네트워크를 형성하는 단일 분자 모노머의 배열과 화학적 결합을 조정함으로써 인간 조직을 모방할 수 있습니다.

다른 유사한 솔루션과 비교하여 Cai와 Zhu가 제공한 솔루션은 독성이 적고 생체 적합성이 더 높은 것으로 나타났습니다. 

또한 팀은 바이오프린터 사용에 있어 상당한 개선을 이루었습니다. 그들이 설계한 다중 채널 노즐은 필요에 따라 하이드로겔 구성 요소를 혼합할 수 있습니다. 이는 다음과 같은 문제를 해결하는 데 도움이 되었습니다. 초고속 교차결합, 60초 이내에 액체 방울이 탄력 있는 물에 의해 부풀어 오른 젤로 변했습니다.

DASP 기술은 좁고 빠르게 움직이는 노즐에서 큰 액적을 매트릭스에 증착하고 즉시 정지시킴으로써 이러한 병목 현상을 제거합니다. 어떤 면에서는 연성 물질 과학 및 3D 바이오프린팅 분야의 핵심 문제인 점탄성 복셀의 정확한 조작을 해결합니다. Cai는 성과를 요약하여 다음과 같이 말했습니다.

“이제 우리는 복셀화된 바이오프린팅의 기반을 마련했습니다. 완전히 실현되면 DASP의 응용 분야에는 인공 장기 이식, 질병 및 조직 모델링, 신약 후보 선별 등이 포함될 것입니다. 그리고 아마 여기서 끝나지 않을 것입니다.”

이미 살펴보았듯이 3D 바이오프린팅을 둘러싼 혁신은 오랫동안 진행되어 왔습니다. 따라서 많은 유명 기업들이 이 기술을 채택한 것은 분명합니다. 다음 부분에서는 이 분야를 촉진해 온 두 회사를 살펴보겠습니다. 의학 및 의료 기술. 

# 1. 노스 웰 건강

회사는 '100D 프린트를 사용한 최초의 의료 시스템이 되기 위해 3% 전념 당신의 치료법'. Northwell Health의 가장 중요한 개입 중 하나 이 분야에서는 보철 분야에 종사해 왔습니다. 

회사 3D 프린팅된 수륙 양용 의수족. 해결책은 절단 수술을 받은 사람이 보철물을 교체하지 않고도 물에 들어가고 나올 수 있게 해주는 지느러미.

이 핀의 장점은 최첨단 탄소 섬유 소재를 사용하고 인체공학적 형태를 활용하여 내구성과 효율성을 보장한다는 것입니다. 노스웰은 탄소 섬유 강화 나일론 소재를 사용하여 핀을 제작했는데, 이는 강도와 유연성을 극대화하는 데 중점을 두었습니다. 게다가 내구성이 뛰어나 육지와 물 속에서도 사용하기에 적합했습니다. 

지느러미는 독특한 재료 역학을 가지고 있었습니다. 그것은 통과하는 물의 양을 조절할 수 있는 원뿔 모양의 구멍을 가지고 있었습니다. 허용되는 구멍의 디자인 및 배열 물 속에서의 자연적인 항력과 추진력. 구멍 수는 절단 환자의 특정 필요에 따라 조정 가능했습니다. 

Northwell Health는 외과 의사가 더 나은 수술 계획을 세우는 데 도움이 되는 신체 부위의 상세한 3D 프린팅 모델을 개발하는 데 오랫동안 앞장서 왔습니다. 회사는 3D 프린팅이 그렇게 번성하는 트렌드가 되기 전에 그 잠재력을 깨달을 수 있었습니다.

Northwell Health의 2018D 디자인 및 혁신 센터 소장인 Todd Goldstein은 3년에 한 말을 인용했습니다. 따라 말하다:

“의료 분야에서 3D 프린팅을 사용하면 환자의 해부학적 구조를 컴퓨터 화면에서 꺼내 의사의 손에 전달할 수 있습니다. 이러한 유형의 기술은 의사가 병리를 더 잘 시각화하기 위해, 환자를 허용합니다 어떤 치료가 필요한지 실제로 확인하려면, 거의 모든 전문 분야에서 보다 정확하고 환자별 치료가 가능합니다.”

2023년에는 노스웰헬스가 등록된 수익 16.9억 달러 규모의 EBITDA 마진은 6.3%입니다.

# 2. 사이오닉

지금까지 해왔던 또 다른 회사 이 분야에서 주목할만한 작품은 사이오닉(Psyonic)이다. 능력 손, 싸이오닉의 대표 제품, 세계에서 가장 빠르고 최초의 터치 감지 생체공학 손입니다. 그들이 있던 곳으로 생명과 이동성을 회복시키겠다고 약속함, PSYONIC은 3D 프린팅을 활용하여 효율적으로 프로토타입을 제작하고 경제성과 접근성을 높이며 내구성과 내충격성을 강화합니다. 

사이오닉은 착용자가 물체를 잡을 때 압력을 감지하고 팔에 진동을 보내 그 감각을 전달하는 센서를 생체공학 손의 손가락 끝에 통합함으로써 솔루션에 상당한 가치를 추가했습니다. 

결과적으로, 손 사용자는 쉽고 편안하며 매끄럽게 동작을 느끼고 가장 섬세한 물체로 작업할 수 있습니다. 그 인성은 부서지지 않고 무딘 힘의 충격을 처리할 수 있게 해줍니다. 또한 방수 기능이 있으며 하루 종일 사용할 수 있는 다양한 그립 패턴이 제공됩니다.

Ability Hand는 총 32개의 그립 패턴을 제공하며, 그 중 19개는 사전 정의되어 사용할 수 있습니다. 무게는 490g으로 가볍습니다. 다섯 손가락 모두 구부리고 펼칠 수 있는 다중 관절 구조로 되어 있으며 엄지 손가락은 전기 및 수동으로 회전할 수 있습니다. 

충전이 가능해요 USB-C를 사용하면 한 시간 안에 완료됩니다. 이는 상호 호환되며 대부분의 타사 EMG 패턴 인식 시스템, EMG 직접 제어 시스템, 선형 변환기 및 힘 감지 저항기와 함께 작동합니다.

이용 가능한 최신 자금 정보에 따르면 사이오닉의 크라우드 펀딩 지분 캠페인은 현재까지 1만 달러 이상을 모금했습니다.

3D 프린팅된 인체 부위의 이러한 예에서 분명하게 드러나는 것은 현실적으로 3D 프린팅 인체 장기가 터무니없는 꿈이 아니라는 것입니다. 우리는 최근 이 분야의 가장 중요한 혁신 중 하나에 대해 이미 논의했지만, 미래의 엄청난 잠재력을 이해하기 위해 보다 관련성 있는 연구를 탐구할 것입니다.

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3D 프린팅의 미래: 현실에 최대한 가깝게 

하이드로겔의 비효율적인 사용 3D 프린팅 장기 생산에는 역사가 있습니다. A 2022 년 연구 보고서 바이로이트 대학의 Thomas Scheibel 교수가 이끄는 연구팀이 3D 프린팅을 사용하여 거미줄과 쥐의 섬유아세포 세포를 혼합하여 "바이오 잉크" 또는 하이드로겔을 성공적으로 생산한 사례를 인용했습니다.

젤은 프린터 헤드를 통해 압출 표면으로 흐를 때 유체에서 고체 상태로 빠르게 변형될 수 있습니다. 지식 발견 에 사용되다 거미줄 지지체와 심근세포를 사용하여 심장 근육 조직을 복제합니다.

2023D 프린팅을 사용하여 인간 장기를 복제하는 현실을 종합적으로 조사한 3년 보고서는 그것이 '곧 현실이 될 것'이라고 주장했습니다.. ' 그것은 모든 가능한 의미에서 유망한 미래를 나타내는 많은 사례를 인용했습니다.

예를 들어, 2022년 텍사스주 샌안토니오에서 Arturo Bonilla 박사는 외이가 없이 태어난 20세 여성에게 왼쪽 귀와 똑같은 모양과 크기로 오른쪽 귀를 만들어 외이를 이식할 수 있었습니다. 이 사례는 이식된 귀가 여성의 연골 세포를 사용한 3D 바이오 프린터의 산물인 최초의 사례라는 점에서 매우 중요했습니다.

폴란드에 ​​기반을 둔 연구자들은 또한 안정적인 혈류를 가진 췌장의 기능적 프로토타입을 인쇄할 수 있었습니다. 실험은 돼지를 대상으로 진행됐으며 3주 동안 관찰됐다. 한편, 기술을 인간의 폐에 적용하려는 노력도 진행 중이었습니다. Bionic Pancreas의 창시자인 Michal Wszola와 United Therapeutics Corporation은 동물 모델에서 산소를 교환할 수 있는 4,000km의 모세 혈관과 200억 개의 폐포(작은 공기 주머니)가 있는 인간 폐 비계를 XNUMXD 프린팅했습니다.

웨이크 포레스트 재생 의학 연구소(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) 과학자들은 모바일 피부 바이오 프린팅 시스템을 개발했습니다. 그들은 머지않아 화상과 같이 치유되지 않는 상처를 앓고 있는 환자의 침대 옆으로 프린터를 굴려 상처 부위를 스캔 및 측정하고 피부를 층별로 3D 프린팅할 수 있을 것이라고 믿습니다. 상처 표면에 직접적으로

Tal Dvir 교수는 이스라엘 Tel Aviv University의 조직 공학 및 재생 의학 책임자입니다. 그의 수준은 3D 프린팅된 "토끼 크기" 프로젝트를 주도했습니다. 심장에는 세포, 방, 주요 혈관 및 심장 박동이 있습니다. 본 발명과 미래의 잠재력에 대해 이야기하면서 Dvir는 다음과 같이 말했습니다.

“우리는 현재 심장 박동기 세포, 심방 세포, 심실 세포에 대해 연구하고 있습니다. 좋아 보인다. 나는 이것이 미래라고 믿습니다.”

건강 전문가들은 인류 문명의 장기 3D 프린팅 능력이 106,000명의 장기 기증 대기자 명단에 도움이 될 것이라고 믿습니다. 매일 17명의 환자가 기다리는 동안 사망합니다. 인간의 장기를 3D 프린팅할 수 있으면 많은 비용을 절약할 수 있습니다. 삶. 

스탠포드 대학 생명공학과의 조교수인 Mark Skylar-Scott에 따르면:

“이 분야는 지난 20년 동안 인쇄된 방광에서 이제 혈관이 있는 고도의 세포 조직에 이르기까지 매우 빠르게 발전했습니다. 연결되다 펌프와 심장 세포가 통합된 심장 구성 요소와 유사한 복잡한 3D 모델까지.”

이제 3D 프린팅 인간 장기가 혁명을 일으킬 것이 거의 확실해졌습니다. 우리의 치료 절차 및 관리 시스템. 그러나 몇 가지 과제를 극복해야 합니다. 

예를 들어, 스트레스에 더 강해야 합니다. 생산과 제조는 원자재의 호환성 측면에서 더욱 포괄적이어야 합니다. 그러려면 에너지 효율적이어야 합니다. 규모를 확대할 수 있다 빠릅니다. 

3D 프린터에서 방출되는 발암성 및 독성이 있으며 장기 손상, 목 염증, 메스꺼움과 같은 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있는 휘발성 유기 화합물을 제거해야 합니다. 마지막으로, 전 세계적으로 치료를 받고 있는 인구의 상당 부분에게 혜택을 주기 위해서는 비용 효율적이고 저렴해야 합니다. 

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