Drukowanie 3D ludzkich narządów – czy to realistyczne?

Świat druku 3D rozwija się w znacząco szybkim tempie. Szacunki na to wskazują wielkość globalnego rynku druku 3D—produkty i usługi — wzrośnie trzykrotnie w latach 2020–2026. Rynek ten, wyceniany na 12.6 miliarda dolarów w 2020 roku, może urosnąć do ponad 37 miliardów dolarów do 2026 roku.

Gwałtowny wzrost rynku aplikacji jest umiejętnie wspierany przez przestrzeń, w której dzieją się innowacje – zarówno na poziomie instytucji, jak i przedsiębiorstw/firm. Na przykład duże amerykańskie firmy technologiczne wykazują dużą aktywność w zakresie druku 3D – co widać po liczbie patentów opublikowanych przez nie od 2010 r. Na przykład firma General Electrics opublikowała aż Patenty 342 między 2010 a 2019. 

Jednak w dziedzinie druku 3D zawsze pojawiało się kluczowe pytanie o możliwość zastosowania w życiu codziennym. Chociaż zawsze była to ekscytująca i kusząca przestrzeń do eksploracji z naukowego punktu widzenia, wiele osób zadawało sobie pytanie: „Na ile jest ona realistyczna?”.

Niedawno udany eksperyment pokazał, jak realne może to być potencjalnie miało miejsce, gdy zespół badawczy ze Szkoły Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Wirginii opracował coś, co mogłoby być szablon pierwszych elementów składowych narządów kompatybilnych z człowiekiem drukowane na żądanie. W następnym odcinku przyjrzymy się bardziej szczegółowo eksperymentowi i jego wynikom. 

Biomateriały o kontrolowanych właściwościach mechanicznych odpowiadających właściwościom różnych tkanek ludzkich 

Eksperyment prowadzili Liheng Cai i Jinchang Zhu. Liheng Cai jest adiunktem w dziedzinie nauk o materiałach, inżynierii i inżynierii chemicznej, a Jinchang Zhu jest jego doktorem. student.

Zastosowana przez nich metoda biodruku nazywa się Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Technika ta osadza cząstki biomateriału w matrycy nośnej na bazie wody do budowania struktur 3D, które oferują sprzyjające środowisko dla wzrostu komórek.

Publikując swoje ustalenia w czasopiśmie Nature Communicationsnaukowcy nazwali raport „Voxelowany bioprinting modułowych kropelek bioatramentu o podwójnej siatce.' Termin woksel wynika z faktu, że proces drukowania opiera się na tym, jak „woksele” – trójwymiarowa wersja pikseli – konstruują obiekty 3D. 

Wyjaśniając przełom, który ich badania umożliwiły społeczności naukowej, Jinchang Zhu powiedział, co następuje:

„Nasze nowe cząsteczki hydrożelu stanowią pierwszy funkcjonalny woksel, jaki kiedykolwiek stworzyliśmy. Dzięki precyzyjnej kontroli właściwości mechanicznych ten woksel może służyć jako jeden z podstawowych elementów składowych naszych przyszłych konstrukcji drukarskich.

Próbując być bardziej szczegółowym dla zwykłego użytkownika, Zhu podkreślił wyjątkowe cechy swojej techniki w porównaniu z innymi metodami biodruku. Podkreślił element „kontroli” w ich technologii, który to uczynił możliwość drukowania organoidów. 

Organoidy te były niczym innym jak trójwymiarowymi modelami komórkowymi, które mogły funkcjonować jako tkanki ludzkie. To mogło być lewarowany do badania postępu choroby w ramach naszych stale rozwijających się poszukiwań leków. 

Duży skok w porównaniu z istniejącymi technologiami biodruku

Zhu nazwał tę innowację „dużym skokiem” w porównaniu z istniejącymi technologiami biodruku, ponieważ jest „wytrzymały i przyjazny dla komórek”. Cząsteczki polimerowo-hydrożelowe użyte w eksperymencie mogą naśladować ludzkie tkanki, zmieniając układ i wiązania chemiczne monomerów jednocząsteczkowych, które łączą się w łańcuchy, tworząc sieci.

W porównaniu z innymi podobnymi rozwiązaniami, rozwiązanie oferowane przez Cai i Zhu okazało się również mniej toksyczne i bardziej biokompatybilne. 

Zespół osiągnął także znaczną poprawę w korzystaniu z biodrukarki. Zaprojektowana przez nich wielokanałowa dysza może na żądanie mieszać składniki hydrożelowe. Pomogło rozwiązać wyzwanie wynikające z superszybkie sieciowanie, które w ciągu 60 sekund przekształcił kropelki cieczy w elastyczny, napęczniały pod wodą żel.

Technika DASP usuwa to wąskie gardło poprzez osadzanie dużych kropelek z wąskiej i szybko poruszającej się dyszy w matrycy, natychmiast je zawieszając. W pewnym sensie rozwiązuje podstawowy problem związany z przestrzenią nauki o miękkiej materii i biodruku 3D: precyzyjną manipulację lepkosprężystymi wokselami. Podsumowując osiągnięcie, Cai powiedział:

„Teraz położyliśmy podwaliny pod biodruk wokselowany. Po całkowitym wdrożeniu zastosowania DASP będą obejmować przeszczepy sztucznych narządów, modelowanie chorób i tkanek oraz badania przesiewowe kandydatów na nowe leki. I prawdopodobnie na tym się nie skończy.”

Jak już widzieliśmy, innowacje wokół biodruku 3D trwają już od dłuższego czasu. Dlatego jest całkiem oczywiste, że wiele renomowanych firm przyjęło tę technologię. W kolejnych segmentach przyglądamy się dwóm firmom, które ułatwiają tę przestrzeń nauki medyczne i technologie opieki zdrowotnej. 

# 1. Zdrowie w Northwell

Firma twierdzi, że jest „W 100% oddany byciu pierwszym systemem opieki zdrowotnej wykorzystującym druk 3D twoje lekarstwo”. Jedna z najważniejszych interwencji Northwell Health w tej dziedzinie zajmował się protetyką. 

Firma wydrukowane w 3D amfibia, proteza kończyny. Rozwiązaniem jest płetwa umożliwiająca osobie po amputacji wejście i wyjście z wody bez zmiany protezy.

Do zalet płetwy należą zastosowanie najnowocześniejszych materiałów z włókna węglowego oraz ergonomiczny kształt zapewniający trwałość i wydajność ruchu. Northwell wykorzystał do nadruku płetwy nylon wzbogacony włóknem węglowym, co stawiało na wytrzymałość i elastyczność. Ponadto jego trwałość sprawia, że ​​nadaje się do stosowania zarówno na lądzie, jak i w wodzie. 

Płetwa miała wyjątkową dynamikę materiału. Zawierał stożkowe otwory, które mogły kontrolować ilość przepływającej przez niego wody. Dozwolone projektowanie i rozmieszczenie otworów naturalny opór i napęd w wodzie. Ilość otworów dostosowywano do specyficznych potrzeb osoby po amputacji. 

Firma Northwell Health od dawna jest liderem w opracowywaniu drukowanych w 3D szczegółowych modeli części ciała, które pomagają chirurgom lepiej planować operacje. Firma mogła wykorzystać potencjał druku 3D, zanim stał się on tak prężnie rozwijającym się trendem.

W cytacie z 2018 roku Todd Goldstein, dyrektor Centrum Projektowania i Innowacji 3D w Northwell Health, stwierdził: następujące do powiedzenia:

„Wykorzystanie druku 3D w medycynie pozwala wyciągnąć anatomię pacjenta z ekranu komputera i przekazać ją lekarzowi. Ten rodzaj technologii zmienia zasady gry dla wszystkich zaangażowanych stron, ponieważ umożliwia lekarzom aby lepiej uwidocznić patologię, pozwala pacjentom aby naprawdę zobaczyć, jakie leczenie jest potrzebnei pozwala na bardziej precyzyjne, dostosowane do potrzeb pacjenta leczenie w niemal wszystkich specjalnościach.”

W 2023 r. Northwell Health zarejestrowany dochód o wartości 16.9 miliardów dolarów i marża EBITDA na poziomie 6.3%.

# 2. Psioniczny

Kolejna firma, która to zrobiła niezwykłą pracą w tej dziedzinie jest Psyonic. Zdolność Ręki, Flagowy produkt firmy Psyonic, to najszybsza na świecie i pierwsza bioniczna dłoń wyczuwająca dotyk. Obiecał przywrócić życie i mobilność tam, gdzie były, PSYONIC wykorzystuje druk 3D do wydajnego tworzenia prototypów, zwiększania przystępności cenowej i dostępu, a także zwiększania trwałości i odporności na uderzenia. 

Firma Psyonic dodała znaczną wartość do swojego rozwiązania, włączając czujniki w opuszkach palców bionicznej dłoni, które wykrywają nacisk, gdy użytkownik trzyma przedmiot, i wysyłają wibracje do ramienia, aby przekazać to uczucie. 

W rezultacie użytkownik dłoni może wyczuć akcję i pracować z najdelikatniejszymi przedmiotami z łatwością, komfortem i płynnością. Jego wytrzymałość sprawia, że ​​jest w stanie wytrzymać uderzenia tępym narzędziem bez pękania. Jest również wodoodporny i dostępny w różnych wzorach chwytu, dzięki czemu można go używać przez cały dzień.

Umiejętność Hand oferuje w sumie 32 wzorce chwytu, z których 19 jest predefiniowanych i dostępnych do użycia. Jest lekki, waży 490 gramów. Jest wieloprzegubowy, ze wszystkimi pięcioma palcami gotowymi do zginania i prostowania, a kciuk może obracać się elektrycznie i ręcznie. 

Można go naładować z USB-C w godzinę. Jest kompatybilny krzyżowo i współpracuje z większością systemów rozpoznawania wzorców EMG innych firm, systemami bezpośredniego sterowania EMG, przetwornikami liniowymi i rezystorami wrażliwymi na siłę.

Według najnowszych dostępnych informacji o finansowaniu, w ramach crowdfundingowej kampanii kapitałowej Psyonic zebrano dotychczas ponad 1 milion dolarów.

Z tych przykładów wydrukowanych w 3D części ludzkiego ciała wynika, że ​​realistycznie rzecz biorąc, drukowanie 3D ludzkich narządów nie jest naciąganym marzeniem. Chociaż omawialiśmy już jedno z najważniejszych przełomów w tej dziedzinie w ostatnim czasie, przeanalizujemy bardziej odpowiednie badania, aby zrozumieć ogromny potencjał przyszłości.

Kliknij tutaj, aby poznać nową technikę umożliwiającą wydruk 3D funkcjonalnej tkanki mózgowej.

Przyszłość druku 3D: tak blisko rzeczywistości, jak to tylko możliwe 

Nieefektywne wykorzystanie hydrożelu w produkcja organów drukowanych w 3D ma pewną historię. A Raport z badań 2022 przytoczył przykład zespołu badawczego kierowanego przez profesora Thomasa Scheibela z Uniwersytetu w Bayreuth, który z powodzeniem wyprodukował „bio-tusz” lub hydrożel poprzez zmieszanie jedwabiu pajęczego z mysimi fibroblastami przy użyciu druku 3D.

Żele mogą szybko przejść ze stanu płynnego do stanu stałego podczas przepływu przez głowicę drukarki na powierzchnię wytłaczającą. Wiedza został znaleziony do być użytym w replikacji tkanki mięśnia sercowego przy użyciu rusztowań z jedwabiu pajęczego i kardiomiocytów.

W raporcie z 2023 r., w którym kompleksowo zbadano realność wykorzystania druku 3D do replikacji ludzkich narządów, stwierdzono, że jest to „wkrótce rzeczywistość”.". Przytoczył wiele przykładów wskazujących na obiecującą przyszłość ze wszystkimi prawdopodobnymi implikacjami.

Na przykład w 2022 r. w San Antonio w Teksasie dr Arturo Bonilla mógł wszczepić ucho zewnętrzne 20-letniej kobiecie – która urodziła się bez ucha – poprzez skonstruowanie prawego ucha dokładnie o kształcie i rozmiarze lewego. Sprawa była niezwykle kluczowa, ponieważ był to pierwszy przypadek, w którym wszczepione ucho powstało w wyniku biodrukarki 3D wykorzystującej komórki chrząstki kobiety.

Polscy badacze zdołali także wydrukować funkcjonalny prototyp trzustki ze stabilnym przepływem krwi. Doświadczenie przeprowadzono na świniach i obserwowano przez dwa tygodnie. W międzyczasie trwały również wysiłki mające na celu dostosowanie technik do ludzkich płuc. Michał Wszola, twórca Bionic Pancreas, i United Therapeutics Corporation wydrukowali w 3D ludzkie rusztowanie płuc zawierające 4,000 kilometrów naczyń włosowatych i 200 milionów pęcherzyków płucnych (małych woreczków powietrznych), które mogą wymieniać tlen w modelach zwierzęcych.

Naukowcy z Instytutu Medycyny Regeneracyjnej Wake Forest opracowali mobilny system biodruku skóry. Wierzą, że już niedługo będzie można przysunąć drukarkę bezpośrednio do łóżka pacjenta cierpiącego na niegojącą się ranę, np. po oparzeniu, zeskanować i zmierzyć powierzchnię rany oraz wydrukować w 3D skórę warstwa po warstwie, bezpośrednio na powierzchnię rany.

Profesor Tal Dvir jest dyrektorem inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej na Uniwersytecie w Tel Awiwie w Izraelu. Jego poziom stał się podstawą projektu wydrukowanego w 3D „wielkości królika” serce, który ma komórki, komory, główne naczynia krwionośne i bicie serca. Mówiąc o wynalazku i jego potencjale na przyszłość, Dvir miał do powiedzenia:

„Teraz pracujemy nad komórkami rozrusznika, komórkami przedsionkowymi i komórkami komorowymi. Wygląda dobrze. Wierzę, że to jest przyszłość.”

Eksperci ds. zdrowia uważają, że zdolność cywilizacji ludzkiej do drukowania narządów w technologii 3D pomogłaby 106,000 17 osobom na liście oczekujących na dawstwo narządów. Każdego dnia 3 pacjentów umiera w trakcie oczekiwania. Możliwość wydrukowania ludzkich narządów w XNUMXD uratowałaby wiele osób zyje. 

Według Marka Skylar-Scotta, adiunkta na Wydziale Bioinżynierii Uniwersytetu Stanforda:

„W ciągu ostatnich dwudziestu lat dziedzina ta bardzo szybko się rozwinęła, od drukowanych pęcherzy do obecnie wysoce komórkowych tkanek z naczyniami, które mogą być podłączony do pompy i złożonych modeli 3D przypominających elementy serca ze zintegrowanymi komórkami serca”.

Obecnie jest prawie pewne, że drukowanie 3D ludzkich narządów zrewolucjonizuje naszych procedur leczenia i systemów opieki. Musiałoby jednak stawić czoła pewnym wyzwaniom. 

Musiałby być na przykład bardziej odporny na stres. Produkcja i wytwarzanie musiałyby mieć bardziej włączający charakter pod względem zgodności surowców. Żeby to było możliwe, musiałoby być energooszczędne można to zwiększyć szybciej. 

Musiałoby to pozbyć się lotnych związków organicznych emitowanych przez drukarki 3D, które często są rakotwórcze i toksyczne i mogą powodować poważne problemy zdrowotne, takie jak uszkodzenie narządów, podrażnienie gardła i nudności. Wreszcie rozwiązanie musiałoby być opłacalne i niedrogie, aby zapewnić korzyści dużej części naszej niedostatecznie leczonej populacji na całym świecie. 

Kliknij tutaj, aby wyświetlić listę najbardziej obiecujących materiałów do biodruku 3D.