Съдържание
- Трансформиране на медицина с 3D принтери
- Как работи 3D принтерът?
- Осъществяване на ухо
- Разлика между мухъл и скеле
- Потенциални ползи от отпечатаните уши
- Отпечатване на долна челюст
- Протези и имплантируеми предмети
- Още примери
- Биопечат с живи клетки: Възможно бъдеще
- Замяна на органи и тъкани
- Някои успехи в биопечат
- Печат на части от сърцето
- Създаване на роговица
- Ползи от мини органи, органоиди или органи на чип
- Структура, имитираща белия дроб
- Някои предизвикателства за биопечат
- Препратки
Линда Крамптън дълги години преподаваше наука и информационни технологии на ученици в гимназията. Тя обича да учи за нови технологии.
Трансформиране на медицина с 3D принтери
3D печатът е вълнуващ аспект на технологията, която има много полезни приложения. Едно завладяващо и потенциално много важно приложение на 3D принтерите е създаването на материали, които могат да се използват в медицината. Тези материали включват имплантируеми медицински изделия, изкуствени части на тялото или протези и персонализирани медицински инструменти. Те също така включват печатни петна от жива човешка тъкан, както и мини органи. В бъдеще имплантируемите органи могат да бъдат отпечатани.
3D принтерите имат способността да печатат твърди, триизмерни обекти, базирани на цифров модел, съхраняван в паметта на компютъра. Често срещан носител за печат е течната пластмаса, която се втвърдява след печат, но са налични и други носители. Те включват прахообразен метал и "мастила", съдържащи живи клетки.
Способността на принтерите да произвеждат материали, съвместими с човешкото тяло, се подобрява бързо. Някои от материалите вече се използват в медицината, докато други са все още в експериментален етап. В разследването участват много изследователи. 3D печатът има притеснителен потенциал да трансформира медицинското лечение.
Как работи 3D принтерът?
Първата стъпка в създаването на триизмерен обект от принтер е проектирането на обекта. Това се прави в програма CAD (Computer-Aided Design). След като дизайнът приключи, друга програма създава инструкции за създаване на обекта в поредица от слоеве. Тази втора програма понякога е известна като програма за нарязване или като програма за нарязване, тъй като преобразува CAD кода за целия обект в код за поредица от резени или хоризонтални слоеве. Слоевете могат да наброяват стотици или дори хиляди.
Принтерът създава обекта чрез отлагане на слоеве материал съгласно инструкциите на програмата за нарязване, като се започне от дъното на обекта и се работи нагоре. Последователните слоеве са слети заедно. Процесът се нарича адитивно производство.
Пластмасовите нишки често се използват като среда за 3D печат, особено в ориентирани към потребителя принтери. Принтерът топи нишката и след това екструдира гореща пластмаса през дюза. Дюзата се движи във всички размери, тъй като освобождава течната пластмаса, за да създаде обект. Движението на дюзата и количеството пластмаса, което се екструдира, се контролират от програмата за нарязване. Горещата пластмаса се втвърдява почти веднага след освобождаването й от дюзата. Други видове печатни носители се предлагат за специални цели.
Частта от ухото, която се вижда от външната страна на тялото, е известна като пина или ушна мида. Останалата част от ухото е разположена в черепа. Функцията на пина е да събира звукови вълни и да ги изпраща до следващия участък на ухото.
Осъществяване на ухо
През февруари 2013 г. учени от университета Корнел в САЩ обявиха, че са успели да направят ушна пина с помощта на 3D печат. Следваните стъпки от учените от Корнел бяха следните.
- Модел на ухо е създаден в CAD програма. Изследователите са използвали снимки на истински уши като основа за този модел.
- Моделът на ухото е отпечатан от 3D принтер, с помощта на пластмаса за създаване на калъп с формата на ухото.
- Вътре във формата се поставя хидрогел, съдържащ протеин, наречен колаген. Хидрогелът е гел, който съдържа вода.
- Хондроцитите (клетки, които произвеждат хрущял) са получени от ухото на кравата и добавени към колагена.
- Колагеновото ухо беше поставено в хранителен разтвор в лабораторен съд. Докато ухото беше в разтвора, някои от хондроцитите замениха колагена.
- След това ухото е имплантирано в задната част на плъх под кожата му.
- След три месеца колагенът в ухото беше напълно заменен с хрущял и ухото запази формата и разликата си от околните клетки на плъхове.
Разлика между мухъл и скеле
В описания по-горе процес на създаване на ухо пластмасовото ухо е инертна форма. Единствената му функция беше да осигури правилната форма на ухото. Колагеновото ухо, което се образува във формата, действа като скеле за хондроцитите. В тъканното инженерство скелето е биосъвместим материал със специфична форма върху и в който растат клетки. Скелето има не само правилната форма, но също така има свойства, които поддържат живота на клетките.
Тъй като е извършен първоначалният процес на създаване на ухо, изследователите от Корнел са намерили начин да отпечатат колагеново скеле с правилната форма, необходима за направата на ухо, като елиминират изискването за пластмасова форма.
Потенциални ползи от отпечатаните уши
Ушите, направени с помощта на принтери, могат да бъдат полезни за хора, които са загубили собствените си уши поради нараняване или заболяване. Те също биха могли да помогнат на хора, които са родени без уши или имат такива, които не са се развили правилно.
В момента понякога се правят заместващи уши от хрущял в реброто на пациента. Получаването на хрущяла е неприятно преживяване за пациента и може да увреди реброто. Освен това полученото ухо може да не изглежда много естествено. Ушите също са направени от изкуствен материал, но отново резултатът може да не е напълно задоволителен. Отпечатаните уши имат потенциала да изглеждат по-скоро като естествени уши и да работят по-ефективно.
През март 2013 г. компания, наречена Oxford Performance Materials, съобщи, че е заменила 75% от мъжкия череп с отпечатан полимерен череп. 3D принтерите също се използват за изработване на здравни уреди, като протези на крайници, слухови апарати и зъбни импланти.
Отпечатване на долна челюст
През февруари 2012 г. холандски учени съобщиха, че са създали изкуствена долна челюст с 3D принтер и са я имплантирали в лицето на 83-годишна жена. Челюстта е направена от пластове титанов метален прах, слети от топлината и е покрита с биокерамично покритие. Биокерамичните материали са съвместими с човешката тъкан.
Жената получи изкуствената челюст, тъй като имаше хронична костна инфекция в собствената си долна челюст. Лекарите смятаха, че традиционната операция за реконструкция на лицето е твърде рискована за жената поради нейната възраст.
Челюстта имаше стави, така че да може да се движи, както и кухини за закрепване на мускулите и жлебове за кръвоносни съдове и нерви. Жената успя да каже няколко думи веднага щом се събуди от упойката. На следващия ден тя успя да преглътне. Тя се прибра след четири дни. По-късно е планирано да бъдат имплантирани фалшиви зъби в челюстта.
Печатните структури също се използват в медицинското обучение и в предхирургичното планиране. Триизмерен модел, създаден от медицински сканирания на пациента, може да бъде много полезен за хирурзите, тъй като може да покаже специфичните условия в тялото на пациента. Това може да опрости сложната хирургия.
Протези и имплантируеми предмети
Описаната по-горе метална челюст е вид протезна или изкуствена част от тялото. Производството на протези е област, в която 3D принтерите стават важни. Сега някои болници имат свои собствени принтери или работят в сътрудничество с медицинска компания, която разполага с принтер.
Създаването на протеза чрез 3D печат често е по-бърз и евтин процес от създаването чрез конвенционални производствени методи. Освен това е по-лесно да се създаде персонализирана форма за пациент, когато устройството е специално проектирано и отпечатано за човека. Болничните сканирания могат да се използват за създаване на персонализирани устройства.
Резервните крайници често се отпечатват 3D днес, поне в някои части на света. Печатните ръце и ръце често са значително по-евтини от тези, произведени по конвенционални методи. Една компания за 3D печат работи с Уолт Дисни, за да създаде цветни и забавни протезни ръце за деца. В допълнение към създаването на по-евтин продукт, който е по-достъпен, инициативата има за цел „да помогне на децата да гледат на протезирането си като източник на вълнение, а не като смущение или ограничение“.
Още примери
- В края на 2015 г. отпечатаните прешлени бяха поставени успешно на пациент. Пациентите също са получили отпечатана гръдна кост и гръден кош.
- 3D печатът се използва за производство на подобрени зъбни импланти.
- Резервните тазобедрени стави често се отпечатват.
- Катетрите, които отговарят на специфичния размер и форма на пасаж в тялото на пациента, скоро може да са често срещани.
- 3D печатът често участва в производството на слухови апарати.
Биопечат с живи клетки: Възможно бъдеще
Печат с живи клетки или биопечат се случва днес. Това е деликатен процес. Клетките не трябва да се нагряват твърде много. Повечето методи за 3D печат включват високи температури, които биха убили клетките. Освен това, носещата течност за клетките не трябва да им вреди. Течността и клетките, които тя съдържа, са известни като био-мастило (или биоинк).
Замяна на органи и тъкани
Замяната на увредените органи с органи, направени от 3D принтери, би била прекрасна революция в медицината. В момента няма достатъчно дарени органи за всички, които се нуждаят от тях.
Планът е да се вземат клетки от собственото тяло на пациента, за да се отпечата орган, който им е необходим. Този процес трябва да предотврати отхвърлянето на орган. Клетките вероятно биха били стволови клетки, които са неспециализирани клетки, способни да произвеждат други видове клетки, когато са стимулирани правилно. Различните типове клетки ще бъдат депозирани от принтера в правилния ред. Изследователите откриват, че поне някои видове човешки клетки имат удивителна способност да се самоорганизират, когато са депозирани, което би било много полезно в процеса на създаване на орган.
За направата на жива тъкан се използва специален тип 3D принтер, известен като биопринтер. При често срещан метод за изработване на тъканта, хидрогел се отпечатва от една печатаща глава, за да се образува скеле. Малки капчици течност, всяка от които съдържа много хиляди клетки, се отпечатват върху скелето от друга печатаща глава. Капките скоро се присъединяват и клетките се прикрепват една към друга. Когато се образува желаната структура, хидрогелното скеле се отстранява.Може да се отлепи или да се отмие, ако е водоразтворим. Биоразградими скелета също могат да се използват. Те постепенно се разграждат в живото тяло.
В медицината трансплантацията е прехвърляне на орган или тъкан от донор в реципиент. Имплантът е поставяне на изкуствено устройство в тялото на пациента. 3D биопечатът попада някъде между тези две крайности. Както „трансплантация“, така и „имплантация“ се използват при препратка към артикули, произведени от биопринтер.
Някои успехи в биопечат
Неживите импланти и протези, създадени от 3D принтери, вече се използват при хората. Използването на импланти, съдържащи живи клетки, изисква повече изследвания, които се извършват. Цели органи все още не могат да бъдат направени чрез 3D печат, но секции от органи могат. Отпечатани са много различни структури, включително петна от сърдечен мускул, които могат да победят, кожни петна, сегменти на кръвоносни съдове и хрущял на коляното. Те все още не са имплантирани на хората. През 2017 г. учените представиха прототип на принтер, който може да създаде човешка кожа за имплантиране, а през 2018 г. други учени отпечатваха роговици в процес, който един ден може да се използва за възстановяване на увреждания в очите.
През 2016 г. бяха съобщени някои обнадеждаващи открития. Екип от учени имплантира три вида биопечатни структури под кожата на мишки. Те включват човешко ухо с размер на бебе, парче мускул и част от човешка челюстна кост. Кръвоносните съдове от околността се простираха във всички тези структури, докато бяха в телата на мишките. Това беше вълнуващо развитие, тъй като е необходимо кръвоснабдяване, за да се поддържат тъканите живи. Кръвта пренася хранителни вещества в живите тъкани и отвежда отпадъците им.
Също така беше вълнуващо да се отбележи, че имплантираните структури успяха да останат живи, докато кръвоносните съдове се развият. Този подвиг е постигнат чрез съществуването на малки пори в структурите, които позволяват на хранителните вещества да навлизат в тях.
Печат на части от сърцето
Създаване на роговица
Учени от университета в Нюкасъл във Великобритания са създали 3D отпечатани роговици. Роговицата е прозрачното, най-външното покритие на очите ни. Сериозните повреди на това покритие могат да причинят слепота. Трансплантацията на роговица често решава проблема, но няма достатъчно роговици, които да помогнат на всички, които се нуждаят от тях.
Учените са получили стволови клетки от здрава човешка роговица. След това клетките се поставят в гел, направен от алгинат и колаген. Гелът предпазва клетките, докато пътуват през единичната дюза на принтера. По-малко от десет минути бяха необходими за отпечатване на гела и клетките в правилната форма. Формата е получена чрез сканиране на окото на човек. (В медицинска ситуация окото на пациента ще бъде сканирано.) След като гелът и клетъчната смес бяха отпечатани, стволовите клетки произвеждат пълна роговица.
Роговиците, направени в процеса на печат, все още не са имплантирани в човешките очи. Вероятно ще мине известно време, преди те да станат. Те обаче имат потенциала да помогнат на много хора.
Стимулирането на стволови клетки за производство на специализираните клетки, необходими за направата на определена част от човешкото тяло в точното време, е предизвикателство само по себе си. Това е процес, който обаче може да има чудесни ползи за нас.
Ползи от мини органи, органоиди или органи на чип
Учените са успели да създадат мини органи чрез 3D печат (и по други методи). „Мини органи“ са миниатюрни версии на органи, части от органи или петна от тъкани от определени органи. Те се споменават с различни имена в допълнение към термина мини орган. Печатните творения може да не съдържат всеки тип структура, открита в органа в пълен размер, но те са добри приближения. Изследванията показват, че те могат да имат важна употреба, въпреки че не са имплантируеми.
Мини органите не винаги се произвеждат от клетки, доставени от случаен донор. Вместо това те често се правят от клетките на човек, който има заболяване. Изследователите могат да проверят въздействието на лекарствата върху мини органа. Ако се установи, че дадено лекарство е полезно и не е вредно, то може да се даде на пациента. Има няколко предимства на този процес. Единият е, че може да се използва лекарство, което е вероятно да бъде от полза за конкретната версия на заболяването на пациента и за техния специфичен геном, което увеличава вероятността от успешно лечение. Другото е, че лекарите могат да получат необичайно или обикновено скъпо лекарство за пациент, ако могат да докажат, че лекарството вероятно ще бъде ефективно. Освен това тестването на лекарства върху мини органи може да намали нуждата от лабораторни животни.
Структура, имитираща белия дроб
През 2019 г. учени от университета Райс и университета във Вашингтон демонстрираха създаването на мини орган, който имитира човешки бял дроб в действие. Мини-белият дроб е направен от хидрогел. Съдържа малка белодробна структура, която се изпълва с въздух на равни интервали. Мрежа от съдове, пълни с кръв, обгражда структурата.
Когато се стимулира, симулираният бял дроб и неговите съдове се разширяват и свиват ритмично, без да се счупват. Видеото показва как работи структурата. Въпреки че органоидът не е в пълен размер и не имитира всички тъкани в белия дроб на човека, способността му да се движи като бял дроб е много важно развитие.
Някои предизвикателства за биопечат
Създаването на орган, който е подходящ за имплантиране, е трудна задача. Органът е сложна структура, съдържаща различни видове клетки и тъкани, подредени по определен модел. Освен това, докато органите се развиват по време на ембрионалното развитие, те получават химични сигнали, които позволяват на тяхната фина структура и сложно поведение да се развият правилно. Тези сигнали липсват, когато се опитваме да създадем орган изкуствено.
Някои учени смятат, че първо - и може би за известно време - ще отпечатаме имплантируеми структури, които могат да изпълняват една-единствена функция на орган, вместо всичките му функции. Тези по-прости структури могат да бъдат много полезни, ако компенсират сериозен дефект в тялото.
Въпреки че вероятно ще минат години, преди биопечатните органи да са налични за импланти, може да видим нови предимства на технологията преди това. Темпът на изследване изглежда се увеличава. Бъдещето на 3D печата във връзка с медицината трябва да бъде много интересно, както и вълнуващо.
Препратки
- Изкуствено ухо, създадено от 3D принтер и живи хрущялни клетки от списание Smithsonian.
- Трансплантация на челюст, направена от 3D принтер от BBC (British Broadcasting Corporation)
- Цветни 3D отпечатани ръце от Американското дружество на машинните инженери
- Bioprinter създава поръчкови лабораторно отгледани части на тялото за трансплантация от The Guardian
- Първа човешка роговица, отпечатана с 3D, от новинарската услуга EurekAlert
- 3D принтерът прави най-малкия човешки черен дроб някога от New Scientist
- Мини 3D отпечатани органи имитират биещи сърцето и черния дроб от New Scientist
- Орган, който имитира белите дробове от Popular Mechanics
- Новият 3D принтер прави ухото, мускулите и костната тъкан в жив размер от живи клетки от Science Alert
- 3-D биопринтер за отпечатване на човешка кожа от новата услуга phys.org
Тази статия е точна и вярна доколкото е известно на автора. Съдържанието е само за информационни или развлекателни цели и не заменя лични съвети или професионални съвети по бизнес, финансови, правни или технически въпроси.
