Зміст
- Трансформація медицини за допомогою 3D-принтерів
- Як працює 3D-принтер?
- Робити колос
- Різниця між цвіллю та лісом
- Потенційні переваги друкованих вух
- Друк нижньої щелепи
- Протезування та імплантовані предмети
- Більше прикладів
- Біодрук за допомогою живих клітин: можливе майбутнє
- Заміна органів і тканин
- Деякі успіхи біодруку
- Друк частин серця
- Створення рогівки
- Переваги міні-органів, органоїдів або органів на чіпі
- Структура, що імітує легені
- Деякі виклики для біодруку
- Список літератури
Лінда Крамптон протягом багатьох років викладала науку та інформаційні технології для старшокласників. Їй подобається дізнаватися про нові технології.
Трансформація медицини за допомогою 3D-принтерів
3D-друк - захоплюючий аспект технології, що має безліч корисних застосувань. Одним із захоплюючих і потенційно дуже важливих застосувань 3D-принтерів є створення матеріалів, які можна використовувати в медицині. Ці матеріали включають імплантовані медичні вироби, штучні частини тіла або протезування та спеціальні медичні інструменти. Вони також включають друковані плями живої тканини людини, а також міні-органи. У майбутньому імплантовані органи можуть бути надруковані.
3D-принтери мають можливість друкувати тверді тривимірні об'єкти на основі цифрової моделі, що зберігається в пам'яті комп'ютера. Звичайним друкарським середовищем є рідкий пластик, який твердне після друку, але доступні й інші носії. Сюди входять порошкоподібний метал і "фарби", що містять живі клітини.
Здатність принтерів виробляти матеріали, сумісні з людським тілом, швидко покращується. Деякі матеріали вже використовуються в медицині, а інші все ще перебувають на стадії експерименту. До розслідування залучено багато дослідників. 3D-друк має заманливий потенціал для перетворення медичного лікування.
Як працює 3D-принтер?
Першим кроком у створенні тривимірного об’єкта принтером є проектування об’єкта. Це робиться в програмі CAD (Computer-Aided Design). Після закінчення проектування інша програма створює інструкції для створення об’єкта в ряд шарів. Ця друга програма іноді відома як програма нарізки або як програма нарізки, оскільки вона перетворює CAD-код для всього об'єкта в код для серії зрізів або горизонтальних шарів. Шари можуть налічувати сотні або навіть тисячі.
Принтер створює об'єкт, наносячи шари матеріалу відповідно до вказівок програми нарізки, починаючи з нижньої частини об'єкта і працюючи вгору. Послідовні шари зростаються між собою. Процес називається виробництвом добавок.
Пластикова нитка часто використовується як середовище для тривимірного друку, особливо в орієнтованих на споживача принтерах. Принтер розплавляє нитку розжарювання, а потім видавлює гарячий пластик через сопло. Форсунка рухається у всіх розмірах, коли випускає рідкий пластик, щоб створити предмет. Рух насадки та кількість екструдованого пластику контролюється програмою нарізки. Гарячий пластик застигає майже відразу після випуску з сопла. Інші типи носіїв для друку доступні для спеціальних цілей.
Частина вуха, яка видно із зовнішньої сторони тіла, відома як піна або вушна раковина. Решта вуха розташована в черепі. Функція пінні - збирати звукові хвилі і направляти їх у наступну ділянку вуха.
Робити колос
У лютому 2013 року вчені з Корнельського університету в США оголосили, що змогли зробити вушну пінну за допомогою 3D-друку. Кроки вчених Корнелла були наступними.
- Модель вуха була створена в програмі САПР. В якості основи для цієї моделі дослідники взяли фотографії справжніх вух.
- Модель вуха була надрукована на 3D-принтері, використовуючи пластик для створення форми з формою вуха.
- Гідрогель, що містить білок, який називається колагеном, поміщали всередину форми. Гідрогель - це гель, що містить воду.
- Хондроцити (клітини, що виробляють хрящі) отримували з вуха корови і додавали до колагену.
- Вухо колагену поміщали в живильний розчин у лабораторний посуд. Поки вухо знаходилось у розчині, деякі хондроцити замінювали колаген.
- Потім вухо імплантували в спину щура під шкіру.
- Через три місяці колаген у вусі був повністю замінений на хрящ, і вухо зберегло форму та відмінність від оточуючих клітин щурів.
Різниця між цвіллю та лісом
У описаному вище процесі створення вух пластикове вухо було інертною формою. Його єдиною функцією було забезпечення правильної форми для вуха. Вухо колагену, що утворилося всередині цвілі, виконувало роль ліска для хондроцитів. У тканинній інженерії риштування - це біосумісний матеріал із певною формою і в якому ростуть клітини. Підмостка не тільки має правильну форму, але також має властивості, що підтримують життя клітин.
Оскільки був проведений оригінальний процес створення вух, дослідники Корнелла знайшли спосіб надрукувати колагенову ліску правильної форми, необхідної для виготовлення вуха, усунувши вимогу до пластикової форми.
Потенційні переваги друкованих вух
Вуха, виготовлені за допомогою принтерів, можуть бути корисними людям, які втратили власні вуха внаслідок травми або хвороби. Вони також можуть допомогти людям, які народились без вух або мають такі, які не розвивались належним чином.
На даний момент заміщують вуха іноді з хряща в ребрі пацієнта. Отримання хряща є неприємним досвідом для пацієнта і може пошкодити ребро. До того ж отримане вухо може виглядати не дуже природно. Вуха також виготовляються зі штучного матеріалу, але результат знову може бути не цілком задовільним. Друковані вуха можуть виглядати більше як природні вуха та працювати ефективніше.
У березні 2013 року компанія під назвою Oxford Performance Materials повідомила, що вони замінили 75% чоловічого черепа друкованим полімерним черепом. 3D-принтери також використовуються для виготовлення медичних приладів, таких як протези кінцівок, слухові апарати та імплантація зубів.
Друк нижньої щелепи
У лютому 2012 року голландські вчені повідомили, що створили штучну нижню щелепу за допомогою 3D-принтера та імплантували її в обличчя 83-річної жінки. Щелепа була зроблена із шарів титанового металевого порошку, сплавленого теплом, і покрита біокерамічним покриттям. Біокерамічні матеріали сумісні з тканинами людини.
Жінка отримала штучну щелепу, оскільки у неї була хронічна кісткова інфекція у власній нижній щелепі. Лікарі вважали, що традиційна операція з реконструкції обличчя була надто ризикованою для жінки через її вік.
Щелепа мала суглоби, щоб її можна було рухати, а також порожнини для прикріплення м’язів та канавки для кровоносних судин та нервів. Жінка змогла сказати кілька слів, як тільки прокинулася від наркозу. Наступного дня вона змогла проковтнути. Через чотири дні вона пішла додому. Пізніше було заплановано імплантацію помилкових зубів у щелепу.
Друковані конструкції також використовуються в медичній підготовці та в дохірургічному плануванні. Тривимірна модель, створена на основі медичного сканування пацієнта, може бути дуже корисною для хірургів, оскільки вона може відображати конкретні умови всередині тіла пацієнта. Це може спростити складні оперативні втручання.
Протезування та імплантовані предмети
Описана вище металева щелепа є видом протезу, або штучної частини тіла. Виробництво протезів - це сфера, в якій 3D-принтери стають важливими. Зараз деякі лікарні мають власні принтери або працюють у співпраці з медичною компанією, яка має принтер.
Створення протеза за допомогою 3D-друку часто є більш швидким і дешевим процесом, ніж створення звичайними методами виробництва. Крім того, легше створити індивідуальну підгонку для пацієнта, коли пристрій спеціально розроблено та надруковано для людини. Сканування в лікарні можна використовувати для створення спеціальних пристроїв.
Замінні кінцівки сьогодні часто друкуються 3D, принаймні в деяких частинах світу. Друковані руки та руки часто значно дешевші, ніж ті, що виготовляються звичайними методами. Одна компанія 3D-друку співпрацює з Уолтом Діснеєм, щоб створити барвисті та веселі протези для рук для дітей. На додаток до створення більш дешевого продукту, який є більш доступним, ініціатива має на меті "допомогти дітям розглядати своє протезування як джерело хвилювання, а не збентеження чи обмеження".
Більше прикладів
- Наприкінці 2015 року друковані хребці були успішно розміщені у пацієнта. Пацієнти також отримали надруковану грудину та грудну клітку.
- 3D-друк використовується для виготовлення вдосконалених зубних імплантатів.
- Запасні тазостегнові суглоби часто друкують.
- Катетери, які відповідають конкретному розміру та формі проходу в тілі пацієнта, незабаром можуть стати звичними явищами.
- 3D-друк часто бере участь у виробництві слухових апаратів.
Біодрук за допомогою живих клітин: можливе майбутнє
Друк живими клітинами, або біодрук, відбувається сьогодні. Це делікатний процес. Клітини не повинні занадто нагріватися. Більшість методів 3D-друку передбачають високі температури, які вбивають клітини. Крім того, рідина-носій для клітин не повинна шкодити їм. Рідина та клітини, що містяться в ній, відомі як біо-чорнило (або біоінк).
Заміна органів і тканин
Заміна пошкоджених органів на органи, виготовлені з 3D-принтерів, була б чудовою революцією в медицині. На даний момент недостатньо донорських органів, доступних для всіх, хто їх потребує.
План - взяти клітини з власного тіла пацієнта, щоб надрукувати потрібний їм орган. Цей процес повинен запобігти відторгненню органу. Клітини, швидше за все, були б стовбуровими клітинами, які є неспеціалізованими клітинами, здатними продукувати інші типи клітин, коли їх стимулюють правильно. Різні типи комірок будуть розміщені на принтері у правильному порядку. Дослідники виявляють, що принаймні деякі види людських клітин мають дивовижну здатність до самоорганізації, коли вони депонуються, що було б дуже корисно в процесі створення органу.
Для виготовлення живої тканини використовується спеціальний тип 3D-принтера, відомий як біопринтер. У загальноприйнятому способі виготовлення тканини гідрогель друкують з однієї головки принтера, щоб утворити риштування. Крихітні крапельки рідини, кожна з яких містить багато тисяч комірок, надруковані на лісі з іншої головки принтера. Крапельки незабаром приєднуються, і клітини прикріплюються одна до одної. Коли бажана структура сформується, гідрогелеві риштування знімають.Його можна очистити від шкірки або змити, якщо він розчинний у воді. Також можуть використовуватися біологічно розкладаються риштування. Вони поступово руйнуються всередині живого тіла.
У медицині трансплантація - це передача органу або тканини від донора реципієнту. Імплантат - це введення штучного пристрою в організм пацієнта. 3D біодрук знаходиться десь між цими двома крайностями. Як "трансплантація", так і "імплантація" використовуються, коли йдеться про предмети, виготовлені біопринтером.
Деякі успіхи біодруку
Неживі імплантати та протезування, створені за допомогою 3D-принтерів, вже використовуються у людей. Використання імплантатів, що містять живі клітини, вимагає додаткових досліджень, які проводяться. Цілі органи ще не можна зробити за допомогою тривимірного друку, але зрізи органів можуть. Було надруковано багато різних структур, включаючи плями серцевого м’яза, які здатні битися, шкірні плями, сегменти судин та колінний хрящ. Вони ще не імплантовані людям. У 2017 році вчені представили прототип принтера, який може створити шкіру людини для імплантації, проте в 2018 році інші вчені надрукували рогівку в процесі, який одного разу може бути використаний для усунення пошкоджень в очах.
Повідомлялося про деякі обнадійливі відкриття в 2016 році. Група вчених імплантувала три типи біодрукованих структур під шкіру мишей. Сюди входили дитячі вушні розміри дитини, шматочок м’яза та ділянка кістки щелепи людини. Кровоносні судини з навколишнього середовища поширювались у всі ці структури, поки вони були в тілах мишей. Це було захоплюючим розвитком подій, оскільки кровопостачання необхідне для того, щоб підтримувати тканини живими. Кров несе поживні речовини до живих тканин і забирає їх відходи.
Також було цікаво відзначити, що імплантовані структури змогли залишатися живими, поки не розвинуться кровоносні судини. Цей подвиг був здійснений завдяки існуванню крихітних пор в структурах, які дозволяли поживним речовинам потрапляти в них.
Друк частин серця
Створення рогівки
Вчені з університету Ньюкасла у Великобританії створили рогівки, надруковані 3D. Рогівка - це прозора, зовнішня оболонка наших очей. Серйозні пошкодження цього покриття можуть спричинити сліпоту. Трансплантація рогівки часто вирішує проблему, але недостатньо рогівки, щоб допомогти всім, хто в них потребує.
Вчені отримали стовбурові клітини із здорової рогівки людини. Потім клітини поміщали в гель з альгінату та колагену. Гель захищав клітини, коли вони рухались через єдине сопло принтера. Менш ніж десять хвилин знадобилося, щоб надрукувати гель та клітини у правильній формі. Форму отримали скануючи око людини. (У медичній ситуації проводиться сканування очей пацієнта.) Після того, як гель і клітинна суміш були надруковані, стовбурові клітини утворили повну рогівку.
Рогівки, виготовлені в процесі друку, ще не імплантовані в людські очі. Можливо, пройде якийсь час, перш ніж вони з’являться. Однак вони можуть допомогти багатьом людям.
Стимулювання стовбурових клітин для виробництва спеціалізованих клітин, необхідних для створення певної частини людського тіла в потрібний час, є проблемою саме по собі. Однак це процес, який може мати для нас чудові переваги.
Переваги міні-органів, органоїдів або органів на чіпі
Вченим вдалося створити міні-органи за допомогою 3D-друку (та іншими методами). "Міні-органи" - це мініатюрні версії органів, ділянок органів або ділянок тканини з певних органів. На додаток до терміну міні-орган вони згадуються під різними назвами. Друковані творіння можуть містити не всі типи структур, знайдені в повнорозмірному органі, але вони є гарними наближеннями. Дослідження показують, що вони можуть мати важливе використання, навіть якщо вони не піддаються імплантації.
Міні-органи не завжди виробляються з клітин, що постачаються випадковим донором. Натомість вони часто виготовляються з клітин людини, яка страждає на захворювання. Дослідники можуть перевірити вплив ліків на міні орган. Якщо визнано, що лікарський засіб є корисним і не шкідливим, його можна дати пацієнту. Цей процес має кілька переваг. Одне з них полягає в тому, що можна застосовувати ліки, які можуть бути корисними для конкретної версії захворювання пацієнта та для їх конкретного геному, що збільшує ймовірність успішного лікування. Інша ситуація полягає в тому, що лікарі можуть отримати незвичний або, як правило, дорогий препарат для пацієнта, якщо зможуть продемонструвати, що препарат, ймовірно, буде ефективним. Крім того, тестування ліків на міні-органах може зменшити потребу в лабораторних тваринах.
Структура, що імітує легені
У 2019 році вчені з Університету Райса та Вашингтонського університету продемонстрували своє створення міні-органу, що імітує в дії легеню людини. Міні-легеня виготовлена з гідрогелю. Він містить невелику легенеподібну структуру, яка регулярно заповнюється повітрям. Мережа судин, наповнених кров’ю, оточує структуру.
При стимуляції легені, що моделюються, та її судини розширюються та скорочуються ритмічно, не порушуючись. На відео показано, як працює структура. Хоча органоїд не є повнорозмірним і не імітує всі тканини в легенях людини, його здатність рухатися, як легеня, є дуже важливою подією.
Деякі виклики для біодруку
Створення органу, придатного для імплантації, є складним завданням. Орган - це складна структура, що містить різні типи клітин і тканини, розташовані за певним малюнком. Крім того, коли органи розвиваються під час ембріонального розвитку, вони отримують хімічні сигнали, які дозволяють їх тонкій структурі та хитромудрій поведінці правильно розвиватися. Цих сигналів не вистачає, коли ми намагаємось створити орган штучно.
Деякі вчені вважають, що спочатку - і, можливо, на деякий час - ми надрукуємо імплантовані структури, які можуть виконувати одну функцію органу замість усіх його функцій. Ці простіші конструкції можуть бути дуже корисними, якщо вони компенсують серйозні дефекти в організмі.
Хоча, ймовірно, пройдуть роки, перш ніж біодруковані органи стануть доступними для імплантації, ми можемо побачити нові переваги технології до цього. Здається, темпи досліджень зростають. Майбутнє тривимірного друку стосовно медицини має бути як цікавим, так і захоплюючим.
Список літератури
- Штучне вухо, створене 3D-принтером та живими клітинами хряща журналу Smithsonian.
- Трансплантація щелепи, зроблена 3D-принтером від BBC (Британська телерадіомовна корпорація)
- Барвисті 3D друковані руки від Американського товариства інженерів-механіків
- Bioprinter створює спеціальні лабораторно вирощені частини тіла для трансплантації від The Guardian
- Перша 3D-друкована рогівка людини від служби новин EurekAlert
- 3D-принтер робить найменшу людську печінку за всю історію від New Scientist
- Міні-3D-друковані органи імітують серцебиття та печінку від New Scientist
- Орган, що імітує легені від Popular Mechanics
- Новий 3D-принтер робить вушні, м’язові та кісткові тканини в натуральну величину з живих клітин від Science Alert
- Тривимірний біопринтер для друку шкіри людини з нової послуги phys.org
Ця стаття є точною та вірною, наскільки відомо автору. Вміст призначений лише для інформаційних чи розважальних цілей і не замінює особистих порад чи професійних порад у ділових, фінансових, юридичних чи технічних питаннях.
