3D-skrivere i medisin: Spennende bruk og potensielle applikasjoner

Innhold

• Transformere medisin med 3D-skrivere
• Hvordan fungerer en 3D-skriver?
• Å lage et øre
• Forskjellen mellom en form og et stillas
• Potensielle fordeler med trykte ører
• Skrive ut en underkjeven
• Proteser og implanterbare gjenstander
• Flere eksempler
• Bioprinting med levende celler: En mulig fremtid
• Utskifting av organ og vev
• Noen bioprinting suksesser
• Skrive ut deler av hjertet
• Å lage en hornhinne
• Fordeler med miniorganer, organoider eller organer på en sjetong
• En struktur som etterligner lungene
• Noen utfordringer for bioprinting
• Referanser

Linda Crampton underviste i vitenskap og informasjonsteknologi til videregående studenter i mange år. Hun liker å lære om ny teknologi.

Transformere medisin med 3D-skrivere

3D-utskrift er et spennende aspekt av teknologi som har mange nyttige applikasjoner. En fascinerende og potensielt veldig viktig anvendelse av 3D-skrivere er å lage materialer som kan brukes i medisin. Disse materialene inkluderer implanterbare medisinske innretninger, kunstige kroppsdeler eller proteser, og spesialtilpassede medisinske instrumenter. De inkluderer også trykte flekker av levende menneskelig vev samt mini-organer. I fremtiden kan implanterbare organer skrives ut.

3D-skrivere har muligheten til å skrive ut faste, tredimensjonale objekter basert på en digital modell lagret i datamaskinens minne. Et vanlig trykkmedium er flytende plast som stivner etter utskrift, men andre medier er tilgjengelige. Disse inkluderer pulverisert metall og "blekk" som inneholder levende celler.

Skrivernes evne til å produsere materialer som er kompatible med menneskekroppen forbedres raskt. Noen av materialene er allerede brukt i medisin, mens andre fremdeles er i eksperimentfasen. Mange forskere er involvert i etterforskningen. 3D-utskrift har det spennende potensialet til å transformere medisinsk behandling.

Hvordan fungerer en 3D-skriver?

Det første trinnet i opprettelsen av et tredimensjonalt objekt av en skriver er å designe objektet. Dette gjøres i et CAD-program (Computer-Aided Design). Når designen er ferdig, lager et annet program instruksjoner for å produsere objektet i en serie lag. Dette andre programmet er noen ganger kjent som et skiveprogram eller som skiverprogramvare, siden det konverterer CAD-koden for hele objektet til kode for en serie skiver eller horisontale lag. Lagene kan telle hundrevis eller til og med i tusenvis.

Skriveren lager gjenstanden ved å avsette lag med materiale i henhold til instruksjonene til skiverprogrammet, og begynner på bunnen av objektet og jobber oppover. Suksessive lag smelter sammen. Prosessen er referert til som additiv produksjon.

Plastfilament brukes ofte som medium for 3D-utskrift, spesielt i forbrukerorienterte skrivere. Skriveren smelter filamentet og ekstruderer deretter varm plast gjennom en dyse. Dysen beveger seg i alle dimensjoner når den frigjør flytende plast for å skape et objekt. Bevegelsen til dysen og mengden plast som ekstruderes styres av skiverprogrammet. Den varme plasten stivner nesten umiddelbart etter at den er frigitt fra dysen. Andre typer utskriftsmedier er tilgjengelige for spesielle formål.

Den delen av øret som er synlig fra utsiden av kroppen er kjent som pinna eller auricle. Resten av øret ligger i hodeskallen. Funksjonen til pinna er å samle lydbølger og sende dem til neste del av øret.

Å lage et øre

I februar 2013 kunngjorde forskere ved Cornell University i USA at de hadde vært i stand til å lage en ørepinne ved hjelp av 3D-utskrift. Fremgangsmåten fulgt av Cornell-forskerne var som følger.

• En modell av et øre ble opprettet i et CAD-program. Forskerne brukte fotografier av ekte ører som grunnlag for denne modellen.
• Øremodellen ble trykt av en 3D-skriver, ved hjelp av plast for å lage en form med ørens form.
• En hydrogel inneholdende et protein kalt kollagen ble plassert inne i formen. En hydrogel er en gel som inneholder vann.
• Kondrocytter (celler som produserer brusk) ble oppnådd fra kuens øre og lagt til kollagenet.
• Kollagenøret ble plassert i en næringsoppløsning i en labskål. Mens øret var i løsningen, erstattet noen av kondrocyttene kollagenet.
• Øret ble deretter implantert på baksiden av en rotte under huden.
• Etter tre måneder hadde kollagenet i øret blitt erstattet fullstendig med brusk, og øret hadde opprettholdt sin form og skillet fra de omkringliggende rottecellene.

Forskjellen mellom en form og et stillas

I øredannelsesprosessen beskrevet ovenfor var plastøret en inert form. Den eneste funksjonen var å gi øret riktig form. Kollagenøret som dannet seg i formen fungerte som et stillas for kondrocyttene. I vevsteknikk er et stillas et biokompatibelt materiale med en bestemt form på og i hvilke celler vokser. Stillaset har ikke bare riktig form, men har også egenskaper som støtter cellene.

Siden den opprinnelige øreprosessen ble utført, har Cornell-forskerne funnet en måte å skrive ut et kollagenstillas med riktig form som trengs for å lage et øre, og eliminere kravet til en plastform.

Potensielle fordeler med trykte ører

Ører laget ved hjelp av skrivere kan være nyttige for personer som har mistet ørene på grunn av skade eller sykdom. De kan også hjelpe mennesker som er født uten ører eller som ikke har utviklet seg ordentlig.

For øyeblikket er erstatningsører noen ganger laget av brusk i pasientens ribbein. Å skaffe brusk er en ubehagelig opplevelse for pasienten og kan skade ribben. I tillegg kan det resulterende øret ikke se veldig naturlig ut. Ørene er også laget av et kunstig materiale, men nok en gang er resultatet kanskje ikke helt tilfredsstillende. Trykte ører har potensial til å ligne mer på naturlige ører og å jobbe mer effektivt.

I mars 2013 rapporterte et selskap kalt Oxford Performance Materials at de hadde byttet ut 75% av en manns hodeskalle med en trykt polymerkalle. 3D-skrivere brukes også til å lage helsehjelpsapparater, som proteser, høreapparater og tannimplantater.

Skrive ut en underkjeven

I februar 2012 rapporterte nederlandske forskere at de hadde laget en kunstig underkjeven med en 3D-skriver og implantert den i ansiktet til en 83 år gammel kvinne. Kjeven ble laget av lag av titanmetallpulver smeltet av varme og ble dekket av et biokeramisk belegg. Biokeramiske materialer er kompatible med humant vev.

Kvinnen fikk den kunstige kjeven fordi hun hadde en kronisk beininfeksjon i sin egen underkjeven. Legene mente at tradisjonell ansiktsrekonstruksjonskirurgi var for risikabelt for kvinnen på grunn av alderen.

Kjeven hadde ledd slik at den kunne flyttes, samt hulrom for feste av muskler og spor for blodkar og nerver. Kvinnen var i stand til å si noen ord så snart hun våknet av bedøvelsesmidlet. Dagen etter klarte hun å svelge. Hun dro hjem etter fire dager. Falske tenner skulle etter planen implanteres i kjeven.

Trykte strukturer blir også brukt i medisinsk opplæring og i pre-kirurgisk planlegging. En tredimensjonal modell laget av pasientens medisinske skanninger kan være veldig nyttig for kirurger, siden den kan vise de spesifikke forholdene inne i pasientens kropp. Dette kan forenkle kompleks kirurgi.

Proteser og implanterbare gjenstander

Metallkjeven beskrevet ovenfor er en type protese eller kunstig kroppsdel. Produksjon av proteser er et område der 3D-skrivere blir viktige. Noen sykehus har nå egne skrivere eller jobber i samarbeid med et medisinsk forsyningsselskap som har en skriver.

Opprettelsen av en protese ved 3D-utskrift er ofte en raskere og billigere prosess enn oppretting ved konvensjonelle produksjonsmetoder. I tillegg er det lettere å lage en tilpasset passform for en pasient når en enhet er spesielt designet og skrevet ut for personen. Sykehusskanninger kan brukes til å lage skreddersydde enheter.

Erstatningslemmer blir ofte 3D-trykt i dag, i det minste i noen deler av verden. Trykte armer og hender er ofte betydelig billigere enn de som produseres ved konvensjonelle metoder. Et 3D-utskriftsfirma jobber med Walt Disney for å lage fargerike og morsomme protesehender for barn. I tillegg til å skape et billigere produkt som er rimeligere, tar initiativet sikte på "å hjelpe barna å se protesen som en kilde til spenning i stedet for forlegenhet eller begrensning".

Flere eksempler

• På slutten av 2015 ble trykte ryggvirvler vellykket plassert hos en pasient. Pasientene har også fått en trykt brystben og en ribcage.
• 3D-utskrift brukes til å produsere forbedrede tannimplantater.
• Utskiftning av hofteledd skrives ofte ut.
• Katetre som passer til den spesifikke størrelsen og formen på en passasje i pasientens kropp, kan snart være vanlig.
• 3D-utskrift er ofte involvert i produksjonen av høreapparater.

Bioprinting med levende celler: En mulig fremtid

Utskrift med levende celler, eller bioprinting, skjer i dag. Det er en delikat prosess. Cellene må ikke bli for varme. De fleste metoder for 3D-utskrift involverer høye temperaturer, som vil drepe celler. I tillegg må bærervæsken for cellene ikke skade dem. Væsken og cellene den inneholder er kjent som et bioblekk (eller en bioink).

Utskifting av organ og vev

Erstatning av skadede organer med organer laget av 3D-skrivere ville være en fantastisk revolusjon innen medisin. For øyeblikket er det ikke nok donerte organer tilgjengelig for alle som trenger dem.

Planen er å ta celler fra pasientens egen kropp for å skrive ut et organ de trenger. Denne prosessen skal forhindre avvisning av organer. Cellene vil sannsynligvis være stamceller, som er uspesialiserte celler som er i stand til å produsere andre celletyper når de stimuleres riktig. De forskjellige celletyper vil bli avsatt av skriveren i riktig rekkefølge. Forskere oppdager at i det minste noen slags menneskelige celler har en fantastisk evne til å selvorganisere seg når de blir avsatt, noe som vil være veldig nyttig i prosessen med å lage et organ.

En spesiell type 3D-skriver kjent som en bioprinter brukes til å lage levende vev. I en vanlig metode for å lage vevet, blir en hydrogel trykt fra ett skriverhode for å danne et stillas. Små væskedråper, som hver inneholder mange tusen celler, blir trykt på stillaset fra et annet skriverhode. Dråpene blir snart sammen og cellene blir festet til hverandre. Når ønsket struktur er dannet, fjernes hydrogelstillaset.Det kan skrelles bort eller vaskes bort hvis det er vannløselig. Biologisk nedbrytbare stillaser kan også brukes. Disse brytes gradvis ned i en levende kropp.

I medisin er en transplantasjon overføring av et organ eller vev fra en donor til en mottaker. Et implantat er innsetting av en kunstig enhet i pasientens kropp. 3D bioprinting faller et sted mellom disse to ytterpunktene. Både "transplantasjon" og "implantat" brukes når det refereres til gjenstander produsert av en bioprinter.

Noen bioprinting suksesser

Ikke-levende implantater og proteser laget av 3D-skrivere brukes allerede hos mennesker. Bruk av implantater som inneholder levende celler krever mer forskning som blir utført. Hele organer kan ennå ikke lages ved 3D-utskrift, men deler av organer kan. Mange forskjellige strukturer er skrevet ut, inkludert flekker av hjertemuskler som er i stand til å slå, hudplaster, segmenter av blodkar og knebrenke. Disse har ennå ikke blitt implantert i mennesker. I 2017 presenterte forskere imidlertid en prototype av en skriver som kan skape menneskelig hud for implantasjon, og i 2018 trykte andre forskere hornhinner i en prosess som en dag kan brukes til å reparere øyeskader.

Noen håpefulle funn ble rapportert i 2016. Et team av forskere implanterte tre typer biotrykkede strukturer under musens hud. Disse inkluderte et menneskelig ørepinne av babystørrelse, et stykke muskler og en del av menneskelig kjeveben. Blodkar fra omgivelsene strakte seg inn i alle disse strukturene mens de var i musenes kropper. Dette var en spennende utvikling siden blodtilførsel er nødvendig for å holde vevet i live. Blodet fører næringsstoffer til levende vev og fjerner avfallet.

Det var også spennende å merke seg at de implanterte strukturene klarte å holde seg i live til blodårene hadde utviklet seg. Denne prestasjonen ble oppnådd ved eksistensen av små porer i strukturene som tillot næringsstoffer å komme inn i dem.

Skrive ut deler av hjertet

Å lage en hornhinne

Forskere ved Newcastle University i Storbritannia har laget 3D-trykte hornhinner. Hornhinnen er det gjennomsiktige, ytterste dekket av øynene våre. Alvorlig skade på dette dekket kan føre til blindhet. En hornhinnetransplantasjon løser ofte problemet, men det er ikke nok hornhinner tilgjengelig for å hjelpe alle som trenger dem.

Forskerne fikk stamceller fra en sunn menneskelig hornhinne. Cellene ble deretter plassert i en gel laget av alginat og kollagen. Gelen beskyttet cellene mens de beveget seg gjennom den eneste dysen på skriveren. Mindre enn ti minutter var nødvendig for å trykke gelen og cellene i riktig form. Formen ble oppnådd ved å skanne en persons øye. (I en medisinsk situasjon vil pasientens øye bli skannet.) Når gel- og celleblandingen ble skrevet ut, produserte stamcellene en fullstendig hornhinne.

Hornhinnene laget av trykkeprosessen har ennå ikke blitt implantert i menneskers øyne. Det vil nok ta litt tid før de er det. De har imidlertid potensialet til å hjelpe mange mennesker.

Å stimulere stamceller til å produsere de spesialiserte cellene som kreves for å gjøre en bestemt del av menneskekroppen til riktig tid, er en utfordring i seg selv. Det er imidlertid en prosess som kan ha fantastiske fordeler for oss.

Fordeler med miniorganer, organoider eller organer på en sjetong

Forskere har vært i stand til å lage mini-organer ved 3D-utskrift (og ved andre metoder). "Miniorganer" er miniatyrversjoner av organer, deler av organer eller flekker av vev fra bestemte organer. De er referert til med forskjellige navn i tillegg til begrepet miniorgel. De trykte kreasjonene inneholder kanskje ikke alle typer strukturer som finnes i orgelet i full størrelse, men de er gode tilnærminger. Forskning indikerer at de kan ha viktige bruksområder, selv om de ikke kan implanteres.

Miniorganer produseres ikke alltid fra celler levert av en tilfeldig giver. I stedet blir de ofte laget av cellene til en person som har en sykdom. Forskere kan sjekke effekten av medisiner på mini-organet. Hvis et legemiddel blir funnet å være nyttig og ikke skadelig, kan det bli gitt til pasienten. Det er flere fordeler med denne prosessen. Den ene er at medisiner som sannsynligvis vil være gunstige for pasientens spesifikke versjon av en sykdom og for deres spesifikke genom, kan brukes, noe som øker sannsynligheten for en vellykket behandling. En annen er at leger kan være i stand til å skaffe seg et uvanlig eller normalt dyrt legemiddel for en pasient hvis de kan demonstrere at stoffet sannsynligvis vil være effektivt. I tillegg kan testing av medisiner på miniorganer redusere behovet for forsøksdyr.

En struktur som etterligner lungene

I 2019 demonstrerte forskere ved Rice University og University of Washington sin opprettelse av et mini-organ som etterligner en menneskelig lunge i aksjon. Mini-lungen er laget av en hydrogel. Den inneholder en liten lungelignende struktur som er fylt med luft med jevne mellomrom. Et nettverk av kar som er fylt med blod omgir strukturen.

Når den stimuleres utvides og simuleres den simulerte lungen og dens fartøyer rytmisk uten å bryte. Videoen viser hvordan strukturen fungerer. Selv om organoiden ikke er i full størrelse og ikke etterligner alt vev i en menneskelig lunge, er dens evne til å bevege seg som en lunge en veldig viktig utvikling.

Noen utfordringer for bioprinting

Å lage et organ som er egnet for implantasjon er en vanskelig oppgave. Et organ er en kompleks struktur som inneholder forskjellige celletyper og vev ordnet i et bestemt mønster. I tillegg, når organer utvikler seg under embryonal utvikling, mottar de kjemiske signaler som gjør det mulig for deres fine struktur og intrikate oppførsel å utvikle seg riktig. Disse signalene mangler når vi prøver å lage et organ kunstig.

Noen forskere tror at vi først - og kanskje for en stund fremover - vil trykke implanterbare strukturer som kan utføre en enkelt funksjon av et organ i stedet for alle dets funksjoner. Disse enklere strukturene kan være veldig nyttige hvis de kompenserer for en alvorlig mangel i kroppen.

Selv om det sannsynligvis vil gå år før bioprintede organer er tilgjengelige for implantater, kan vi godt se nye fordeler med teknologien før da. Forskningstakten ser ut til å øke. Fremtiden for 3D-utskrift i forhold til medisin bør være veldig interessant og spennende.

Referanser

• Et kunstig øre skapt av en 3D-skriver og levende bruskceller fra Smithsonian Magazine.
• Transplantasjonskjeve laget av en 3D-skriver fra BBC (British Broadcasting Corporation)
• Fargerike 3D-trykte hender fra American Society of Mechanical Engineers
• Bioprinter lager skreddersydde laboratoriedyrkede kroppsdeler for transplantasjon fra The Guardian
• Første 3D-trykte menneskelige hornhinne fra EurekAlert nyhetstjeneste
• 3D-skriver lager den minste menneskelige leveren noensinne fra New Scientist
• Mini 3D-trykte organer etterligner bankende hjerte og lever fra New Scientist
• Et organ som etterligner lungene fra Popular Mechanics
• Ny 3D-skriver lager ør-, muskel- og beinvev i livsstil fra levende celler fra Science Alert
• 3-D bioprinter for å trykke menneskeskinn fra phys.org nye tjeneste

Denne artikkelen er nøyaktig og sann etter best forfatterens viten. Innholdet er kun for informasjons- eller underholdningsformål og erstatter ikke personlig rådgivning eller profesjonell rådgivning i forretningsmessige, økonomiske, juridiske eller tekniske forhold.