3D-skrivare inom medicin: spännande användningar och potentiella tillämpningar

Innehåll

• Omvandla medicin med 3D-skrivare
• Hur fungerar en 3D-skrivare?
• Gör ett öra
• Skillnad mellan en form och ett byggnadsställning
• Potentiella fördelar med tryckta öron
• Skriva ut en underkäke
• Proteser och implanterbara föremål
• Fler exempel
• Bioprinting med levande celler: En möjlig framtid
• Byte av organ och vävnad
• Några framgångar för bioprinting
• Skriva ut delar av hjärtat
• Skapa en hornhinna
• Fördelar med Mini Organ, Organoids eller Organ on a Chip
• En struktur som efterliknar lungan
• Några utmaningar för bioprinting
• Referenser

Linda Crampton undervisade vetenskap och informationsteknik för gymnasieelever i många år. Hon tycker om att lära sig om ny teknik.

Omvandla medicin med 3D-skrivare

3D-utskrift är en spännande aspekt av teknik som har många användbara applikationer. En fascinerande och potentiellt mycket viktig tillämpning av 3D-skrivare är skapandet av material som kan användas inom medicin. Dessa material inkluderar implanterbara medicinska apparater, konstgjorda kroppsdelar eller proteser och anpassade medicinska instrument. De inkluderar också tryckta fläckar av levande mänsklig vävnad samt mini-organ. I framtiden kan implanterbara organ skrivas ut.

3D-skrivare har möjlighet att skriva ut solida, tredimensionella objekt baserat på en digital modell lagrad i datorns minne. Ett vanligt tryckmedium är flytande plast som stelnar efter utskrift, men andra medier finns tillgängliga. Dessa inkluderar pulveriserad metall och "bläck" som innehåller levande celler.

Skrivarnas förmåga att producera material som är kompatibla med människokroppen förbättras snabbt. En del av materialen används redan i medicin medan andra fortfarande är i experimentstadiet. Många forskare är inblandade i utredningen. 3D-utskrift har den spännande potentialen att förändra medicinsk behandling.

Hur fungerar en 3D-skrivare?

Det första steget i skapandet av ett tredimensionellt objekt av en skrivare är att designa objektet. Detta görs i ett CAD-program (Computer-Aided Design). När designen är klar skapar ett annat program instruktioner för att producera objektet i en serie lager. Detta andra program kallas ibland ett skivprogram eller som skivprogramvara, eftersom det konverterar CAD-koden för hela objektet till kod för en serie skivor eller horisontella lager. Skikten kan vara hundratals eller till och med tusentals.

Skrivaren skapar objektet genom att deponera lager av material enligt skivprogrammets instruktioner, börja längst ner på objektet och arbeta uppåt. Efterföljande lager smälts samman. Processen kallas additiv tillverkning.

Plastfilament används ofta som ett medium för 3D-utskrift, särskilt i konsumentorienterade skrivare. Skrivaren smälter glödtråden och pressar sedan ut het plast genom ett munstycke. Munstycket rör sig i alla dimensioner när det släpper ut den flytande plasten för att skapa ett objekt. Munstyckets rörelse och mängden plast som extruderas styrs av skivprogrammet. Den heta plasten stelnar nästan omedelbart efter att den släppts ur munstycket. Andra typer av utskriftsmedia är tillgängliga för speciella ändamål.

Den del av örat som är synlig från utsidan av kroppen är känd som pinna eller auricle. Resten av örat ligger i skallen. Pinnans funktion är att samla ljudvågor och skicka dem till nästa del av örat.

Gör ett öra

I februari 2013 tillkännagav forskare vid Cornell University i USA att de hade kunnat göra en öronpinna med hjälp av 3D-utskrift. De steg som Cornell-forskarna följde var som följer.

• En modell av ett öra skapades i ett CAD-program. Forskarna använde fotografier av riktiga öron som grund för denna modell.
• Öronmodellen trycktes av en 3D-skrivare med plast för att skapa en form med örat.
• En hydrogel innehållande ett protein som kallas kollagen placerades inuti formen. En hydrogel är en gel som innehåller vatten.
• Kondrocyter (celler som producerar brosk) erhölls från koens öra och tillsattes kollagenet.
• Kollagenöret placerades i en näringslösning i en labskål. Medan örat var i lösningen ersatte några av kondrocyterna kollagenet.
• Örat implanterades sedan på baksidan av en råtta under huden.
• Efter tre månader hade kollagenet i örat helt ersatts med brosk och örat behöll sin form och distinktion från de omgivande råttcellerna.

Skillnad mellan en form och ett byggnadsställning

I öronprocessen som beskrivs ovan var plastörat en inert form. Dess enda funktion var att ge örat rätt form. Kollagenörat som bildades inuti formen fungerade som en byggnadsställning för kondrocyterna. I vävnadsteknik är en byggnadsställning ett biokompatibelt material med en specifik form på och i vilken celler växer. Byggnadsställningen har inte bara rätt form utan har också egenskaper som stöder cellernas livslängd.

Sedan den ursprungliga öronskapsprocessen utfördes har Cornell-forskarna hittat ett sätt att skriva ut ett kollageställare med rätt form som behövs för att göra ett öra, vilket eliminerar kravet på en plastform.

Potentiella fördelar med tryckta öron

Öron som gjorts med hjälp av skrivare kan vara användbara för personer som har tappat sina egna öron på grund av skada eller sjukdom. De kan också hjälpa människor som är födda utan öron eller har sådana som inte har utvecklats ordentligt.

För närvarande är ersättningsöron ibland tillverkade av brosk i patientens revben. Att få brosk är en obehaglig upplevelse för patienten och kan skada revbenet. Dessutom kan det resulterande örat inte se särskilt naturligt ut. Öronen är också gjorda av ett konstgjort material, men återigen är resultatet kanske inte helt tillfredsställande. Tryckta öron har potential att se mer ut som naturliga öron och att arbeta mer effektivt.

I mars 2013 rapporterade ett företag som heter Oxford Performance Materials att de hade ersatt 75% av en mans skalle med en tryckt polymerkran. 3D-skrivare används också för att tillverka hälsovårdsmaskiner, som proteser, hörapparater och tandimplantat.

Skriva ut en underkäke

I februari 2012 rapporterade nederländska forskare att de hade skapat en konstgjord underkäke med en 3D-skrivare och implanterat den i ansiktet på en 83-årig kvinna. Käken gjordes av lager av titanmetallpulver smält av värme och täcktes av en biokeramisk beläggning. Biokeramiska material är kompatibla med mänsklig vävnad.

Kvinnan fick den konstgjorda käken eftersom hon hade en kronisk beninfektion i sin egen underkäke. Läkare ansåg att traditionell ansiktsrekonstruktionsoperation var för riskabel för kvinnan på grund av hennes ålder.

Käken hade fogar så att den kunde flyttas, liksom håligheter för muskelfästning och spår för blodkärl och nerver. Kvinnan kunde säga några ord så snart hon vaknade av bedövningsmedlet. Nästa dag kunde hon svälja. Hon gick hem efter fyra dagar. Falska tänder skulle planeras att implanteras i käken vid ett senare tillfälle.

Tryckta strukturer används också i medicinsk utbildning och i pre-kirurgisk planering. En tredimensionell modell skapad från en patients medicinska skanningar kan vara mycket användbar för kirurger, eftersom den kan visa de specifika förhållandena i patientens kropp. Detta kan förenkla komplex kirurgi.

Proteser och implanterbara föremål

Metalkäken som beskrivs ovan är en typ av protes eller konstgjord kroppsdel. Produktionen av protetik är ett område där 3D-skrivare blir viktiga. Vissa sjukhus har nu egna skrivare eller arbetar i samarbete med ett läkemedelsföretag som har en skrivare.

Skapandet av en protes med 3D-utskrift är ofta en snabbare och billigare process än skapandet med konventionella tillverkningsmetoder. Dessutom är det lättare att skapa en anpassad passform för en patient när en enhet är speciellt utformad och tryckt för personen. Sjukhusundersökningar kan användas för att skapa skräddarsydda enheter.

Ersättningsben är ofta 3D-tryckta idag, åtminstone i vissa delar av världen. Tryckta armar och händer är ofta betydligt billigare än de som produceras med konventionella metoder. Ett 3D-tryckföretag arbetar med Walt Disney för att skapa färgglada och roliga protetiska händer för barn. Förutom att skapa en billigare produkt som är mer överkomlig, syftar initiativet "att hjälpa barn att se deras proteser som en källa till spänning snarare än förlägenhet eller begränsning".

Fler exempel

• I slutet av 2015 placerades tryckta ryggkotor framgångsrikt i en patient. Patienterna har också fått ett tryckt sternum och en bröstkorg.
• 3D-utskrift används för att producera förbättrade tandimplantat.
• Ersättande höftleder skrivs ofta ut.
• Katetrar som passar den specifika storleken och formen på en passage i en patients kropp kan snart vara vanliga.
• 3D-utskrift är ofta involverad i tillverkningen av hörapparater.

Bioprinting med levande celler: En möjlig framtid

Utskrift med levande celler, eller bioprinting, sker idag. Det är en känslig process. Cellerna får inte bli för heta. De flesta metoder för 3D-utskrift involverar höga temperaturer, vilket skulle döda celler. Dessutom får bärvätskan för cellerna inte skada dem. Vätskan och cellerna som den innehåller är känd som ett biobläck (eller en bioink).

Byte av organ och vävnad

Att ersätta skadade organ med organ tillverkade av 3D-skrivare skulle vara en underbar revolution inom medicin. För närvarande finns det inte tillräckligt med donerade organ tillgängliga för alla som behöver dem.

Planen är att ta celler från en patients egen kropp för att skriva ut ett organ som de behöver. Denna process bör förhindra organavstötning. Cellerna skulle sannolikt vara stamceller, vilka är ospecialiserade celler som kan producera andra celltyper när de stimuleras korrekt. De olika celltyperna deponeras av skrivaren i rätt ordning. Forskare upptäcker att åtminstone vissa typer av mänskliga celler har en fantastisk förmåga att självorganisera när de deponeras, vilket skulle vara till stor hjälp i processen att skapa ett organ.

En speciell typ av 3D-skrivare som kallas en bioprinter används för att göra levande vävnad. I en vanlig metod för att tillverka vävnaden trycks en hydrogel från ett skrivarhuvud för att bilda ett ställning. Små vätskedroppar, som alla innehåller tusentals celler, trycks på ställningen från ett annat skrivarhuvud. Dropparna förenas snart och cellerna fäster vid varandra. När den önskade strukturen har bildats avlägsnas hydrogelställningen.Den kan skalas bort eller tvättas bort om den är vattenlöslig. Biologiskt nedbrytbara byggnadsställningar kan också användas. Dessa bryts gradvis ner i en levande kropp.

I medicin är en transplantation överföring av ett organ eller vävnad från en givare till en mottagare. Ett implantat är införandet av en konstgjord anordning i patientens kropp. 3D-bioprinting faller någonstans mellan dessa två ytterligheter. Både "transplantation" och "implantat" används när det hänvisar till föremål som produceras av en bioprinter.

Några framgångar för bioprinting

Icke-levande implantat och proteser som skapats av 3D-skrivare används redan hos människor. Användningen av implantat som innehåller levande celler kräver mer forskning som utförs. Hela organ kan ännu inte göras med 3D-utskrift, men delar av organ kan. Många olika strukturer har skrivits ut, inklusive fläckar av hjärtmuskel som kan slå, hudfläckar, segment av blodkärl och knäbrosk. Dessa har ännu inte implanterats i människor. År 2017 presenterade forskare en prototyp av en skrivare som kan skapa mänsklig hud för implantation, och under 2018 skrev andra forskare ut hornhinnor i en process som en dag kan användas för att reparera ögonskador.

Några förhoppningsfulla upptäckter rapporterades 2016. Ett team av forskare implanterade tre typer av biotryckta strukturer under mössens hud. Dessa inkluderade en mänsklig öronpinna av babystorlek, en muskelbit och en sektion av mänskligt käftben. Blodkärl från omgivningen sträckte sig in i alla dessa strukturer medan de befann sig i mössens kroppar. Detta var en spännande utveckling, eftersom en blodtillförsel är nödvändig för att hålla vävnader vid liv. Blodet transporterar näringsämnen till levande vävnader och tar bort deras avfall.

Det var också spännande att notera att de implanterade strukturerna kunde hålla sig vid liv tills blodkärlen hade utvecklats. Denna bedrift uppnåddes genom förekomsten av små porer i strukturerna som gjorde att näringsämnen kunde tränga in i dem.

Skriva ut delar av hjärtat

Skapa en hornhinna

Forskare vid Newcastle University i Storbritannien har skapat 3D-tryckta hornhinnor. Hornhinnan är den transparenta, yttersta täckningen av våra ögon. Allvarlig skada på detta skydd kan orsaka blindhet. En hornhinnetransplantation löser ofta problemet, men det finns inte tillräckligt med hornhinnor tillgängliga för att hjälpa alla som behöver dem.

Forskarna erhöll stamceller från en hälsosam human hornhinna. Cellerna placerades sedan i en gel gjord av alginat och kollagen. Gelén skyddade cellerna när de färdades genom skrivarens enda munstycke. Mindre än tio minuter behövdes för att skriva ut gelén och cellerna i rätt form. Formen erhölls genom att skanna en persons öga. (I en medicinsk situation skulle patientens öga skannas.) När gel- och cellblandningen hade skrivits ut producerade stamcellerna en fullständig hornhinna.

Hornhinnorna som gjorts genom tryckprocessen har ännu inte implanterats i mänskliga ögon. Det kommer nog att dröja innan de är det. De har dock potential att hjälpa många människor.

Att stimulera stamceller för att producera de specialiserade celler som krävs för att göra en specifik del av människokroppen vid rätt tidpunkt är en utmaning i sig. Det är dock en process som kan ha underbara fördelar för oss.

Fördelar med Mini Organ, Organoids eller Organ on a Chip

Forskare har kunnat skapa mini-organ genom 3D-utskrift (och med andra metoder). "Miniorgan" är miniatyrversioner av organ, sektioner av organ eller plåster av vävnad från specifika organ. De hänvisas till med olika namn utöver termen miniorgel. De tryckta skapelserna kanske inte innehåller alla typer av strukturer som finns i orgel i full storlek, men de är bra ungefärliga. Forskning tyder på att de kan ha viktiga användningsområden, även om de inte kan implanteras.

Miniorgan produceras inte alltid från celler som levereras av en slumpmässig givare. Istället är de ofta gjorda av cellerna hos en person som har en sjukdom. Forskare kan kontrollera effekterna av mediciner på miniorganet. Om ett läkemedel visar sig vara till hjälp och inte skadligt kan det ges till patienten. Det finns flera fördelar med denna process. Det ena är att ett läkemedel som sannolikt kommer att vara till nytta för patientens specifika version av en sjukdom och för deras specifika genom kan användas, vilket ökar sannolikheten för en framgångsrik behandling. Ett annat är att läkare kan få ett ovanligt eller normalt dyrt läkemedel för en patient om de kan visa att läkemedlet sannolikt är effektivt. Dessutom kan testning av läkemedel på miniorgan minska behovet av laboratoriedjur.

En struktur som efterliknar lungan

År 2019 visade forskare vid Rice University och University of Washington att de skapade ett mini-organ som efterliknar en mänsklig lunga i aktion. Mini-lungan är gjord av en hydrogel. Den innehåller en liten lungliknande struktur som är fylld med luft med jämna mellanrum. Ett nätverk av kärl som är fyllda med blod omger strukturen.

När den stimuleras expanderar den simulerade lungan och dess kärl rytmiskt utan att bryta. Videon visar hur strukturen fungerar. Även om organoiden inte är i full storlek och inte efterliknar alla vävnader i en mänsklig lunga, är dess förmåga att röra sig som en lunga en mycket viktig utveckling.

Några utmaningar för bioprinting

Att skapa ett organ som är lämpligt för implantation är en svår uppgift. Ett organ är en komplex struktur som innehåller olika celltyper och vävnader ordnade i ett specifikt mönster. Dessutom, när organ utvecklas under embryonal utveckling, får de kemiska signaler som gör det möjligt för deras fina struktur och invecklade beteende att utvecklas ordentligt. Dessa signaler saknas när vi försöker skapa ett organ konstgjort.

En del forskare tror att vi först - och kanske under en längre tid - kommer att skriva ut implanterbara strukturer som kan utföra en enda funktion av ett organ istället för alla dess funktioner. Dessa enklare strukturer kan vara mycket användbara om de kompenserar för en allvarlig defekt i kroppen.

Även om det sannolikt kommer att ta flera år innan biotryckta organ är tillgängliga för implantat, kan vi mycket väl se nya fördelar med tekniken innan dess. Forskningstakten verkar öka. Framtiden för 3D-utskrift i förhållande till medicin borde vara mycket intressant och spännande.

Referenser

• Ett konstgjort öra skapat av en 3D-skrivare och levande broskceller från Smithsonian Magazine.
• Transplantationskäft tillverkad av en 3D-skrivare från BBC (British Broadcasting Corporation)
• Färgglada 3D-tryckta händer från American Society of Mechanical Engineers
• Bioprinter skapar skräddarsydda laboratoriedelade kroppsdelar för transplantation från The Guardian
• Första 3D-tryckta mänskliga hornhinnan från EurekAlert nyhetstjänst
• 3D-skrivare gör den minsta mänskliga levern någonsin från New Scientist
• Mini 3D-tryckta organ efterliknar pulserande hjärta och lever från New Scientist
• Ett organ som härmar lungorna från Popular Mechanics
• Ny 3D-skrivare gör livsstora öron-, muskel- och benvävnader från levande celler från Science Alert
• 3-D bioprinter för att skriva ut människohud från phys.orgs nya tjänst

Den här artikeln är korrekt och sant så vitt författaren vet. Innehållet är endast av informations- eller underhållningssyfte och ersätter inte personlig rådgivning eller professionell rådgivning i affärsmässiga, ekonomiska, juridiska eller tekniska frågor.