Turinys
- Medicinos transformavimas 3D spausdintuvais
- Kaip veikia 3D spausdintuvas?
- Padaryti ausį
- Skirtumas tarp pelėsių ir pastolių
- Galima spausdintų ausų nauda
- Apatinio žandikaulio spausdinimas
- Protezavimas ir implantuojami daiktai
- Daugiau pavyzdžių
- Biografinis spausdinimas gyvosiomis ląstelėmis: įmanoma ateitis
- Organų ir audinių pakeitimas
- Kai kurie biologinio spausdinimo laimėjimai
- Širdies dalių spausdinimas
- Ragenos sukūrimas
- Mini organų, organoidų ar organų ant mikroschemos privalumai
- Struktūra, imituojanti plaučius
- Kai kurie biologinio spausdinimo iššūkiai
- Nuorodos
Linda Crampton daugelį metų dėstė mokslus ir informacines technologijas vidurinių mokyklų studentams. Jai patinka sužinoti apie naujas technologijas.
Medicinos transformavimas 3D spausdintuvais
3D spausdinimas yra įdomus technologijos aspektas, turintis daug naudingų programų. Viena patrauklių ir potencialiai labai svarbių 3D spausdintuvų taikymo yra medžiagų, kurios gali būti naudojamos medicinoje, kūrimas. Šios medžiagos apima implantuojamus medicinos prietaisus, dirbtines kūno dalis ar protezus ir pritaikytus medicinos instrumentus. Jie taip pat apima atspausdintus gyvo žmogaus audinio pleistrus, taip pat mini organus. Ateityje implantuojami organai gali būti atspausdinti.
3D spausdintuvai turi galimybę spausdinti tvirtus, trimačius objektus, pagrįstus skaitmeniniu modeliu, saugomu kompiuterio atmintyje. Dažna spausdinimo terpė yra skystas plastikas, kuris sukietėja po spausdinimo, tačiau yra ir kitų laikmenų. Tai apima metalo miltelius ir „rašalus“, kuriuose yra gyvų ląstelių.
Spaudėjų gebėjimas gaminti medžiagas, suderinamas su žmogaus kūnu, sparčiai gerėja. Kai kurios medžiagos jau naudojamos medicinoje, o kitos dar tik eksperimento stadijoje. Tyrime dalyvauja daug mokslininkų. 3D spausdinimas turi didžiulį potencialą pakeisti medicininį gydymą.
Kaip veikia 3D spausdintuvas?
Pirmasis žingsnis kuriant trimatį objektą spausdintuvu yra objekto projektavimas. Tai atliekama naudojant CAD (Computer-Aided Design) programą. Baigus dizainą, kita programa sukuria instrukcijas, kaip gaminti objektą daugybe sluoksnių. Ši antroji programa kartais vadinama pjaustymo programa arba kaip pjaustymo programa, nes ji konvertuoja viso objekto CAD kodą į griežinėlių ar horizontalių sluoksnių serijos kodą. Sluoksnių gali būti šimtai ar net tūkstančiai.
Spausdintuvas sukuria objektą, padėdamas medžiagos sluoksnius pagal pjaustyklės programos instrukcijas, pradedant nuo objekto apačios ir dirbant aukštyn. Vėlesni sluoksniai sulydomi. Procesas vadinamas priedų gamyba.
Plastikiniai siūlai dažnai naudojami kaip terpė 3D spausdinimui, ypač į vartotoją orientuotuose spausdintuvuose. Spausdintuvas ištirpdo kaitinimo siūlą ir tada per purkštuką išstumia karštą plastiką. Purkštukas juda visais matmenimis, kai išleidžia skystą plastiką, kad sukurtų daiktą. Purkštuvo programa kontroliuoja purkštuko judėjimą ir išspausto plastiko kiekį. Karštas plastikas sukietėja beveik iškart po to, kai jis išleidžiamas iš purkštuko. Specialios paskirties yra kitų tipų spausdinimo medžiagos.
Ausies dalis, matoma iš kūno išorės, yra vadinama smaigaliu arba ausies kaula. Likusi ausies dalis yra kaukolėje. Pinna funkcija yra surinkti garso bangas ir siųsti jas į kitą ausies skyrių.
Padaryti ausį
2013 m. Vasario mėn. Jungtinių Valstijų Kornelio universiteto mokslininkai paskelbė, kad 3D spausdinimo pagalba pavyko pagaminti ausies spenelį. Kornelio mokslininkų atlikti žingsniai buvo tokie.
- CAD programoje buvo sukurtas ausies modelis. Tyrėjai šio modelio pagrindu panaudojo tikrų ausų fotografijas.
- Ausies modelis buvo atspausdintas 3D spausdintuvu, naudojant plastiką, kad būtų sukurta ausies formos forma.
- Į pelėsį buvo įdėtas hidrogelis, kuriame buvo baltymas, vadinamas kolagenu. Hidrogelis yra gelis, kuriame yra vandens.
- Chondrocitai (ląstelės, gaminančios kremzlę) buvo gauti iš karvės ausies ir pridedami prie kolageno.
- Kolageno ausis buvo įdėta į maistinį tirpalą laboratorijos inde. Kol ausies buvo tirpale, kai kurie chondrocitai pakeitė kolageną.
- Tada ausis buvo implantuota žiurkės gale po oda.
- Po trijų mėnesių ausies kolagenas buvo visiškai pakeistas kremzle, o ausis išlaikė savo formą ir skirtumą nuo aplinkinių žiurkių ląstelių.
Skirtumas tarp pelėsių ir pastolių
Aukščiau aprašytame ausų kūrimo procese plastikinė ausis buvo inertiška forma. Vienintelė jo funkcija buvo suteikti teisingą ausies formą. Kolageno ausies, susidariusios pelėsių viduje, veikė kaip chondrocitų pastoliai. Audinių inžinerijoje pastoliai yra biologiškai suderinama medžiaga, turinti tam tikrą formą ir kurioje ląstelės auga. Pastoliai turi ne tik teisingą formą, bet ir savybes, palaikančias ląstelių gyvenimą.
Nuo to laiko, kai buvo atliktas originalus ausų kūrimo procesas, Kornelio tyrėjai rado būdą, kaip atspausdinti teisingos formos kolageno pastolius, reikalingus ausiai pagaminti, panaikinant plastikinės formos poreikį.
Galima spausdintų ausų nauda
Ausys, pagamintos spausdintuvų pagalba, gali būti naudingos žmonėms, praradusiems ausis dėl traumos ar ligų. Jie taip pat galėtų padėti žmonėms, kurie gimė be ausų arba turi netinkamai išsivysčiusias ausis.
Šiuo metu pakaitinės ausys kartais daromos iš paciento šonkaulio kremzlės. Kremzlės gavimas yra nemaloni patirtis pacientui ir gali pakenkti šonkauliui. Be to, atsiradusi ausis gali neatrodyti labai natūrali. Ausys taip pat gaminamos iš dirbtinės medžiagos, tačiau vėlgi rezultatas gali būti ne visai patenkinamas. Spausdintos ausys gali atrodyti panašesnės į natūralias ausis ir dirbti efektyviau.
2013 m. Kovo mėn. Įmonė pavadinimu „Oxford Performance Materials“ pranešė, kad jie 75% vyro kaukolės pakeitė spausdinta polimero kaukole. 3D spausdintuvai taip pat naudojami gaminant sveikatos priežiūros prietaisus, tokius kaip galūnių protezai, klausos aparatai ir dantų implantai.
Apatinio žandikaulio spausdinimas
2012 m. Vasario mėn. Olandų mokslininkai pranešė, kad sukūrė 3D dirbtuvu dirbtinį apatinį žandikaulį ir implantavo jį į veidą 83 metų moteriai. Žandikaulis buvo pagamintas iš titano metalo miltelių sluoksnių, susiliejusių nuo karščio, ir padengtas biokeramine danga. Bioceraminės medžiagos yra suderinamos su žmogaus audiniais.
Moteris gavo dirbtinį žandikaulį, nes jos apatinis žandikaulis turėjo lėtinę kaulų infekciją. Gydytojai manė, kad tradicinė veido rekonstrukcijos operacija moteriai buvo per rizikinga dėl jos amžiaus.
Žandikaulis turėjo sąnarius, kad jį būtų galima pajudinti, taip pat ertmės raumenų tvirtinimui ir grioveliai kraujagyslėms bei nervams. Moteris galėjo pasakyti keletą žodžių, kai tik pabudo nuo anestetiko. Kitą dieną ji galėjo nuryti. Ji grįžo namo po keturių dienų. Dirbtinius dantis vėliau buvo numatyta implantuoti į žandikaulį.
Spausdintos struktūros taip pat naudojamos medicinos mokymuose ir planuojant prieš operaciją. Trimatis modelis, sukurtas atliekant paciento medicininius tyrimus, gali būti labai naudingas chirurgams, nes jis gali parodyti specifines paciento kūno sąlygas. Tai gali supaprastinti sudėtingą operaciją.
Protezavimas ir implantuojami daiktai
Aukščiau aprašytas metalinis žandikaulis yra protezo arba dirbtinės kūno dalies tipas. Protezavimo gamyba yra sritis, kurioje 3D spausdintuvai tampa svarbūs. Kai kurios ligoninės dabar turi savo spausdintuvus arba dirba bendradarbiaudamos su spausdintuvą turinčia medicinos tiekimo įmone.
Protezo sukūrimas 3D spausdinimo būdu yra greitesnis ir pigesnis procesas nei kūrimas naudojant įprastus gamybos metodus. Be to, lengviau sukurti pacientui pritaikytą pritaikymą, kai prietaisas yra specialiai sukurtas ir atspausdintas asmeniui. Ligoninės nuskaitymai gali būti naudojami pritaikytiems prietaisams kurti.
Pakaitinės galūnės šiandien 3D formatu spausdinamos, bent jau kai kuriose pasaulio vietose. Spausdintos rankos ir rankos dažnai yra žymiai pigesnės nei pagamintos naudojant įprastus metodus. Viena 3D spausdinimo įmonė kartu su Walt Disney kuria spalvingas ir linksmas protezines rankas vaikams. Be to, kad sukurtas pigesnis produktas, kuris yra labiau prieinamas, iniciatyva siekiama „padėti vaikams savo protezavimą vertinti kaip jaudulio, o ne gėdos ar apribojimo šaltinį“.
Daugiau pavyzdžių
- 2015 m. Pabaigoje pacientui buvo sėkmingai įdėti atspausdinti slanksteliai. Pacientai taip pat gavo atspausdintą krūtinkaulį ir šonkaulį.
- 3D spausdinimas naudojamas patobulintiems dantų implantams gaminti.
- Klubo sąnarių sąnariai dažnai spausdinami.
- Kateteriai, atitinkantys konkretų paciento kūno ištraukos dydį ir formą, netrukus gali būti įprasti.
- 3D spausdinimas dažnai susijęs su klausos aparatų gamyba.
Biografinis spausdinimas gyvosiomis ląstelėmis: įmanoma ateitis
Šiandien vyksta spausdinimas gyvomis ląstelėmis arba biografinis spausdinimas. Tai subtilus procesas. Kamerose neturi būti per karšta. Dauguma 3D spausdinimo būdų apima aukštą temperatūrą, dėl kurios ląstelės žūtų. Be to, ląstelių nešiklis negali pakenkti joms. Skystis ir jame esančios ląstelės yra žinomos kaip biologinis rašalas (arba bioinkas).
Organų ir audinių pakeitimas
Pažeistų organų pakeitimas organais, pagamintais iš 3D spausdintuvų, būtų nuostabi revoliucija medicinoje. Šiuo metu visiems, kuriems jų reikia, nėra pakankamai paaukotų organų.
Planas yra paimti ląsteles iš paties paciento kūno, kad atspausdintų jiems reikalingą organą. Šis procesas turėtų užkirsti kelią organo atmetimui. Ląstelės greičiausiai bus kamieninės ląstelės, kurios yra nespecializuotos ląstelės, kurios, tinkamai stimuliuodamos, sugeba gaminti kitų tipų ląsteles. Skirtingus langelių tipus spausdintuvas išdėstys teisinga tvarka. Mokslininkai atranda, kad bent kai kurios žmogaus ląstelių rūšys turi nuostabų gebėjimą savaime susitvarkyti, kai jos nusėda, o tai būtų labai naudinga kuriant organą.
Gyvam audiniui gaminti naudojamas specialus 3D spausdintuvo tipas, žinomas kaip bioprinteris. Taikant įprastą audinių gamybos būdą, iš vienos spausdintuvo galvutės atspausdinamas hidrogelis, kad būtų suformuotas pastolis. Iš kitos spausdintuvo galvutės ant pastolių atspausdinami nedideli skysčio lašeliai, kuriuose kiekvienoje yra daug tūkstančių ląstelių. Netrukus lašeliai susijungia ir ląstelės prisiriša viena prie kitos. Susikūrus norimai struktūrai, hidrogelio pastoliai pašalinami.Jis gali būti nuluptas arba nuplautas, jei jis tirpsta vandenyje. Taip pat gali būti naudojami biologiškai skaidomi pastoliai. Šie pamažu skyla gyvo kūno viduje.
Medicinoje transplantacija yra organo ar audinio perkėlimas iš donoro į recipientą. Implantas yra dirbtinio prietaiso įvedimas į paciento kūną. 3D biografinis spausdinimas patenka tarp šių dviejų kraštutinumų. Kalbant apie bioprinterio pagamintus daiktus, vartojami ir „persodinimas“, ir „implantas“.
Kai kurie biologinio spausdinimo laimėjimai
3D spausdintuvų sukurti negyvi implantai ir protezai jau naudojami žmonėms. Norint naudoti implantus, kuriuose yra gyvų ląstelių, reikia atlikti daugiau tyrimų. Visų organų kol kas negalima pagaminti 3D spausdinimo būdu, tačiau organų pjūviai gali. Buvo išspausdinta daugybė skirtingų struktūrų, įskaitant širdies raumenis, galinčius plakti, odos pleistrus, kraujagyslių segmentus ir kelio kremzles. Jie dar nebuvo implantuoti žmonėms. 2017 m. Mokslininkai pristatė spausdintuvo, galinčio sukurti žmogaus odą implantacijai, prototipą, o 2018 m. Kiti mokslininkai rageną spausdino procese, kuris vieną dieną gali būti naudojamas akių pažeidimams pašalinti.
Kai kurie viltingi atradimai buvo pranešti 2016 m. Mokslininkų komanda po pelių oda implantavo trijų tipų bioprintines struktūras. Tarp jų buvo kūdikio dydžio žmogaus ausies spenelis, raumens gabalas ir žmogaus žandikaulio kaulo dalis. Kraujagyslės iš aplinkos išsiplėtė į visas šias struktūras, kol jos buvo pelių kūnuose. Tai buvo jaudinantis įvykis, nes norint išlaikyti audinius gyvybiškai reikalingas kraujas. Kraujas perneša maistines medžiagas į gyvus audinius ir pašalina jų atliekas.
Taip pat buvo įdomu pastebėti, kad implantuotos struktūros galėjo išlikti gyvos, kol kraujagyslės išsivystė. Šis žygdarbis įvyko dėl to, kad struktūrose buvo mažų porų, leidžiančių į jas patekti maistinėms medžiagoms.
Širdies dalių spausdinimas
Ragenos sukūrimas
Jungtinės Karalystės Niukaslio universiteto mokslininkai sukūrė 3D spausdintas ragenas. Ragena yra skaidri, išorinė mūsų akių danga. Rimtas šios dangos pažeidimas gali apakinti. Ragenos transplantacija dažnai išsprendžia problemą, tačiau nėra pakankamai ragenos, kad galėtų padėti visiems, kuriems jos reikia.
Mokslininkai kamienines ląsteles gavo iš sveikos žmogaus ragenos. Tada ląstelės buvo dedamos į gelį, pagamintą iš alginato ir kolageno. Gelis apsaugojo ląsteles, kai jos keliavo per vieną spausdintuvo antgalį. Reikėjo mažiau nei dešimties minučių, kad gelis ir ląstelės būtų išspausdintos teisingos formos. Forma buvo gauta nuskenuojant žmogaus akį. (Esant medicininei situacijai, paciento akis būtų nuskaityta.) Kai gelio ir ląstelių mišinys buvo išspausdintas, kamieninės ląstelės pagamino visišką rageną.
Spaudos metu pagamintos ragenos dar nebuvo implantuotos į žmogaus akis. Tikriausiai praeis šiek tiek laiko, kol jie bus. Tačiau jie gali padėti daugeliui žmonių.
Skatinti kamienines ląsteles gaminti specializuotas ląsteles, reikalingas tam tikrai žmogaus kūno daliai pagaminti tinkamu laiku, yra savaime iššūkis. Tačiau tai procesas, kuris mums gali turėti nuostabios naudos.
Mini organų, organoidų ar organų ant mikroschemos privalumai
Mokslininkams pavyko sukurti mini vargonus 3D spausdinimo būdu (ir kitais metodais). „Mini organai“ yra miniatiūrinės organų, organų sekcijų ar audinių dėmių iš konkrečių organų versijos. Be termino mini vargonai, jie vadinami įvairiais pavadinimais. Spausdintuose kūriniuose gali būti ne visų tipų struktūros, randamos viso dydžio vargonuose, tačiau jos yra tinkamos apytikslės. Tyrimai rodo, kad jie gali būti svarbūs, nors jie nėra implantuojami.
Mini organai ne visada gaminami iš ląstelių, kurias tiekia atsitiktinis donoras. Vietoj to, jie dažnai gaminami iš sergančio žmogaus ląstelių. Mokslininkai gali patikrinti vaistų poveikį mini organui. Jei nustatoma, kad vaistas yra naudingas ir nekenkia, jis gali būti skiriamas pacientui. Yra keli šio proceso privalumai. Viena yra ta, kad gali būti vartojami vaistai, kurie, tikėtina, bus naudingi konkrečiai paciento ligos versijai ir jų specifiniam genomui, o tai padidins sėkmingo gydymo tikimybę. Kitas dalykas yra tai, kad gydytojai gali sugebėti įsigyti pacientui neįprastą ar paprastai brangų vaistą, jei gali įrodyti, kad vaistas greičiausiai bus veiksmingas. Be to, išbandžius vaistus ant mažų organų, gali sumažėti laboratorinių gyvūnų poreikis.
Struktūra, imituojanti plaučius
2019 m. Rice'o ir Vašingtono universiteto mokslininkai pademonstravo sukūrę mini organą, imituojantį žmogaus plaučius. Mini plaučiai pagaminti iš hidrogelio. Jame yra nedidelė į plaučius panaši struktūra, kuri reguliariais laiko tarpais užpildoma oru. Kraujo pripildytų kraujagyslių tinklas supa struktūrą.
Kai stimuliuojami, imituoti plaučiai ir jo indai plečiasi ir ritmingai susitraukinėja, nesulaužydami. Vaizdo įraše parodyta, kaip veikia struktūra. Nors organoidas nėra pilno dydžio ir neimituoja visų žmogaus plaučių audinių, jo gebėjimas judėti kaip plaučiai yra labai svarbus įvykis.
Kai kurie biologinio spausdinimo iššūkiai
Sukurti organą, kuris būtų tinkamas implantuoti, yra nelengva užduotis. Organas yra sudėtinga struktūra, apimanti skirtingus ląstelių tipus ir audinius, išdėstytus pagal tam tikrą modelį. Be to, kai organai vystosi embriono vystymosi metu, jie gauna cheminius signalus, kurie leidžia tinkamai vystytis jų gerai struktūrai ir sudėtingam elgesiui. Šio signalo trūksta, kai bandome dirbtinai sukurti organą.
Kai kurie mokslininkai mano, kad iš pradžių - o galbūt dar kurį laiką - atspausdinsime implantuojamas struktūras, kurios vietoj visų jo funkcijų gali atlikti vieną organo funkciją. Šios paprastesnės struktūros gali būti labai naudingos, jei jos kompensuoja rimtą kūno defektą.
Nors tikėtina, kad praeis daug metų, kol bioprintais organai bus prieinami implantams, prieš tai galime pamatyti naujų technologijos privalumų. Atrodo, kad tyrimų tempas didėja. 3D spausdinimo ateitis, susijusi su medicina, turėtų būti labai įdomi ir įdomi.
Nuorodos
- Dirbtinė ausis, sukurta 3D spausdintuvo ir gyvų kremzlių ląstelių iš „Smithsonian“ žurnalo.
- Transplantacinis žandikaulis pagamintas 3D spausdintuvu iš BBC (British Broadcasting Corporation)
- Spalvingos 3D spausdintos rankos iš Amerikos mechanikos inžinierių draugijos
- „Bioprinter“ sukuria specialiai laboratorijoje išaugintas kūno dalis transplantacijai iš „The Guardian“
- Pirmoji 3D spausdinta žmogaus ragena iš „EurekAlert“ naujienų tarnybos
- 3D spausdintuvas iš „New Scientist“ gamina mažiausias žmogaus kepenis
- Mini 3D spausdinti organai imituoja „New Scientist“ širdies ir kepenų plakimą
- Organas, imituojantis plaučius iš populiariosios mechanikos
- Naujas 3D spausdintuvas gamina natūralaus dydžio ausies, raumenų ir kaulų audinius iš gyvų ląstelių iš „Science Alert“
- 3D spausdintuvas, skirtas žmogaus odai atspausdinti iš naujos paslaugos phys.org
Šis straipsnis yra tikslus ir tikras, kiek autorius žino. Turinys skirtas tik informaciniams ar pramoginiams tikslams ir nepakeičia asmeninių ar profesionalių patarimų verslo, finansų, teisiniais ar techniniais klausimais.
