3D-принтеры в медицине: интересные применения и потенциальные применения

Автор: Laura McKinney

Дата создания: 8 Апрель 2021

Дата обновления: 13 Май 2024

Содержание

Преобразование медицины с помощью 3D-принтеров
Как работает 3D-принтер?
Делаем ухо
Разница между формой и каркасом
Потенциальные преимущества печатных ушей
Печать нижней челюсти
Протезирование и имплантируемые изделия
Больше примеров
Биопечать живыми клетками: возможное будущее
Замена органов и тканей
Некоторые успехи в биопечати
Печать частей сердца
Создание роговицы
Преимущества мини-органов, органоидов или органов на чипе
Структура, имитирующая легкое
Некоторые проблемы для биопечати
Рекомендации

Линда Крэмптон много лет преподавала науку и информационные технологии старшеклассникам. Ей нравится узнавать о новых технологиях.

Преобразование медицины с помощью 3D-принтеров

3D-печать - это захватывающий аспект технологии, который имеет множество полезных приложений. Одно интересное и потенциально очень важное применение 3D-принтеров - создание материалов, которые можно использовать в медицине. Эти материалы включают имплантируемые медицинские устройства, искусственные части тела или протезы, а также индивидуальные медицинские инструменты. Они также включают в себя отпечатанные участки живой человеческой ткани, а также мини-органы. В будущем имплантируемые органы могут быть напечатаны.

3D-принтеры могут печатать твердые трехмерные объекты на основе цифровой модели, хранящейся в памяти компьютера. Обычный печатный носитель - жидкий пластик, который затвердевает после печати, но доступны и другие носители. К ним относятся металлический порошок и «чернила», содержащие живые клетки.

Способность принтеров производить материалы, совместимые с человеческим телом, быстро улучшается. Некоторые материалы уже используются в медицине, а другие все еще находятся в стадии экспериментов. В расследовании принимают участие многие исследователи. 3D-печать может изменить лечение.

Как работает 3D-принтер?

Первым шагом в создании трехмерного объекта с помощью принтера является его проектирование. Это делается в программе САПР (автоматизированного проектирования). После завершения дизайна другая программа создает инструкции для создания объекта в серии слоев. Эту вторую программу иногда называют программой нарезки или программным обеспечением для нарезки, поскольку она преобразует код САПР для всего объекта в код для серии срезов или горизонтальных слоев. Слои могут исчисляться сотнями или даже тысячами.

Принтер создает объект, накладывая слои материала в соответствии с инструкциями программы слайсера, начиная с нижней части объекта и двигаясь вверх. Последовательные слои сливаются вместе. Этот процесс называется аддитивным производством.

Пластиковая нить часто используется в качестве носителя для 3D-печати, особенно в принтерах, ориентированных на потребителя. Принтер плавит нить, а затем выдавливает горячий пластик через сопло. Сопло перемещается во всех измерениях, высвобождая жидкий пластик, чтобы создать объект. Движение сопла и количество выдавливаемого пластика контролируются программой слайсера. Горячий пластик затвердевает практически сразу после выхода из сопла. Для специальных целей доступны другие типы печатных носителей.

Часть уха, которая видна снаружи, называется ушной раковиной или ушной раковиной. Остальная часть уха расположена в черепе. Функция ушной раковины - собирать звуковые волны и отправлять их в следующий отдел уха.

Делаем ухо

В феврале 2013 года ученые из Корнельского университета в США объявили, что им удалось сделать ушную раковину с помощью 3D-печати. Ученые из Корнелла предприняли следующие шаги.

Модель уха была создана в программе CAD. За основу этой модели исследователи взяли фотографии реальных ушей.
Модель уха была напечатана на 3D-принтере с использованием пластика для создания формы в форме уха.
Гидрогель, содержащий белок, называемый коллагеном, был помещен внутрь формы. Гидрогель - это гель, содержащий воду.
Хондроциты (клетки, производящие хрящ) были получены из уха коровы и добавлены к коллагену.
Коллагеновое ухо помещали в лабораторный раствор в питательный раствор. Пока ухо находилось в растворе, некоторые хондроциты замещали коллаген.
Затем ухо имплантировали крысе под кожу спины.
Через три месяца коллаген в ухе был полностью заменен хрящом, и ухо сохранило свою форму и отличия от окружающих клеток крысы.

Разница между формой и каркасом

В описанном выше процессе создания уха пластмассовое ухо представляло собой инертную форму. Его единственная функция заключалась в обеспечении правильной формы уха. Коллагеновое ухо, образовавшееся внутри формы, служило каркасом для хондроцитов. В тканевой инженерии каркас - это биосовместимый материал определенной формы, на котором растут клетки. Каркас не только имеет правильную форму, но и обладает свойствами, поддерживающими жизнь клеток.

Так как первоначальный процесс создания уха был выполнен, исследователи из Корнелла нашли способ напечатать коллагеновую основу правильной формы, необходимой для изготовления уха, исключив необходимость в пластиковой форме.

Потенциальные преимущества печатных ушей

Уши, сделанные с помощью принтеров, могут быть полезны людям, потерявшим собственные уши из-за травмы или болезни. Они также могут помочь людям, родившимся без ушей или имеющим неразвитые должным образом.

В настоящее время уши для замены иногда изготавливают из хряща в ребре пациента. Получение хряща доставляет пациенту неприятные ощущения и может повредить ребро. К тому же получившееся ухо может выглядеть не очень естественно. Уши тоже сделаны из искусственного материала, но опять же результат может быть не полностью удовлетворительным. Набивные уши могут больше походить на естественные уши и работать более эффективно.

В марте 2013 года компания Oxford Performance Materials сообщила, что они заменили 75% человеческого черепа напечатанным полимерным черепом. 3D-принтеры также используются для изготовления медицинских приборов, таких как протезы конечностей, слуховые аппараты и зубные имплантаты.

Печать нижней челюсти

В феврале 2012 года голландские ученые сообщили, что они создали искусственную нижнюю челюсть с помощью 3D-принтера и имплантировали ее в лицо 83-летней женщине. Челюсть была изготовлена из слоев металлического порошка титана, сплавленного под действием тепла, и покрыта биокерамическим покрытием. Биокерамические материалы совместимы с тканями человека.

Женщине установили искусственную челюсть, потому что у нее была хроническая костная инфекция собственной нижней челюсти. Врачи посчитали, что традиционная операция по реконструкции лица была слишком рискованной для женщины из-за ее возраста.

У челюсти были суставы, чтобы ее можно было двигать, а также полости для прикрепления мышц и бороздки для кровеносных сосудов и нервов. Женщина смогла сказать несколько слов, как только очнулась от наркоза. На следующий день она смогла глотать. Через четыре дня она ушла домой. Позднее планировалось имплантировать искусственные зубы в челюсть.

Печатные конструкции также используются в медицинском обучении и в предоперационном планировании. Трехмерная модель, созданная на основе медицинских снимков пациента, может быть очень полезной для хирургов, поскольку она может отображать конкретные условия внутри тела пациента. Это может упростить сложную операцию.

Протезирование и имплантируемые изделия

Описанная выше металлическая челюсть является разновидностью протеза или искусственной части тела. Производство протезов - это область, в которой 3D-принтеры становятся все более важными. Некоторые больницы теперь имеют свои собственные принтеры или работают в сотрудничестве с компанией, поставляющей медицинские товары, у которой есть принтер.

Создание протеза с помощью 3D-печати часто оказывается более быстрым и дешевым процессом, чем создание традиционными методами производства. Кроме того, легче создать индивидуальную подгонку для пациента, если устройство специально разработано и напечатано для этого человека. Сканирование в больнице можно использовать для создания индивидуальных устройств.

Сменные конечности сегодня часто печатают на 3D-принтере, по крайней мере, в некоторых частях мира. Печатные руки и кисти часто значительно дешевле, чем те, которые изготовлены обычными методами. Одна компания, занимающаяся 3D-печатью, работает с Уолтом Диснеем над созданием ярких и забавных протезов рук для детей. Помимо создания более дешевого и более доступного продукта, инициатива направлена на «помочь детям рассматривать свои протезы как источник волнения, а не смущения или ограничения».

Больше примеров

В конце 2015 года пациенту успешно установили отпечатанные позвонки. Пациенты также получили отпечатки грудины и грудной клетки.
3D-печать используется для производства улучшенных зубных имплантатов.
Замена тазобедренных суставов часто печатается.
Катетеры, которые соответствуют определенному размеру и форме прохода в теле пациента, вскоре могут стать обычным явлением.
3D-печать часто используется при производстве слуховых аппаратов.

Биопечать живыми клетками: возможное будущее

Печать с живыми клетками или биопечать происходит сегодня. Это тонкий процесс. Камеры не должны быть слишком горячими. Большинство методов 3D-печати связаны с высокими температурами, которые убивают клетки. Кроме того, жидкость-носитель для клеток не должна им навредить. Жидкость и содержащиеся в ней клетки известны как биочернила (или биочернила).

Замена органов и тканей

Замена поврежденных органов органами, сделанными с помощью 3D-принтеров, стала бы чудесной революцией в медицине. На данный момент донорских органов не хватает всем, кто в них нуждается.

План состоит в том, чтобы взять клетки из собственного тела пациента, чтобы напечатать орган, который ему нужен. Этот процесс должен предотвратить отторжение органа. Скорее всего, это стволовые клетки, неспециализированные клетки, способные продуцировать другие типы клеток при правильной стимуляции. Различные типы ячеек будут размещены принтером в правильном порядке. Исследователи обнаруживают, что по крайней мере некоторые виды человеческих клеток обладают удивительной способностью к самоорганизации при депонировании, что может быть очень полезно в процессе создания органа.

Особый тип 3D-принтера, известный как биопринтер, используется для создания живой ткани. В обычном методе изготовления ткани гидрогель печатается с одной печатающей головки, чтобы сформировать каркас. Крошечные капельки жидкости, каждая из которых содержит многие тысячи клеток, печатаются на каркасе с другой головки принтера. Вскоре капли соединяются, и клетки прикрепляются друг к другу. Когда желаемая структура сформирована, каркас из гидрогеля удаляют.Его можно снять или смыть, если он растворим в воде. Также можно использовать биоразлагаемые каркасы. Они постепенно разрушаются внутри живого тела.

В медицине трансплантат - это передача органа или ткани от донора реципиенту. Имплант - это введение искусственного устройства в тело пациента. Трехмерная биопечать находится где-то между этими двумя крайностями. И «трансплантат», и «имплант» используются для обозначения предметов, производимых биопринтером.

Некоторые успехи в биопечати

Неживые имплантаты и протезы, созданные с помощью 3D-принтеров, уже используются людьми. Использование имплантатов, содержащих живые клетки, требует дополнительных исследований, которые проводятся. Целые органы пока не могут быть созданы с помощью 3D-печати, но отдельные части органов могут. Было напечатано множество различных структур, включая участки сердечной мышцы, которые способны биться, участки кожи, сегменты кровеносных сосудов и коленный хрящ. Они еще не были имплантированы людям. Однако в 2017 году ученые представили прототип принтера, который может создавать человеческую кожу для имплантации, а в 2018 году другие ученые напечатали роговицу в процессе, который однажды может быть использован для восстановления повреждений глаз.

В 2016 году было сообщено о некоторых обнадеживающих открытиях. Группа ученых имплантировала три типа биопечати структур под кожу мышей. Они включали ушную раковину человеческого уха размером с младенца, кусок мышцы и кусок кости челюсти человека. Кровеносные сосуды из окружающей среды распространялись на все эти структуры, когда они находились в телах мышей. Это было захватывающим событием, поскольку для поддержания жизни тканей необходимо кровоснабжение. Кровь переносит питательные вещества к живым тканям и уносит их отходы.

Также было интересно отметить, что имплантированные структуры могли оставаться в живых до тех пор, пока не разовьются кровеносные сосуды. Этот подвиг был достигнут благодаря существованию крошечных пор в структурах, которые позволяли питательным веществам проникать в них.

Печать частей сердца

Создание роговицы

Ученые из Университета Ньюкасла в Великобритании создали роговицу, напечатанную на 3D-принтере. Роговица - это прозрачное внешнее покрытие наших глаз. Серьезное повреждение этого покрытия может привести к слепоте. Трансплантация роговицы часто решает проблему, но доступных роговиц недостаточно, чтобы помочь всем, кто в них нуждается.

Ученые получили стволовые клетки из здоровой роговицы человека. Затем клетки помещали в гель из альгината и коллагена. Гель защищал клетки, когда они проходили через единственное сопло принтера. Чтобы напечатать гель и клетки правильной формы, потребовалось менее десяти минут. Форма была получена путем сканирования глаза человека. (В медицинской ситуации глаз пациента будет сканироваться.) После того, как смесь геля и клеток была напечатана, стволовые клетки образовали полную роговицу.

Роговицы, изготовленные методом печати, еще не имплантированы в глаза человека. Вероятно, пройдет какое-то время, прежде чем они появятся. Однако они могут помочь многим людям.

Стимулирование стволовых клеток для производства специализированных клеток, необходимых для создания определенной части человеческого тела в нужное время, само по себе является сложной задачей. Однако этот процесс может принести нам замечательную пользу.

Преимущества мини-органов, органоидов или органов на чипе

Ученые смогли создать мини-органы с помощью 3D-печати (и другими методами). «Мини-органы» - это миниатюрные версии органов, частей органов или участков ткани из определенных органов. Помимо термина «мини-орган», они называются разными именами. Печатные произведения могут не содержать всех типов структур, встречающихся в полноразмерном органе, но они являются хорошим приближением. Исследования показывают, что они могут иметь важное применение, даже если они не имплантируются.

Мини-органы не всегда производятся из клеток, предоставленных случайным донором. Вместо этого они часто делаются из клеток человека, который болеет. Исследователи могут проверить действие лекарств на мини-орган. Если лекарство оказывается полезным, а не вредным, его можно дать пациенту. У этого процесса есть несколько преимуществ. Во-первых, можно использовать лекарство, которое может быть полезным для конкретной версии болезни пациента и его конкретного генома, что увеличивает вероятность успешного лечения. Другой заключается в том, что врачи могут получить необычное или обычно дорогое лекарство для пациента, если они могут продемонстрировать, что лекарство, вероятно, будет эффективным. Кроме того, тестирование лекарств на мини-органах может снизить потребность в лабораторных животных.

Структура, имитирующая легкое

В 2019 году ученые из Университета Райса и Вашингтонского университета продемонстрировали создание мини-органа, имитирующего человеческое легкое в действии. Мини-легкое изготовлено из гидрогеля. Он содержит небольшую структуру, похожую на легкие, которая регулярно наполняется воздухом. Структура окружена сетью сосудов, наполненных кровью.

При стимуляции имитируемое легкое и его сосуды ритмично расширяются и сокращаются, не ломаясь. На видео показано, как устроена конструкция. Хотя органоид не является полноразмерным и не имитирует все ткани легкого человека, его способность двигаться, как легкое, является очень важным достижением.

Некоторые проблемы для биопечати

Создание органа, подходящего для имплантации, - непростая задача. Орган - это сложная структура, состоящая из разных типов клеток и тканей, расположенных определенным образом. Кроме того, по мере того, как органы развиваются во время эмбрионального развития, они получают химические сигналы, которые позволяют их тонкой структуре и сложному поведению развиваться должным образом. Эти сигналы отсутствуют, когда мы пытаемся создать орган искусственно.

Некоторые ученые думают, что сначала - и, возможно, в ближайшее время - мы напечатаем имплантируемые структуры, которые могут выполнять одну функцию органа, а не все его функции. Эти более простые конструкции могут быть очень полезны, если они компенсируют серьезный дефект в организме.

Хотя, вероятно, пройдут годы, прежде чем органы с биопечатью станут доступны для имплантатов, мы вполне можем увидеть новые преимущества этой технологии уже раньше. Темпы исследований, кажется, увеличиваются. Будущее 3D-печати по отношению к медицине должно быть как очень интересным, так и захватывающим.