Medycyna i druk 3D
Otwarcie mówi się o regeneracji uszkodzonych i wymianie zużytych części ciała na takie wydrukowane na zamówienie w trójwymiarze. Z dobrodziejstw druku 3D skorzystał już nawet jeden z pingwinów z warszawskiego ZOO, który otrzymał nowy dzióbek.
Kilkanaście miesięcy temu angielskiemu pacjentowi po ciężkim motocyklowym wypadku wszczepiono kości czaszki wyprodukowane w technologii 3D.
Mężczyzna odzyskał twarz. Podobną operację, również w wykorzystaniem przestrzennego wydruku, przeprowadzono w jednym z polskich szpitali, w Gliwicach.
Medyczne 3D jest więc bliżej niż nam się wydaje. Przezroczysty implant czaszki wykonany w 3D został wszczepiony pacjentce w holenderskim Utrechcie.
Lekarze zdecydowali się na to rozwiązanie (3), gdyż kobieta cierpiała na nadmierny wzrost grubości jej własnej czaszki, dochodzący już do 5 cm, co uciskało mózg i zaczynało mu zagrażać.
Chirurdzy, którzy dokonali przeszczepu, twierdzą, że zakończył się on pełnym sukcesem. Technikę 3D wybrano, ponieważ pozwalała stworzyć implant idealnie dopasowany do rozmiarów głowy pacjentki - wykonała go specjalistyczna firma z Australii.
Niedawno w Szpitalu Marynarki Wojennej w Gdańsku przeprowadzono operację u pacjenta, który skarżył się na bóle głowy spowodowane niedrożnością ujścia zatoki czołowej. Mężczyzna przeszedł kilka operacji, które jednak nie przyniosły poprawy, za to spowodowały blizny i zrosty, utrudniające kolejne zabiegi.
Wykonano więc trójwymiarowy model czaszki pacjenta, na której zespół chirurgów przećwiczył operację. Dzięki temu przebiegła ona później bez zakłóceń. Także w Polsce, w szpitalu w Bielsku-Białej, lekarze trenowali nową metodę operacji zastawki na modelu serca 3D, co pozwoliło im się przygotować do operacji na sercu prawdziwym.
Takie ćwiczenia nie są zresztą niczym nowym. Trzy lata temu chirurdzy z Londynu szykowali się w podobny sposób do operacji rozdzielenia syjamskich bliźniąt. Pomógł im w tym wstępnie wydrukowany model układów krwionośnych dzieci, na którym sprawdzili procedurę oddzielenia.
Drukowanie w medycynie
Urządzenia 3D umożliwiają uzyskiwanie struktur przestrzennych z niespotykaną precyzją. W przypadku bioprintingu specjalna drukarka wyposażona w dwie głowice wytwarza obiekty z ogromnym podobieństwem do naturalnych struktur.
Jedna z głowic nanosi komórki, które umieszczane są w specjalnym spoiwie- -kolagenie bądź hydrożelu. Technologię tę wykorzystuje się do drukowania implantów zastępujących kości, które znajdują zastosowanie u pacjentów po wypadkach, wypełniając ubytki w tkance kostnej a także indywidualnie dopasowane anatomicznie urządzenia wspomagające, np. aparaty słuchowe (4).
Drukarki 3D mogą również służyć do stworzenia modeli wspomagających zabiegi rekonstrukcyjne, np. w przypadku przeszczepu twarzy, którego u 33-letniego pacjenta dokonał po raz pierwszy w Polsce zespół lekarzy Chirurgii Rekonstrukcyjnej i Naczyniowej Centrum Onkologii w Gliwicach.
Kluczowym wydarzeniem w historii druku 3D w medycynie było uzyskanie przy użyciu tej technologii pęcherza moczowego. Ponad 10 lat temu zespół naukowców, którym kierował dr. Anthony Atala z Instytutu Medycyny Regeneracyjnej w Stanach Zjednoczonych, wszczepił pacjentowi powiększony pęcherz.
Rusztowanie i biotusz
Często uważa się, że gdy już wreszcie opanujemy technikę druku trójwymiarowego z żywych komórek, otworzy to zupełnie nową erę w transplantologii. Zniknąłby wówczas problem czekania na dawcę organów, gdyż odpowiednią część ciała, wątrobę lub serce można będzie wydrukować np. z własnych komórek pacjenta.
Nie byłoby też problemów z odrzucaniem przeszczepów. Regeneracyjny druk komórek skóry 3D pozwoliłby na zupełnie nowe sposoby leczenia uszkodzeń skóry. W przypadku ciężkich poparzeń zamiast trwałych blizn technologia odtwarzałaby oryginalną powierzchnię skóry na zasadzie podobnej do "tynkowania" i "malowania" komórkami.
Amerykańska firma Organovo znana jest od kilkunastu miesięcy z tego, że wydrukowała tkankę wątroby (5). Nie była ona jeszcze przeznaczona do przeszczepu, tylko do celów badawczych. Organovo zajmuje się również eksperymentalnym drukiem tkanek płuc i mięśni.
Jak "drukuje" się ludzką wątrobę? Najpierw od pacjenta pobierane są komórki mające zdolność namnażania się. Mogą być to komórki macierzyste lub komórki pobrane np. podczas biopsji, które potem multiplikuje się w laboratorium. Następnie - w uproszczeniu - ładuje się je do tonera, tworząc tzw. biotusz.
Ten trafia do drukarki, która następnie naprzemiennie drukuje warstwy komórek oparte na "rusztowaniu" z syntetycznego żelu. Gdy całość zostanie już wydrukowana, tkance pozwala się dojrzeć, a potem usuwa hydrożel. W ten sposób powstają protezy stworzone z naturalnych tkanek pacjenta.
Z kolei grupa szkockich uczonych, która zbudowała prototyp takiego urządzenia, chce "drukować" z żywych komórek tkanki i całe organy. Do nakładania warstw żywych komórek służyć ma oryginalny, przypominający zawór mechanizm. Skonstruowana na szkockim uniwersytecie Heriot-Watt maszyna jest zdolna operować kropelkami zawierającymi jedynie pięć komórek.
Są one zlepiane w większe, sferoidalne struktury za pomocą specjalnego "biospoiwa". Jak zapewniają Szkoci, 99 procent komórek w "drukowanych" tak strukturach jest żywych i w pełni zdolnych do dalszego normalnego funkcjonowania. W ośrodkach naukowych udało się wydrukować również miniaturową wersję ludzkiej nerki.
Naukowcy z chińskiego Uniwersytetu Huazhong użyli do tego komórek pobranych z ludzkich nerek zmieszanych z hydrożelem bogatym w składniki odżywcze. Sam proces druku trójwymiarowego różni się od tego stosowanego do wyrobu przedmiotów z tworzyw sztucznych.
Komórki mają delikatną strukturę i podczas pracy urządzenia nanoszącego warstwy trzeba dbać o to, aby ich nie uszkodzić. Należy także zapewnić im miejsce do wzrostu.
Jednak stworzone taką metodą mininerki funkcjonują zupełnie tak samo jak te nasze ludzkie - rozkładają toksyny, uczestniczą w metabolizmie i wydzielają płyny.
Zespół badawczy z Uniwersytetu w Oksfordzie skonstruował w 2013 r. drukarkę syntetycznych tkanek 3D. Owe tkanki to kropelki wody, otoczone warstwami lipidów.
Zdaniem naukowców technika ta może posłużyć jako sposób dostarczania leków do organizmu lub też jako wypełniacz w uszkodzonych częściach ciała.
Jak tłumaczy Gabriel Villar, przedstawiciel oksfordzkiej grupy, osiągnięcie polega na syntetycznym wytworzeniu struktur bardzo podobnych do żywych komórek. Warstwy lipidowe oddzielające krople wody mają właściwości z jednej strony przepuszczające, z drugiej - izolujące.
Podobnie funkcjonują ściany żywych komórek. Drukarka 3D, którą udało się zbudować naukowcom, "układa" kropelki wody i lipidów w pożądanych układach, składających się nawet z 35 tys. kropelek. Dla odmiany naukowcy z Princeton potrzebowali jedynie nieco komórek pochodzących od krowy, trochę srebra i drukarkę 3D, aby wytworzyć bioniczne ucho.
Jest ono w stanie nie tylko odbierać, ale również przekazywać dalej sygnały dźwiękowe. Materiał do formowania w drukarce 3D składał się ze wspomnianych komórek krowich, zmieszanych z żelem. Nakładanym przez drukarkę komórkom towarzyszyły drobiny srebra, które pomagały formować "ucho" w odpowiednim kształcie.
Powstała w ten sposób konstrukcja, wzmocniona srebrem, jest miękka i półprzezroczysta. Badacze dołączyli w dodatku do "ucha" elektrody, dzięki którym, po przyłączeniu przewodów, możliwe jest przekazywanie odbieranego dźwięku do głośników.
Wystarczy Kinect i trochę nylonu
Technologie trójwymiarowego druku wciąż się rozwijają. Niedawno badacze z amerykańskiego Uniwersytetu Waszyngtona poinformowali, iż udało im się wykorzystać fale dźwiękowe do tworzenia rusztowań komórkowych. Technologia może okazać się przełomem dla trudnego w praktyce drukowania z żywych komórek.
Technika pojawiła się przypadkiem, gdy naukowcy badali zabiegi zwane histotrypsją, polegające na milisekundowych silnych impulsach ultradźwiękowych, które rozrywają tkankę, przy czym zwykle chodzi o tkankę rakową. Badacze byli zaskoczeni tym, co pozostawało po tych zabiegach i po usunięciu zmian komórek rakowych z bydlęcej wątroby.
Włóknista substancja okazała się idealnym rusztowaniem do druku 3D z żywych komórek (6). Natomiast wynalazek Jake’a Evilla, młodego Nowozelandczyka z Uniwersytetu Victoria w Wellington, pokazuje, że druk 3D w medycynie to nie tylko protezy oraz drukowanie organów.
I że technologia ta może w znaczącym stopniu ulżyć osobom skazanym na usztywnienia kończyn po złamaniach czy zwichnięciach. Drukowany w 3D całkiem estetyczny "gips" pomysłu Evilla, o nazwie Cortex Cast (7), ma strukturę siatki podobnej do plastra miodu.
Jeden rzut oka pozwala dostrzec jego zalety w porównaniu z klasycznymi gipsowymi unieruchomieniami. Oczywiście druk odbywa się indywidualnie, na podstawie anatomii kończyn pacjenta. Ciekawa jest też technika powstania tego "gipsu". Evill użył własnego zestawu X-Box Kinect jako trójwymiarowego skanera swojego ramienia, które wcześniej było złamane.
Męki noszenia zwykłego gipsu były ponoć głównym impulsem do stworzenia wynalazku. Młodzieniec wysłał wymyślony model do firmy Shapeways zajmującej się drukiem 3D, z prośbą o stworzenie zaprojektowanego usztywnienia z nylonowego tworzywa. Łącznie z kosztami przesyłek zapłacił za to 80 dolarów.
