Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Materiały zastępujące ludzką tkankę

Materiały zastępujące ludzką tkankę
Coraz doskonalsze protezy, konstruowane dzięki nowatorskim materiałom i druk 3D z materiału biologicznego - to dwa nurty, które krok po kroku rewolucjonizują medycynę. Czy dojdziemy do etapu, że nie będą potrzebne przeszczepy i raczej będziemy mieć komplet części zamiennych dla człowieka na zawołanie?

Materiał nietoksyczny, który doskonale integruje się z ludzkim ciałem, opisany szczegółowo przez naukowców z uniwersytetu w Chalmers w Szwecji w nowej pracy w czasopiśmie "ACS Nano" w marcu tego roku, jest wykonany z tego samego tworzywa co pleksiglas. Naukowcy chcieli wytworzyć materiał zastępujący kość, ale odkryli, że wskutek manipulacji nim na poziomie nanoskalowym przybiera gumową strukturę (1), która, ich zdaniem, może zastąpić chrząstkę stawową we wszystkim, od stawów po protezę nosa.

1. Materiał zastępujący chrząstkę z uniwersytetu w Chalmers

Martin Andersson, prowadzący badania profesor chemii w Chalmers, wyjaśnia, że "pierwszym zastosowaniem, na które teraz patrzymy, są cewniki moczowe. Materiał może być zaprojektowany w taki sposób, aby zapobiegać rozwojowi bakterii na powierzchni, co oznacza, że jest bardzo dobrze przystosowany do zastosowań medycznych".

Struktura nowej nanogumy pozwala na obróbkę jej powierzchni w taki sposób, że staje się ona antybakteryjna w naturalny, nietoksyczny sposób. Osiąga się to poprzez przyklejenie do jego powierzchni antybakteryjnych peptydów, małych białek, które są częścią naturalnego układu odpornościowego. Może to zmniejszyć zapotrzebowanie na antybiotyki, co stanowi istotny wkład w walkę z rosnącą opornością na antybiotyki.

Ponieważ nowy materiał może być wstrzykiwany i wprowadzany za pomocą punktowych operacji, laparoskopii itp., zmniejsza ryzyka i obciążenia związane z zabiegami i operacjami. Materiał może być wstrzykiwany za pomocą standardowej iniekcji w postaci lepkiego płynu, po czym tworzy on elastyczne struktury wewnątrz ciała. W zależności od potrzeb materiał może być również drukowany w technologii 3D w określonych kształtach. Kolejną zaletą tego materiału jest to, że zawiera on trójwymiarowo uporządkowane nanopory. Oznacza to, że może być wypełniony lekami do różnych celów terapeutycznych, jak np. poprawiając gojenie i zmniejszając stany zapalne. Pozwala to na miejscowe leczenie bez konieczności leczenia całego organizmu lekami i efektów ubocznych. Ponieważ jest nietoksyczny, działa również jako wypełniacz.

W dziedzinie biotechnologii jest wielkie zapotrzebowanie na nietoksyczne i nieszkodliwe materiały. Wprowadzanie materiałów do organizmu wiąże się wciąż z wieloma zagrożeniami, takimi jak m.in. poważne infekcje. Wiele z używanych obecnie substancji, takich jak botoks, jest silnie toksycznych.

Człowiek z wydruku

Rośnie również zapotrzebowanie na "części zamienne", a liczba dawców organów w najlepszym przypadku jest stała. Stąd pomysły, by zamiast przeszczepów tworzyć nowe organy technika biodruku 3D (2). Od wielu lat słyszymy o kolejnych osiągnięciach w tej dziedzinie. np. w kwietniu 2019 r. naukowcy w Izraelu wytworzyli pierwsze w historii serce z wykorzystaniem ludzkiej tkanki i druku trójwymiarowego. Aby wydrukować serce, naukowcy utworzyli "spersonalizowany hydrożel" z ludzkich tkanek tłuszczowych. Na jego podstawie powstał "materiał drukarski", zwany też "biotuszem". "o pierwszy przypadek, kiedy komuś udało się zaprojektować i wydrukować całe serce wraz z komórkami, naczyniami krwionośnymi, komorami", mówił w dzienniku "Haaretz" Tal Dvir, kierownik projektu.

2. Serce z drukarki 3D - wizualizacja

Nie po raz pierwszy technologia druku 3D została wykorzystana do drukowania organów. Na przykład, zespół naukowców z ETH Zurych wytworzył w 2017 r. sztuczne serce z wykorzystaniem druku 3D, ale zamiast wykorzystywać ludzką tkankę, naukowcy ci wykorzystali elastyczny materiał.

Oczywiście najbardziej znane są protezy drukowane w 3D. Obecnie już nie tylko kończyn, ale też kręgosłupa. Indyjscy lekarze zastąpili kilka lat temu uszkodzone kręgi szyjne 32-letniej kobiety na takie, które zostały wydrukowane w technologii 3D. Osoba ta straciła możliwość chodzenia ze względu na gruźlicę kręgosłupa. Zespół chirurgów pod przewodnictwem doktora V. Ananda Naika z Medanta Bone and Joint Institute zastąpił uszkodzone kręgi za pomocą tytanowego elementu wydrukowanego w technologii 3D.

Po raz pierwszy druk 3D dla potrzeb medycyny został zastosowany w 1999 roku do wytworzenia rusztowania, które pokryte komórkami pacjenta służyło w leczeniu przerostu pęcherza moczowego. W 2002 naukowcy opracowali miniaturową nerkę, zdolną do filtracji krwi oraz produkcji rozcieńczonego moczu u zwierząt.

Znanym pionierem bioprintingu był dr Makoto Nakamura, który zauważył, że standardowe krople tuszu w drukarkach, mają rozmiary podobne do żywych komórek. Skonstruował biodrukarkę, która tworzyła struktury podobne do naczyń krwionośnych. Rozpoczął prace nad innowacyjnymi technologiami wykorzystującymi technologie drukowania, wspierany przez program badawczy Akademii Nauk i Technologii Kanagawa w Japonii, w okresie od kwietnia 2005 do 2008 roku.

Wśród pionierów bioprintingu jest też firma Organovo, założona w 2007 roku z siedzibą w San Diego w Kalifornii. W 2008 r. wyprodukowała techniką biodruku 3D funkcjonujące naczynia krwionośne oraz fragment tkanki sercowej, wykorzystując komórki pobrane od kurczaka. Organovo była pionierką koncepcji, w myśl której wydruk organu w całości nie jest konieczny. Wystarczy umieścić odpowiednie komórki we właściwym miejscu, aby zdać się na działanie natury i regeneracyjną siłę organizmu. Organovo aktywnie rozwija swoją technologię z zamiarem ostatecznego odtworzenia całych narządów ludzkich do przeszczepu. Kilka lat temu wyprodukowała techniką druku 3D gotową wątrobę ludzką.

Obecnie w wielu placówkach medycznych na świecie są stanowiska wyposażone w technologię druku 3D i przeznaczone dla zespołów inżynierów i producentów pomagają przyspieszyć tempo tworzenia i dostarczania części potrzebnych do produktów medycznych. Narzędzia i komponenty, które mogą być wytworzone przy użyciu druku 3D, zmniejszają nakłady finansowe i pomagają przyspieszyć niezbędne badania.

Mirosław Usidus