Druk 3D w medycynie

Jak słusznie zauważyli niektórzy użytkownicy naszego serwisu w artykule o specyfice pracy z niskobudżetowymi drukarkami 3D, druk 3D to nie tylko FFF i RepRapy. To również nie tylko druk proszkowy, czy stereolitograficzny – to szereg różnych metod, które łączy sposób tworzenia obiektów w technologii addytywnej (czy też „przyrostowej” jak zwykł ją nazywać pewien blogger z Poznania). I te różne metody mają największe zastosowanie tam, gdzie druk 3D może zmienić najwięcej – w medycynie. Począwszy od tradycyjnego FFF, po zaawansowane wydruki prowadzone na komórkach macierzystych: oto druk 3D w medycynie…

W druku 3D, drukowany obiekt jest tworzony warstwa po warstwie za pomocą różnych materiałów i różnych technologii. Jest idealny do tworzenia pojedynczych prototypów lub produkcji nisko-seryjnych. Jeśli chodzi o druk 3D w medycynie, najbardziej oczywistym przykładem może być dentystyka, gdzie za pomocą drukarki 3D możemy stworzyć nowe implanty zębów lub jedyne w swoim rodzaju, spersonalizowane plomby. Tym samym, na koronkę na ząb nie trzeba by czekać tygodnia – dwóch, tylko byłaby ona dostępna albo podczas tej samej wizyty, albo najpóźniej następnego dnia. Oprócz zębów, drukuje się już także kości, rekonstruuje twarze oraz wykorzystuje druk 3D do dużo bardziej zaawansowanych badań. Poniżej przykłady na to, jak może być zastosowany druk 3D w medycynie:

Rekonstrukcje twarzy

Przykładem – i to z naszego kraju, jest historia pacjenta z Gliwic, który uległ poważnemu wypadkowi zagrażającemu bezpośrednio jego życiu. Maszyna do cięcia kamieni pozbawiła go większości twarzy, co spowodowało iż stracił możliwość przyjmowania pokarmu, nie był w stanie samodzielnie oddychać, a co więcej odsłonięte zostały fragmenty układu nerwowego dopowiadające za bezpośredni kontakt organizmu z mózgiem. Na pomoc przybyła tu firma n-LAB z Katowic, która za pomocą drukarki 3D wykonała modele fragmentów twarzy, które umożliwiły chirurgom zaplanowanie i przeprowadzenie skomplikowanej operacji. Wydruki zostały wykonane za pomocą żywicy poliakrylowej utwardzanej światłem ultrafioletowym.

Innym słynnym przypadkiem tego typu, była sprawa Erica Mogera, któremu choroba nowotworowa spowodowała zniszczenie znaczącej części twarzy. O ile nie zagrażało to bezpośrednio jego życiu – skutecznie uniemożliwiło normalne funkcjonowanie, z powodów… estetycznych – po skutecznej operacji i chemioterapii Moger pozostał z dość przerażającą dziurą w twarzy. Ponownie druk 3D przyszedł tu z pomocą: lekarze ze szpitala University College w Londynie odtworzyli brakujący fragment jego oblicza, a następnie stworzyli unikalną protezę wydrukowaną z nylonu. Proteza nie tylko umożliwiła Mogerowi powrót do w miarę normalnego życia, lecz również ułatwiła przyjmowanie pokarmów, które wcześniej również było utrudnione.

Druk 3D protez

Za pomocą druku 3D można projektować i tworzyć nawet najbardziej zaawansowane prototypy urządzeń i maszyn. Easton LaChappelle – zaledwie 17-letni wynalazca z Colorado, postanowił wykorzystać druk 3D w niezwykle szczytnym celu – wykonał zaawansowaną protezę ręki, odczytującą fale mózgowe jej użytkownika umożliwiając jej ruch. Mimo zaawansowania technologicznego, koszt wykonania protezy wynosi zaledwie 250 $. Zdolności genialnego nastolatka doceniło już NASA zapraszając go do siebie na staż, a również sam prezydent USA – Barack Obama.

Kolejnym przykładem zastosowania druku 3D na tym polu, jest ten głośny projekt: ażurowy gips, który z jednej strony jest równie wytrzymały jak tradycyjne gipsy, lecz z drugiej jest bardziej lekki, higieniczny i lepiej sprawdza się w trakcie badań pacjenta.

Druk 3D implantów

Najbardziej znanym przypadkiem na tym polu, był przeszczep implantu czaszki, który pokrywał aż 75% jej powierzchni. Pisaliśmy na ten temat w oddzielnym artykule. Implant wykonała amerykańska firma Oxford Performance Materials z Connecticut, jednakże szczegóły samej operacji jak i okoliczności jej wykonania nie zostały ogłoszone z uwagi na dobro pacjenta.

Oprócz tego spektakularnego przypadku, druk 3D jest wykorzystywany często do tworzenia szeregu niezwykle przydatnych w chirurgii elementów, jak np. medycznych modeli stawów, łączeń kostnych, czy kości. Tego typu modele umożliwiają chirurgom przygotować się dużo lepiej do operacji, nawet jeśli dany element nie zostanie bezpośrednio w niej wykorzystany. Jeżeli dany przypadek jest bardzo specyficzny, chirurdzy najpierw przeprowadzają próby na odtworzonych w druku 3D modelach i tak przygotowani, rozpoczynają dopiero właściwą operację (w ten sposób odbyło się to m.in. w przypadku w/w lekarzy z Gliwic).

Druk 3D sprawdza się bardzo dobrze przy tworzeniu implantów stawów, a w szczególności stawów biodrowych. Dzięki niemu można stworzyć tanie, lecz równocześnie bardzo skomplikowane struktury, jak kule o stałym wypełnieniu w środku i porowatej powierzchni na zewnątrz. Stałe wnętrze pozwala na prawidłowe osadzenie się i funkcjonowanie biodra, natomiast jego porowata powierzchnia umożliwia kości miednicowej zrosnąć się z implantem. Dzięki temu udaje się uzyskać niezwykły efekt – implant sprawia, że biodro staje się silniejsze i bardziej wytrzymałe niż przed operacją, co jest niespotykane w przypadku tego typu zabiegów medycznych. Zatem proteza z drukarki 3D nie tylko pozwala osobie ją posiadającej na ponowne funkcjonowanie, ale wręcz poprawiają jej stan zdrowia.

Druk 3D komórek macierzystych

Tym samym wkraczamy w dużo bardziej zaawansowane technologie druku 3D. Druk embrionalnych komórek macierzystych odbywa się m.in. na uniwersytecie Heriot-Watt w Edynburgu. Została stworzona tam jedyna w swoim rodzaju drukarka do komórek, która umożliwia tworzenie jednorodnych kropli, w których  komórki rozwijają się. Komórki są pobierane z ludzkich embrionów i mogą rozwinąć się w dowolny rodzaj komórki – od tkanki mózgowej do tkanki mięśniowej. Tego typu komórki idealnie sprawdzają się przy badaniach i testach regeneracji narządów. Drukarka 3D do druku komórek jest zmodyfikowaną maszyną CNC wyposażoną w dwa dozowniki: z jednego dozownika wypływa mieszanka zawierająca komórki macierzyste i specjalne wysoko-pożywne medium, a z drugiego samo medium. Druk następuje warstwowo, kropla po kropli, gdzie najmniejsze krople posiadają dwa nanolitry i zawierają do 5 komórek. Komórki są drukowane w naczyniu zawierającym wiele małych studzienek. Następnie naczynie jest odwracane o 180° tak aby krople mogły oddzielić się od komórek, które łączą się w grupy wewnątrz studzienki i są gotowe do dalszego użycia.

Druk 3D naczyń krwionośnych i tkanek serca

Druk 3D tkanek ma miejsce już od bardzo dawna. W 2008 roku, Gabor Forgacs z Uniwersytetu Missouri w Columbii wydrukował pierwsze naczynia krwionośne i fragmenty tkanek serca, które biły jak prawdziwe. Badania, które przeprowadził wspólnie ze swoim zespołem były na tyle obiecujące, iż Forgacs założył firmę Organovo, która niedawno wydrukowała z powodzeniem komórki wątroby. Również inne zespoły badawcze na świecie odnoszą na tym polu sukcesy. Naukowcy z niemieckiego Instytutu Fraunhofer wydrukowali molekuły i nadali im kształt laserem tworząc własne naczynia krwionośne.

Druk 3D skóry

Pierwsze próby w kierunku druku skóry zostały wykonane w 2010 roku przez zespół kierowany przez Lothara Kocha z Centrum Laserowego w Hannowerze. Komórki zostały połączone ze sobą laserem. Stanowi to kolejny etap w ponad dwudzieto-pięcioletnich pracach poświęconych próbom stworzenia przez człowieka ludzkiej skóry.

Części zamienne do serca

Kolejny badacz z Niemiec – Ralf Gaebel z Uniwersytetu w Rostoku, pracuje nad stworzenie „łatki na serce” wykonanej z komórek, która mogłaby „naprawić” serce po zawale. Pierwsze efekty prac zostały upublicznione w 2011 roku – łatki stworzone za pomocą drukarki 3D wykorzystującej laser z ludzkich komórek, zostały wszczepione szczurom laboratoryjnym, kótóre przeszły zawał serca. Po wszczepieniu ich, serca szczurów poprawiły swoją wydolność.

Druk 3D w walce z rakiem

Druk 3D komórek ma bardzo duże zastosowanie w prowadzeniu badań nad leczeniem różnego rodzaju chorób i wirusów, jak również nowotworów. W 2011 roku grupa naukowców prowadzona przez Utkana Demirci z Uniwersyteckiej Szkoły Medycznej w Harvardzie stworzyła zautomatyzowany system do druku komórek rakowych jajnika. Komórki były przechowywane w specjalnym żelu w naczyniach laboratoryjnych, gdzie był studiowany ich rozwój. Dzięki możliwości „produkcji” komórek rakowych, zespół mógł zastosować określony cykl badań w zawsze tym samym środowisku, aby testować różnego rodzaju leki i procedury lecznicze.

Druk 3D organów

Jest to cel, który przyświeca każdemu naukowcowi zajmującemu się drukiem 3D na co dzień. Druk 3D organów gotowych do transplantacji zamiast pobierania ich od innych pacjentów, byłby prawdziwą rewolucją w medycynie i chirurgii. Jednym z pionierów na tym polu jest Anthony Atala, który 10 lat temu wychodował nowy pęcherz z komórek macierzystych pobranych od pacjenta. Atala, który prowadzi Instytut Medycyny Regeneracyjnej w Wake Forest, prowadzi aktualnie zaawansowane prace na drukiem 3D organów. Póki co zademonstrował wydrukowana nerkę, możliwą do transplantacji.