FAKTY I MITY na temat druku 3D w medycynie oraz biodruku 3D

Druk 3D w medycynie i biodruk 3D są niezwykle trudnymi tematami, ale zarazem jakże interesującymi. Zdaniem naukowców, wytwarzanie przyrostowe narządów jest jedynie kwestią czasu, a biodrukarki 3D staną się standardowym wyposażeniem szpitalnych laboratoriów.

Po internecie kraży wiele faktów i mitów na temat druku 3D w medycynie, które my postanowiliśmy dla Was zweryfikować – potwierdzić lub obalić. Oto najwazniejsze z nich… 

1. Biodruk 3D umożliwia drukowanie 3D funkcjonalnych organów – MIT 

W marcu 2019 roku zrobiło się głośno o osiągnięciu polskich naukowców pod przewodnictwem dr hab. med. Michała Wszoły, którzy stworzyli tzw, bioniczną trzustkę. Miała ona formę rusztowania (scaffoldu) stworzonego z komórek macierzystych pacjenta, co eliminowało ryzyko odrzutu. Osiągnięcie było wyjątkowe i stanowiło prawdziwe wydarzenie na skalę światową, jednakże w mediach głównego nurtu mogliśmy zapoznać się z bardzo uproszczonym opisem, co mogło wprowadzić wiele osób w błąd co do tego, co tak naprawdę się wydarzyło…

Biodruk 3D wysp trzusktowych w niczym nie przypomina klasycznego druku 3D. Drukowanie 3D tkanek jest niezmiernie trudne, gdyż biotusz, zawierający żywe komórki i wyspy trzustkowe musi być przechowywany w warunkach imitujących wnętrze ludzkiego ciała. Podczas biodrukowania 3D konieczne jest utrzymanie odpowiedniej wilgotności, temperatury i całego szeregu innych parametrów, co jest to możliwe jedynie za sprawą specjalnego tzw. „bioreaktora”.

Kolejnym wyzwaniem jest zamiana płynnego biotuszu, znajdującego się w dyszy, w stan stały po zadziałaniu odpowiednich czynników fizykochemicznych. Ze względu na ogrom wymagań i trudu związanego z wytwarzaniem, zarówno biotuszu, utrzymaniem odpowiednich warunków w bioreaktorze, jak i samym procesem biodrukowania 3D, druk 3D w medycynie jest uznawany za temat przyszłości. Warto również wspomnieć, że rzeczona bioniczna trzustka stanowiła jedynie zalążek prawdziwej tkanki o wysokości 1 cm  i grubości 1,5 cm i nie była w pełni funkcjonalnym organem.

2. Biodruk 3D skóry jest możliwy – FAKT 

Wytwarzanie przyrostowe skóry jest zdecydowanie prostszym tematem od druku 3D organów. Wynika to z faktu, iż skóra posiada znacznie prostszą budowę niż narządy. Podobnie jak w przypadku organów, do biodrukowania 3D skóry używany jest specjalny biotusz, zawierający ludzkie osocze, fibroblasty oraz keratynocyty. Wydrukowana 3D skóra może być w pełni funkcjonalna, ponieważ składa się z warstwy naskórka, oraz skóry właściwej, zawierającej kolagen i białka fibroblastów. Ze względu na obecność żywych komórek, nadal wymagane jest utrzymanie odpowiednich warunków biofabrykacji, niemniej jednak dużo zależy od przeznaczenia wyrobu. Jeżeli tkanka ma być przeszczepiona pacjentowi z rozległymi oparzeniami, to konieczna jest biopsja komórek od pacjenta i wytworzenie specjalnego biotuszu do biodruku 3D. Natomiast jeśli wyrób ma być stosowany w przemyśle, np. do badań kosmetyków czy leków przeciwzapalnych, fabrykacja staje się zdecydowanie prostsza. 

3. Drukowane 3D kości mogą być używane do przeszczepów – MIT

Wokół druku 3D krąży przekonanie, że możliwe jest drukowanie 3D kości – tymczasem w rzeczywistości jest to wytwarzanie implantów regeneracyjnych, które po określonym okresie czasu będą rozpuszczać się w ciele pacjenta. Takie implanty stymulują rozrost rodzimej tkanki kostnej, bez negatywnego wpływu na zdrowie pacjenta. Można je stosować w przypadku, gdy ubytek jest relatywnie duży, a pobranie fragmentu kości do przeszczepu z innego miejsca w ciele człowieka jest niemożliwe. Druk 3D umożliwia zaprojektowanie rusztowania, które będzie wspierać naturalny rozrost tkanki. Dużą zaletą jest ich personalizacja i możliwość wykonania z kompozytu biokompatybilnego materiału (np. PCL) i proszku kostnego. Implant regeneracyjny rozpuszcza się w ściśle kontrolowany sposób w ciele pacjenta, a tkanka kostna obrasta implant, sukcesywnie zajmując jego powierzchnię. 

Niestety powyższe rozwiązanie wciąż stanowi jedynie koncept rozwiązania, które jest testowane przez różne ośrodki naukowo-badawcze.

4. Druk 3D leków jest potrzebny – FAKT

Druk 3D leków nie jest niczym nowym – mimo, że testy są prowadzone już od ponad dwudziestu lat, technologia wytwarzania przyrostowego w farmacji nie została jeszcze skomercjalizowana. Niemniej jednak, druk 3D leków jest bardzo potrzebny w medycynie. Dlaczego?

Druk 3D umożliwia pełną personalizację środków leczniczych, w tym szybkość uwalniania dawki czynnej, czy dostosowanie jej wielkości. Dostosowanie medykamentów do potrzeb pacjenta niesie za sobą wiele zalet. Pierwszą, która nasuwa się na myśl jest zmniejszenie ilości i rozmiaru przyjmowanych tabletek. Sterując mechanizmem uwalniania substancji czynnej oraz za sprawą wytwarzania przyrostowego można zastąpić wiele dawek leku jedną.

Kolejnym powodem, dla którego druk 3D leków jest potrzebny są tzw. leki sieroce. Są to środki lecznicze potrzebne do leczenia rzadko występujących chorób. Z uwagi na to, że niektóre schorzenia występują z bardzo małą częstotliwością, koncernom medycznym nie opłaca się produkować i magazynować środków leczniczych na małą skalę. Innym czynnikiem, dlaczego warto inwestować w druk 3D leków jest efekt placebo. Kolor, wielkość i ogólny wygląd leków ma znaczący wpływ na efektywność leczenia, zwłaszcza w przypadku młodszych pacjentów. Dzieci zazwyczaj nie chcą połykać dużych, gorzkich tabletek. Dlatego naukowcy opracowali tabletki o różnych, ciekawych kształtach, oraz w formie gumy do żucia.

Wielu z was pewnie pomyślało, że druk 3D leków nie został wdrożony, ze względu na straty jakie poniosą wielkie koncerny medyczne. Nic bardziej mylnego. Jak wspomniałam, w niektórych przypadkach produkcja masowa leków jest nieopłacalna, głównie ze względu na rzadkość występowania leczonych przez nie schorzeń. Druk 3D może znacznie zmniejszyć koszty magazynowania takich leków, ich transportu i utylizacji. Zatem niesie wiele korzyści zarówno dla pacjentów, lekarzy, jak i koncernów farmaceutycznych. 

5. Wydrukowanie funkcjonalnego implantu zęba jest możliwe- FAKT

Coraz więcej gabinetów stomatologicznych decyduje się na zakup skanera doustnego i drukarki 3D. Dzięki nim możliwe jest szybkie i wysoce spersonalizowane tworzenie szyn zębowych, mostów czy nakładek na zęby z żywic światłoutwardzalnych. Druk 3D implantów stomatologicznych jest możliwy, aczkolwiek bardzo drogi. Sama drukarka 3D, która umożliwia drukowanie 3D z ceramiki, z której są wykonywane implanty zębowe jest kosztownym wydatkiem. Znacznie łatwiejsza jest sprawa drukowania 3D koron zębowych. Na podstawie skanu 3D technik wykonuje trójwymiarowy model korony, która później może być wydrukowana ze specjalnych żywic, przystosowanych do wytwarzania koron i mostów dentystycznych. 

6. Biodrukarki 3D muszą być drogie – MIT 

Słowo biodrukarka 3D kojarzy się z czymś bardzo technicznym i przede wszystkim bardzo drogim. Zazwyczaj ceny modeli dostępnych komercyjnie zaczynają się od 10 tysięcy dolarów, a w skrajnych przypadkach sięgają nawet 200 tysięcy dolarów. Niemniej jednak, naukowcy z Uniwersytetu Carnegie Mellon udowodnili, że biodrukarkę 3D można zbudować nawet za 500 dolarów. Jest to projekt open-source, co w praktyce oznacza, że ze swojej drukarki 3D typu FDM możemy zbudować urządzenie do biodrukowania 3D. Modyfikacji ulega jedynie ekstruder, który wymieniamy na strzykawkę, przez którą może być nanoszony hydrożel. Zamkniętą komorę roboczą możemy skonstruować z najprostszego mebla dostępnego w IKEI. Aby stworzyć komorę grzewczą należy połączyć dwa stoliki Lack, których cena za komplet może wynosić jedynie 40 złotych, jeśli trafimy na promocję. Jak widać biodrukarka 3D wcale nie musi być droga, wystarczy trochę kreatywności. 

Z drugiej strony, firmy produkujące profesjonalne biodrukarki 3D narzucają gigantyczną marżę nie dlatego, że urządzenia są wyjątkowo skomplikowane pod kątem mechatroniczym lub posiadają drogie certyfikaty medyczne, tylko dlatego że… sprzedaje się ich wciąż relatywnie mało. Rynek biodrukarek 3D nie różni się zbyt mocno od rynku drukarek 3D z lat 90-tych i początku 00-nych, gdy ceny niektórych urządzeń były kilkadziesiąt razy wyższe niż obecnie.

7. Wydruki biologiczne można drukować na każdej drukarce 3D – MIT 

O ile modele anatomiczne można drukować 3D na praktycznie każdym urządzeniu do wytwarzania przyrostowego, to wydruki biologiczne muszą być tworzone na specjalnych drukarkach 3D. Owszem, można stworzyć wymienioną w punkcie 6 drukarkę 3D samemu, aczkolwiek aby drukować na niej materiały biologiczne przeznaczone do transplantacji w organizmie ludzkim należy spełnić szereg norm. Przede wszystkim biodruk 3D to nie jest tak prosty, jak mogłoby się wydawać. Materiałem budulcowym są żywe komórki, dlatego należy utrzymywać je w odpowiednich warunkach, aby nie spowodować ich obumierania.

Ponadto, wszelkie urządzenia i implanty wszczepiane w ludzki organizm muszą być wytworzone na certyfikowanych urządzeniach z certyfikowanego materiału klasy medycznej. Dlatego nie każda drukarka 3D może stać się biodrukarką 3D. Główną przeszkodą są nie tylko regulacje prawne, ale także fakt, że implantujemy cząsteczki do ludzkiego ciała, gdzie mogą powodować niepożądane efekty, jeśli materiał nie jest w pełni biozgodny. 

8. Druk 3D w medycynie to wytwarzanie implantów i sztucznych narządów – MIT 

Druk 3D jest potężnym narzędziem, przeznaczonym do personalizacji rozwiązań, również w medycynie. Owszem, najwięcej mówi się o drukowaniu 3D organów i implantów, aczkolwiek ten temat jest bardzo złożony i trudny. Znacznie bardziej przyziemnymi zastosowaniami wytwarzania przyrostowego w medycynie są niskobudżetowe personalizowane protezy kończyn. Jest to ważne głównie ze względu na protezy stosowane u dzieci, które szybko rosną. Zwłaszcza u małych pacjentów, protezy należy wymieniać często. Cena tradycyjnych odpowiedników to około 9000 zł, podczas gdy element można wydrukować za mniej niż tysiąc złotych. Kolejnym bardzo ważnym zastosowaniem druku 3D w medycynie jest wytwarzanie personalizowanych leków, o których pisałam wyżej. Do druku 3D stosowanego w medycynie zaliczają się również modele anatomiczne, które pomagają lekarzom przygotować się do operacji. Tradycyjnie, lekarz bazuje na dwuwymiarowym obrazie z rezonansu magnetycznego, tymczasem wytwarzanie przyrostowe pozwala uzyskać trójwymiarowy model, który znacznie lepiej obrazuje problem. Dzięki temu, operacja może przebiegać znacznie sprawniej, oraz z większym prawdopodobieństwem powodzenia.

9. Implanty można drukować z „plastiku” – FAKT 

Tak, to prawda. Implanty mogą być drukowane 3D również w technologii FDM. W tym celu używa się zarówno filamentów, granulatu lub wsadu kompozytowego. Jednak należy pamiętać, że materiały używane do wytwarzania przyrostowego implantów muszą być biozgodne i spełniające normy, tzw. Medical Grade. Najczęściej są to mieszaniny polimerów z materiałem metalicznym lub ceramicznym, np. polikaprolakton (PCL) lub kompozyt polikaprolakton (PCL) – hydroksyapatyt (HAP).

Dodatkowo, prowadzone są badania nad możliwością stosowania PEEK na implanty, które mają wspierać regenerację kości po przeszczepach. Są one łączone z ludzką mazią stawową oraz komórkami macierzystymi, które mają sprzyjać rekonstrukcji tkanki kostnej u pacjentów z rozległymi uszkodzeniami kości. Jakiś czas temu, naukowcy z Danii zaczęli prace badawcze nad fosforanem trójwapniowym, którego skład jest zbliżony do składu ludzkich kości. Implanty z tego materiału mogłyby być drukowane 3D w technologii FFF, co zapewniłoby łatwość w obsłudze i niskie koszty wytwarzania. Jak dowodzą badania, płaska kość miałaby wytrzymałość i sprężystość porównywalną do ludzkiej kości czaszki. 

10. PLA jest filamentem medycznym – MIT 

Tak jak wspomniałam wyżej, aby materiał mógł być zastosowany na implanty medyczne, musi spełniać szereg norm i standardów. Aby je uzyskać, należy spełnić szereg warunków, poczynając od certyfikowanego granulatu, z którego będzie wykonany filament. Następnie, aby przekształcić granulat w nitkę filamentu używa się linii produkcyjnej. Ta również musi być certyfikowana i przeznaczona tylko do produkcji materiałów Medical Grade.

Zatem, jeżeli na linii produkcyjnej wytwarza się popularne tworzywa sztuczne, takie jak ABS czy PLA, to nie ma możliwości aby uzyskać za jej pośrednictwem filament certyfikowany. Jest to spowodowane ryzykiem zanieczyszczenia materiału medycznego, cząsteczkami które mogą być szkodliwe dla zdrowia ludzi. Co więcej, aby wykonać implant do użytku in vivo, należy posiadać certyfikowaną drukarkę 3D. Może być ona używana tylko i wyłącznie do wytwarzania produktów medycznych. Rzecz wygląda podobnie jak ze wspomnianą linią produkcyjną. Drukarka 3D musi być przeznaczona tylko do zastosowań z wykorzystaniem materiałów Medical Grade. W momencie druku 3D z innych tworzyw, traci swoją certyfikację.

Sama konstrukcja takiego urządzenia również musi spełniać pewne wymogi. Drukarka 3D do produkcji implantów musi posiadać szczelnie zamkniętą komorę, aby zapobiec szkodliwemu wpływowi zanieszczeń z powietrza na drukowaną 3D strukturę. Co więcej, należy uważać na stosowanie preparatów adhezyjnych, gdyż zawarte w nich substancje, mogą również powodować szkodliwe dla ludzkiego zdrowia skutki.

Ostatnim elementem jest certyfikowane laboratorium, w którym implant jest wytwarzany. Idąc dalej, narzędzia do post-processingu również powinny być jakości medycznej. Dlatego ogólnodostępne PLA w żadnym wypadku nie może być filamentem medycznym. Każdy materiał będący w kontakcie z tkankami ludzkimi musi posiadać spektrum norm jakości medycznej, począwszy od granulatu, używaną linię produkcyjną, aż po drukarkę 3D i laboratorium.