Druk 3D w Medycynie: Kompleksowy Przewodnik po Innowacjach, Zastosowaniach i Przyszłości

W ostatnich latach druk 3D w medycynie wykonał ogromny skok. Sprawdź naszą analizę obecnego stanu tej ekscytującej dziedziny!

Kilka kluczowych informacji na początek:

• Druk 3D w opiece zdrowotnej daje ogromne nadzieje na zrewolucjonizowanie produkcji sprzętu medycznego, tworzenia leków i spersonalizowanych usług medycznych. Czego przykładem są opłacalne protezy i implanty na zamówienie.
• Przemysł farmaceutyczny wykorzystuje druk 3D, zatwierdzając przez FDA leki drukowane w 3D i opracowując spersonalizowane leki, co wskazuje na znaczącą zmianę w produkcji i dystrybucji leków.
• Pomimo fascynujących obrazów science-fiction i futurystycznych scenariuszy często kojarzonych z drukiem 3D. Obecny stan tej technologii nie pozwala jeszcze na drukowanie w pełni funkcjonalnych narządów ludzkich. Wizja „drukowania” narządów na żądanie do przeszczepów, choć aktywnie realizowana w badaniach, wciąż jest raczej celem na horyzoncie niż obecną rzeczywistością.
• Druk 3D wykazał ogromny potencjał dla przyszłości medycyny w poprzednich latach, a jego rozwój jest nie do zatrzymania.

Kliknij tutaj aby lepiej zrozumieć czym jest i jak działa drukarka 3D

Druk 3D w Służbie Medycyny: Od Modelek Anatomicznych po Implanty

Druk 3D w medycynie jest częścią innowacyjnego procesu zwanego produkcją addytywną, który oznacza wytwarzanie trójwymiarowych obiektów stałych z pliku cyfrowego.

Wraz z rozwojem technologii naukowcy pracują nad różnymi rozwiązaniami. Przykładowo, inżynierowie z Uniwersytetu w Buffalo stworzyli nowatorską technologię, która przyspiesza sam proces drukowania. Niezwykłe w tej konkretnej technologii opartej na wodorze jest to, że jest ona znacznie szybsza niż poprzednie metody drukowania 3D. Nawet do 50 razy szybciej.

Druk 3D w medycynie i opiece zdrowotnej może zrewolucjonizować tworzenie leków i produkcję sprzętu medycznego. Może również zaoferować nowe metody praktykowania medycyny, optymalizacji łańcuchów dostaw oraz proponowania tańszych i znacznie bardziej spersonalizowanych usług medycznych. Zobaczmy najbardziej obiecujące przykłady!

Spersonalizowany sprzęt medyczny w drukowaniu 3D

Powszechnie wiadomo, że sprzęt medyczny jest drogi. Globalny rynek urządzeń medycznych został wyceniony na 512 mld USD w 2022 r.. I przewiduje się, że do 2030 r. wzrośnie do 780 mld USD. Tak więc drukowanie 3D szyn, modeli medycznych używanych przed operacjami lub innych niezbędnych środków do leczenia może zaoszczędzić ogromne kwoty pieniędzy. A na rynku są już genialne przykłady, jak to zrobić!

Ian McHale, uczeń amerykańskiej szkoły średniej Steinert High School, stworzył plan produkcji szyn na palce. Niskiej klasy drukarka 3D może wydrukować jego szynę szybko i niedrogo, z plastiku ABS o wartości około 2 centów w około dziesięć minut! Dla krajów rozwijających się, gdzie szyny można często zamawiać hurtowo z zagranicy, może to oznaczać najtańsze rozwiązanie dla odległych społeczności. Jednocześnie może to skutecznie zaspokoić osobiste potrzeby.

Jeśli chodzi o odlewy gipsowe drukowane w 3D, na razie pozostają one odległą nadzieją. W teorii brzmi to niesamowicie. Jednak technologia ta wciąż wydaje się niszowa i stoi przed kilkoma wyzwaniami, zanim zostanie masowo przyjęta.

Ale druk 3D w medycynie może również uratować życie – tak jak uratował życie dziecka w USA. Kaiba Gionfriddo urodził się przedwcześnie w 2011 roku i cierpiał na tracheobronchomalację – wrodzoną niepełnosprawność, która powoduje zapadanie się tchawicy. Miał tracheostomię i został podłączony do respiratora – konwencjonalnego leczenia. Mimo to Kaiba prawie codziennie przestawał oddychać. Jego serce również się zatrzymywało. Jego opiekunowie wydrukowali w 3D bioresorbowalne urządzenie, które natychmiast pomogło Kaibie oddychać. Po operacji tchawica Kaiby stopniowo się zrekonstruowała. Jego ciało ponownie wchłonęło wstawioną szynę. Rok później rurka została również usunięta bez powodowania żadnych szkód.

Australijscy naukowcy wydrukowali w 3D zestaw mikroigieł do skutecznego monitorowania cukrzycy. Te minimalnie inwazyjne i minimalnie bolesne igły oferują skuteczny sposób ciągłego monitorowania poziomu glukozy. I otwierają drogę do spersonalizowanej medycyny i samego przyjmowania leków.

Druk 3D sprzętu medycznego odegrał również znaczącą rolę na początku pandemii COVID-19. Pilna produkcja 3D, zwłaszcza środków ochrony osobistej, dosłownie uratowała życie personelowi szpitala. W rzeczywistości druk 3D stał się kluczową technologią, wspierającą szpitale i personel medyczny. Społecznościowe makerspaces oferowały ogólnodostępne plany 3D, pomagając w szybkiej reakcji na pandemię.

Planowanie Operacji i Edukacja: Druk 3D jako Narzędzie Chirurga

Druk 3D może również pomóc w badaniach medycznych i wynikach złożonych operacji oraz szczególnie trudnych przypadkach. Naukowcy w Chinach i Stanach Zjednoczonych wydrukowali modele guzów nowotworowych w 3D. W celu pomocy w odkryciu nowych leków przeciwnowotworowych i lepiej zrozumieć, w jaki sposób guzy rozwijają się, rosną i rozprzestrzeniają. Biodrukowane modele nowotworów mogą nawet „naśladować heterogeniczność 3D prawdziwych guzów”.

Naukowcy wykorzystali również skany serc zwierząt do stworzenia drukowanych modeli, a następnie dodali do nich elastyczną elektronikę. Materiał można oderwać od wydrukowanego modelu i owinąć wokół prawdziwego serca, aby uzyskać idealne dopasowanie. Kolejnym krokiem jest wzbogacenie elektroniki o liczne czujniki.

Druk 3D w medycynie może być wykorzystywany do drukowania modeli organów. Mogą one być również pomocne w edukacji pacjentów i planowaniu przedoperacyjnym dla chirurgów. Naukowcy wykorzystują kombinację obrazowania MRI i USG wraz z technologią druku 3D, aby pomóc lekarzom przygotować się do operacji płodu. Dzięki wydrukowanemu modelowi 3D lekarze mogą łatwiej zidentyfikować potencjalne przeszkody i zmniejszyć ryzyko operacji u dzieci z rozszczepem kręgosłupa, wrodzoną niepełnosprawnością.

Innym przykładem jest drukarka 3D Digital Anatomy firmy Schiner 3D Repro GmbH. Urządzenie to może pomóc w symulacji anatomii i patologii za pomocą ultra-realistycznych modeli drukowanych w 3D, zmniejszając zapotrzebowanie na ludzkie i zwierzęce zwłoki, zapewniając wysoką powtarzalność i przyspieszenie procesu walidacji projektu.

Protezy i Implanty Medyczne: Nowa Era Indywidualizacji i Dostępności

Na całym świecie ponad 30 milionów ludzi potrzebuje urządzeń ułatwiających poruszanie się, takich jak protezy, a 80 procent osób po amputacjach nie ma dostępu do nowoczesnych protez. Jednak tworzenie tradycyjnych protez jest bardzo czasochłonne i destrukcyjne, co oznacza, że wszelkie modyfikacje zniszczyłyby oryginalne formy. We współpracy z Autodesk Research i CBM Canada, naukowcy z Uniwersytetu w Toronto wykorzystali druk 3D do szybkiej produkcji tanich i łatwo konfigurowalnych gniazd protetycznych dla pacjentów w krajach rozwijających się.

Organizacje pozarządowe, takie jak Refugee Open Ware i Not Impossible, pomagały ludziom w potrzebie za pomocą druku 3D w medycynie. Stworzyły one protezy 3D dla uchodźców z obszarów ogarniętych wojną. Not Impossible, na przykład, zabrało drukarki 3D do Sudanu w 2013 roku. Gdzie chaos wojny pozostawił wiele osób z amputowanymi kończynami. Założyciel organizacji, Mick Ebeling, przeszkolił miejscowych do obsługi maszyn, tworzenia specyficznych dla pacjenta kończyn i dopasowywania tych nowych, bardzo niedrogich protez.

Spersonalizowane implanty medyczne mogą być również drukowane w 3D. Jest to szczególnie ważne w złożonych i rzadkich przypadkach. W 2014 roku holenderscy chirurdzy zastąpili całą górną część czaszki 22-letniej kobiety spersonalizowanym drukowanym implantem wykonanym z tworzywa sztucznego. Pacjentka cierpiała na rzadką chorobę, która powodowała, że wewnątrz jej czaszki rosła dodatkowa kość, która uciskała jej mózg. Wzrost został odkryty po tym, jak pacjentka zgłosiła silne bóle głowy, a następnie straciła wzrok i kontrolę motoryczną. Nieleczona dodatkowa kość mogłaby ją zabić.

Nowatorska technika druku 3D umożliwia tworzenie zadziwiająco małych i złożonych implantów biomedycznych. Inżynierowie i naukowcy biomedyczni z RMIT University w Australii stworzyli „odwrotny” druk 3D, wystarczająco wszechstronny, aby korzystać z gotowych materiałów klasy medycznej. „Podejście to polega na drukowaniu form klejowych, które następnie można wypełnić biomateriałem. Po rozpuszczeniu formy, struktura biomateriału pozostaje. Co ciekawe, technika ta wykorzystuje standardowe drukarki 3D. Takie jak te powszechnie spotykane nawet w szkołach średnich, oraz klej PVA jako materiał do drukowania”. Wyobraź sobie możliwości tego osiągnięcia!

Bio-druk: Wizja Drukowania Funkcjonalnych Narządów i Tkanek

Druk 3D w medycynie jest potężnym narzędziem inżynierii tkankowej. Nieważne, czy chodzi o krew, kości, serce czy skórę. Jest to technologia, która sprawia, że szczęka opada i jednocześnie przeraża, gdy po raz pierwszy się z nią zetkniesz.

Naczynia krwionośne

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda jako pierwsi wykorzystali niestandardową drukarkę 3D i rozpuszczający się atrament do stworzenia fragmentu tkanki. Który zawieraj komórki skóry przeplecione materiałem strukturalnym, który w przyszłości może potencjalnie funkcjonować jako naczynia krwionośne. Sieć naczyń krwionośnych umożliwia równomierną perfuzję płynów, składników odżywczych i czynników wzrostu komórek w całej tkance.

W kolejnym kroku koreańscy inżynierowie stworzyli wszczepialne naczynia krwionośne drukowane w 3D i z powodzeniem wszczepili je szczurowi. Dzięki temu procesowi mają nadzieję opracować funkcjonujące sztuczne naczynia krwionośne potrzebne do leczenia chorób układu krążenia.

Kości

Profesor Susmita Bose z Washington State University zmodyfikował drukarkę 3D, aby wiązać chemikalia z proszkiem ceramicznym. Tworząc skomplikowane rusztowania ceramiczne, które promują wzrost kości w dowolnym kształcie. Pomaga to wydłużyć żywotność protez stawu biodrowego i kolanowego poprzez opracowanie przyjaznej dla organizmu powłoki na bazie fosforanu wapnia dla materiałów implantacyjnych. Oczekuje się, że po zintegrowaniu, powlekane implanty będą trwać dłużej – prawdopodobnie podwajając żywotność implantów cementowanych. W międzyczasie naukowcy zaczęli wykorzystywać koralowiec morski lub grafen i ceramikę do tworzenia struktur podobnych do kości za pomocą druku 3D.

Wykorzystując nowatorską metodę opracowaną na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Sydney w Australii, lekarze mogą tworzyć nową tkankę kostną podczas operacji dokładnie tam, gdzie jest ona potrzebna. „Możemy wejść bezpośrednio do kości, gdzie znajdują się komórki, naczynia krwionośne i tłuszcz, i wydrukować strukturę podobną do kości, która już zawiera żywe komórki, bezpośrednio w tym obszarze” – powiedział profesor nadzwyczajny Kristopher Kilian, który współtworzył technologię w oświadczeniu uniwersytetu.

Zastawka serca

Jonathan Butcher z Cornell University wydrukował w 3D zastawkę serca posiadającą taką samą architekturę anatomiczną jak oryginalna zastawka. Wkrótce zostanie ona przetestowana na owcach. Wykorzystał on połączenie komórek i biomateriałów do kontrolowania sztywności zastawki. Butcher uważa, że biodruk zyska znacznie większą popularność w inżynierii tkankowej i społeczności biomedycznej w ciągu najbliższych pięciu lat. Potencjalnie stając się standardem w produkcji złożonych tkanek.

Replikowanie ludzkich uszu/nosów

Lawrence Bonassar z Cornell University wykorzystał zdjęcia 3D ludzkich uszu do stworzenia form do uszu. Formy zostały następnie wypełnione żelem zawierającym komórki chrząstki bydlęcej zawieszone w kolagenie. Który utrzymywał kształt ucha, podczas gdy komórki rozwijały swoją macierz zewnątrzkomórkową.

Kanadyjscy naukowcy wydrukowali syntetyczne nosy dla pacjentów z rakiem skóry. Do drukowania wykorzystano prawdziwe ludzkie komórki chrząstki nosa, podarowane przez osoby po operacji nosa, z hydrożelem na bazie kolagenu. Operacja nosa wymaga jednak operacji, podczas gdy chińscy naukowcy rozpoczęli badania na myszach, drukując ucho bezpośrednio wewnątrz zwierzęcia.

Niedawno eksperci we Francji wyhodowali kobiecie nowy, wydrukowany w 3D nos na przedramieniu, po tym jak straciła swój na skutek raka.

Syntetyczna skóra

W 2017 r. James Yoo z Wake Forest School of Medicine w USA i naukowcy z Uniwersytetu w Madrycie opracowali prototyp drukarki 3D. Która może tworzyć syntetyczną skórę. Nadaje się ona do przeszczepiania pacjentom, którzy doznali poparzeń lub mają inne problemy skórne. Może być również wykorzystywana w badaniach lub testowaniu produktów kosmetycznych, chemicznych i farmaceutycznych.

Znaczącym krokiem naprzód dla przeszczepów skóry i ofiar poparzeń jest rozwój żywej skóry. Naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute opracowali metodę drukowania 3D żywej skóry wraz z naczyniami krwionośnymi.

Syntetyczne organy

Mówiąc o narządach drukowanych w 3D, ludzie mają tendencję do myślenia o maszynie, która może tworzyć łatwo dostępne, wszczepialne narządy ludzkie. Rzeczywistość jest jednak daleka od tego optymistycznego obrazu.

Naukowcy na całym świecie pracują nad możliwymi rozwiązaniami: Organovo z powodzeniem wydrukowało tkanki wątroby już w 2014 roku. Wtedy wydawało się, że od wydrukowania części wątroby do przeszczepu dzieli ich 4-6 lat. Wraz z Murdoch Children’s Research Institute, Organovo stworzyło nawet miniaturowe ludzkie nerki w laboratorium.

Narządy drukowane biologicznie mogą być również wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym do zastąpienia modeli zwierzęcych do analizy toksyczności nowych leków. Rozwiązania technologiczne, takie jak BioAssemblyBot, o którym pisaliśmy wcześniej, oraz zupełnie nowe metody, które mogą prowadzić do drukowania tkanek serca specyficznych dla pacjenta, w końcu doprowadzą do sukcesu: liderzy branży spodziewają się przełomu w ciągu około dekady. W wywiadzie dla naszej strony Patreon, Erik Gatenholm, dyrektor generalny CELLINK, powiedział: „zobaczymy w pełni funkcjonujące narządy w ciągu następnej dekady”.

Druk 3D w Farmacji: Spersonalizowane Leki i Nowatorskie Rozwiązania

W 2015 r. FDA zatwierdziła pierwszy w historii lek wyprodukowany za pomocą drukarek 3D, a w 2021 r. zatwierdzono drugi taki lek. Chińska firma farmaceutyczna Triastek, Inc. otrzymała od FDA pozwolenie na dopuszczenie do obrotu nowego leku (IND) dla swojego pierwszego leku drukowanego w 3D, T19, który jest przeznaczony do leczenia reumatoidalnego zapalenia stawów.

Najnowszy kamień milowy miał miejsce w 2023 r., kiedy rozpoczęto pierwsze w Europie badanie kliniczne leku wydrukowanego w 3D w dziedzinie pediatrii. Drukarka 3D wykorzystana do badania produkuje leki w postaci półstałej i do żucia, które są spersonalizowane dla każdego dziecka w oparciu o jego wagę i cechy kliniczne, w ramach współpracy między służbą farmaceutyczną w Szpitalu Uniwersyteckim Vall d’Hebron, Uniwersytetem w Santiago de Compostela i firmą FabRx.

To fantastyczna wiadomość dla branży, ponieważ otwiera szereg możliwości przeniesienia łańcucha dostaw na wyższy poziom.