Wie wir in erwähnt haben vorherige Artikel Bei der additiven Fertigung oder beim 3D-Druck werden nahezu alle wichtigen Branchen auf der ganzen Welt betroffen sein, und das Gesundheitswesen ist keine Ausnahme. Wir haben bereits gesehen Wie der 3D-Druck der Gesundheitsbranche mit der jüngsten Coronavirus-Pandemie zugute kommen kann, als Ingenieure und unerfahrene Drucker Methoden zur schnellen Herstellung von PSA, medizinischen Geräten und sogar temporären Strukturen für selbstisolierende Personen entwickelten.
Führende 3D-Druckunternehmen wie Carbon, Prusa Research und Formlabs drucken Gesichtsschutz, Masken und wichtige Krankenhauswerkzeuge für medizinisches Fachpersonal. Die gesamte 3D-Druck-Community hat hart daran gearbeitet. Entlastung der Lieferketten und Regierungen.
3D-Druck hält das Versprechen, die Gesundheitsbranche zum Besseren zu verändern, indem Produkte wie intelligentere Medikamente und hyper-maßgeschneiderte Prothesen angeboten werden. 1990 Film Dark Man In naher Zukunft könnte es für Ärzte üblich werden, Patienten mit gedruckten Organen zu behandeln. Dies geschieht bereits. Forscher verschiedener führender Universitäten verfügen über 3D-gedruckte funktionierende menschliche Organe. Dies könnte dazu beitragen, den Mangel an Organen zu behebenSpenderorgane auf der ganzen Welt und insbesondere in den Vereinigten Staaten.
3D-gedruckte Organe könnten Menschenleben retten
Aufgrund der enormen Nachfrage nach Spenderorganen wurde geschätzt, dass 900.000 Todesfälle könnten jedes Jahr mit technischen Organen verhindert werden. Derzeit gibt es in den USA 113.000 Männer, Frauen und Kinder auf der Warteliste für nationale Transplantationen ab Juli 2019. Leider im Durchschnitt 20 Menschen sterben jeden Tag während Sie auf eine Transplantation warten, während Alle 10 Minuten wird eine neue Person zur Warteliste hinzugefügt. 3D-gedruckte Organe könnten eine praktikable Lösung für dieses Problem sein. Darüber hinaus sind diese technischen Organe sehr kostengünstig.
Laut der Nationalen Stiftung für Transplantationen kostet eine Standard-Nierentransplantation im Durchschnitt mehr als 300.000 USD während ein 3D-Bioprinter, der Drucker, mit dem 3D-gedruckte Organe erstellt werden, so wenig kosten kann wie 10.000 USD und die Kosten werden voraussichtlich weiter sinken, wenn sich die Technologie in den kommenden Jahren weiterentwickelt. Dies ist einer der vielen Gründe, warum Mediziner und Forscher vom kommenden Zeitalter der 3D-gedruckten Organe begeistert sind.
Heute werden wir die Auswirkungen des 3D-Bioprintings, die Herausforderungen, Vorteile und potenziellen Probleme dieses revolutionären neuen Verfahrens weiter untersuchen. In den nächsten Jahren wird die Nachfrage nach Bioprinting voraussichtlich nur noch zunehmen.
Die Grundlagen: Was ist 3D-Bioprinting?
Möglicherweise hören Sie den Prozess von 3D-gedruckten Organen, die als 3D-Bioprinting bezeichnet werden, und die Endprodukte Organe, die als technische Organe bezeichnet werden. Kurz gesagt, der Prozess des Bioprinting ähnelt vielen der Ihnen bekannten additiven HerstellungsverfahrenIn diesem Fall werden Zellen und Wachstumsfaktoren verwendet, um gewebeartige Strukturen und schließlich Organe zu erzeugen. Denken Sie an Ihren Standarddrucker für die Herstellung von verschmolzenen Filamenten FDM. Möglicherweise haben Sie einen in Aktion gesehen oder vielleicht sogareine auf Ihrem Desktop im Moment. Der Prozess ist sehr ähnlich.
Wenn Sie möchten 3D-Druck etwas Als Erstes müssen Sie ein digitales Modell erstellen, das dann Schicht für Schicht mit Thermoplast als physikalisches Produkt gedruckt wird. Das Bioprinting funktioniert auf ähnliche Weise, wobei die Forscher zunächst ein digitales Modell des von ihnen verwendeten Gewebes erstellenDa Bioprinter jedoch sterile Zellen verwenden, muss die Auflösung des Drucks Schichthöhe und der Matrixstruktur anders als bei der Verwendung von Thermoplasten hergestellt werden.
Weiter zerlegen, sehr ähnlich der Vor- und Nachbearbeitung von Drucken von Stereolithographiegeräten SLA Forscher erstellen zunächst das digitale Modell für ihren Druck mithilfe von Technologien wie Computertomographie-Scans und Magnetresonanztomographie-Scans. Anschließend werden Drucker vorbereitet und sterilisiert.
Als nächstes wird das digitale Modell an den Drucker gesendet. Die Forscher verwenden Bioink, eine Suspension lebender Zellen, um ihre Strukturen zu drucken. Wie ein Filament wird der Bioink in eine Druckerpatrone eingelegt und zur Erstellung des physischen 3D-Modells verwendetWährend der Postproduktionsphase, nachdem der Druck abgeschlossen ist, stimulieren die Forscher das Organ mechanisch und chemisch, um sicherzustellen, dass es funktioniert.
Bioink ist das in Bioprintern verwendete „Filament“
Um ein Organ zu drucken, müssen Wissenschaftler Zellen ablagern, die für das Organ, das sie aufbauen, spezifisch sind. Um beispielsweise eine Leber zu erzeugen, beginnen sie mit Hepatozyten - den primären Leberzellen - sowie anderen Stützzellen. So wie die Zellen sindgedruckt und auf der Plattform angesammelt, sind sie in eine Mikrogel-Trägermatrix oder ein Gerüst eingebettet und nehmen die Form des Organs an. Wissenschaftler könnten auch mit einem Bioink beginnen, der aus Stammzellen kann in die gewünschten Zielzellen differenzieren.
Um eine Abstoßung von Organen zu verhindern, müssen Mediziner hochkompatible Personen zusammenbringen. Es gibt viele Faktoren, die für die Kompatibilität von Bedeutung sind. Wir können dieses Problem jedoch umgehen, indem wir die eigenen Zellen des Empfängers verwenden, um den Bioink zu erstellen.
Bei einfachen Organen drucken die Forscher zunächst ein 3D-Gerüst aus biologisch abbaubaren Polymeren oder Kollagen. Mit CAD-Software entwerfen sie ein genaues digitales Modell des Organs. Anschließend drucken sie das Gerüst aus, das den Zellen eine temporäre Oberfläche bietetklammere dich an.
Die Zellen werden durch eine Biopsie des Organs des Patienten geerntet. Diese Zellen werden dann in einer Kultur gezüchtet, bis genügend Zellen vorhanden sind, um das Gerüst zu bedecken. Das Gerüst wird von Hand mit den Zellen "ausgesät". Sobald die Zellen habenselbst gewachsen und organisiert, sich in ein Arbeitsorgan verwandelt, das Organ in den Patienten implantiert und das Gerüst verschwindet.
Komplexere Organe können ohne Gerüst gedruckt werden. Dazu verwenden Ärzte erneut CT- und MRT-Scans und kombinieren diese mit den medizinischen Daten des Patienten. Erstellen Sie ein Schicht-für-Schicht-Modell des Organs des Patienten. Dieses Modell wird dann unter Verwendung von Bioink und einem Polymergel gedruckt, um das Gewebe zu erzeugen. Sobald es fertig ist, wird das Organ eingesetzt. ein Inkubator, damit sich die Zellen organisieren und zu einem Arbeitsorgan verschmelzen können.
Dieser letzte Schritt erweist sich als schwierig. Ein weiteres Problem ist die Blutversorgung des Organs. Obwohl Wissenschaftler größere Blutgefäße gedruckt haben, b Ioprinting bietet noch keine ausreichende Auflösung, um die winzigen, einzelligen Kapillaren zu erzeugen, die ein gesundes Organ benötigt.
Haben die Leute schon 3D-gedruckte Organe?
Die kurze Antwort lautet Ja. Bereits 2017 ein Forscherteam von der Pohang Universität für Wissenschaft und Technologie entwickelt und 3D gedruckt, was sie als "Bio-Blutgefäße" bezeichneten, indem Materialien aus dem menschlichen Körper als Vorlage für den Prozess verwendet wurden. Das Blutgefäß funktionierte sehr gut. Während Forscher aus HarvardDie Universität hat erst ein Jahr zuvor eine neue Art von Bioink speziell für den Nierenaufbau entwickelt, mit der das Forscherteam wichtige Teile der Niere nachbilden kann.
Ein Team vom Bioprinting-Startup Organovo in San Diego wurde bereits gezeigt, dass es menschliche Leberpflaster drucken und in Mäuse implantieren kann.
Versuche am Menschen für Lebertransplantationen könnten bereits im nächsten Jahr beginnen. Die Idee des Bioprintings menschlicher Organe ist eindeutig nicht mehr weit von der Science-Fiction-Idee entfernt. Forscher von privaten Unternehmen und führenden Universitäten haben Ohren, Lungen und sogar ein Herz gedruckt.
Forscher von Carnegie Mellon University haben kürzlich das erste digitale 3D-Bioprint-Modell für menschliches Herz in Originalgröße mit der FRESH-Technik Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels erstellt. Bei dieser neuartigen additiven Herstellungsmethode wird eine Nadel verwendet, um Bioink in ein Bad aus weichem Hydrogel zu injizieren, um den Druck zu unterstützenDie Technik ermöglicht die Erstellung komplexer Organmerkmale und -merkmale.
Das vom Team gedruckte Herz fühlt sich an und sieht aus wie das Herz, das gerade in Ihrem Körper pumpt. Mit solchen Organabdrücken können Chirurgen und Patienten über die Struktur eines Herzens aufgeklärt werden.
Bioprinting-Technologie ist alles andere als perfekt
Ja, es wurden mehrere erfolgreiche Anstrengungen unternommen, um künstlich hergestellte Gewebe und Organe herzustellen. Die Technologie muss jedoch noch weit fortgeschritten sein, bevor sie in Krankenhäusern in Ihrer Nähe vollständig angepasst werden kann. Es gibt einige offensichtliche Hürden, die wir überwinden müssen.
Erstens muss das Bioprinting schneller werden und Gewebe mit einer höheren Auflösung produzieren können. 3D-Druck Ein Organ in wenigen Stunden oder Minuten könnte das 3D-Bioprinting kommerziell weitaus attraktiver machen. Gleichzeitig würde die höhere Auflösung eine bessere Interaktion und Kontrolle in der 3D-Mikroumgebung ermöglichen und die Schaffung der erforderlichen Feinstrukturen ermöglichenein gesundes und funktionierendes Organ zu entwickeln.
Zweitens benötigen wir einen vielfältigeren Biomaterialkatalog, mit dem wir arbeiten können. Im Moment ist es wie beim Drucken mit nur wenigen Filamenten. Genau wie bei einem FDM- oder sogar SLA-Drucker verwenden Sie unterschiedliche Druckmaterialien, um unterschiedliche Aufgaben zu bewältigen.
Gleiches gilt für die Welt von Bioink und die komplexen und verschiedenen Arten von medizinischen Gewebebehandlungen, die Menschen möglicherweise benötigen. Dennoch ist die Technologie aufregend und könnte, wie oben erwähnt, eines Tages Millionen von Menschenleben retten. Wachsender Wettbewerb im privaten Sektorkönnte helfen, die schnelle Innovation hervorzubringen, die nötig ist 3D-Druck möglich .