Printerët 3D në Mjekësi: Përdorime Emocionuese dhe Zbatime të Mundshme

Përmbajtje

• Transformimi i Mjekësisë me Printerët 3D
• Si funksionon një printer 3D?
• Bërja e një veshi
• Dallimi midis një myku dhe një skele
• Përfitimet e mundshme të veshëve të shtypur
• Shtypja e nofullës së poshtme
• Protetikë dhe sende të implantueshme
• Më shumë shembuj
• Bioprintimi me qelizat e gjalla: Një e ardhme e mundshme
• Zëvendësimi i organeve dhe indeve
• Disa Suksese të Bioprintimit
• Shtypja e pjesëve të zemrës
• Krijimi i një kornea
• Përfitimet e Mini Organeve, Organoideve, ose Organeve në një Çip
• Një strukturë që imiton mushkëritë
• Disa Sfida për Bioprintimi
• Referencat

Linda Crampton u dha mësim shkencave dhe teknologjisë së informacionit studentëve të shkollave të mesme për shumë vite. Ajo kënaqet të mësojë rreth teknologjisë së re.

Transformimi i Mjekësisë me Printerët 3D

Printimi 3D është një aspekt emocionues i teknologjisë që ka shumë aplikime të dobishme. Një aplikim interesant dhe potencialisht shumë i rëndësishëm i printerëve 3D është krijimi i materialeve që mund të përdoren në mjekësi. Këto materiale përfshijnë pajisje mjekësore të implantueshme, pjesë artificiale të trupit ose proteza, dhe instrumente mjekësorë të personalizuar. Ato gjithashtu përfshijnë copa të shtypura të indeve të gjalla njerëzore, si dhe mini organe. Në të ardhmen, organet e implantueshme mund të shtypen.

Printerët 3D kanë aftësinë për të shtypur objekte solide, tre-dimensionale bazuar në një model dixhital të ruajtur në memorien e kompjuterit. Një medium i zakonshëm shtypjeje është plastika e lëngët që ngurtësohet pas shtypjes, por media të tjera janë në dispozicion. Këto përfshijnë metalin pluhur dhe "bojërat" që përmbajnë qeliza të gjalla.

Aftësia e printerëve për të prodhuar materiale që janë në përputhje me trupin e njeriut po përmirësohet me shpejtësi. Disa nga materialet janë përdorur tashmë në mjekësi, ndërsa të tjerët janë ende në fazën eksperimentale. Shumë studiues janë të përfshirë në hetim. Printimi 3D ka potencialin tantalizues për të transformuar trajtimin mjekësor.

Si funksionon një printer 3D?

Hapi i parë në krijimin e një objekti tre-dimensional nga një printer është dizenjimi i objektit. Kjo është bërë në një program CAD (Computer-Aided Design). Pasi të përfundojë dizajni, një program tjetër krijon udhëzime për prodhimin e objektit në një seri shtresash. Ky program i dytë nganjëherë njihet si një program i prerjes ose si program i prerjes, pasi që konverton kodin CAD për të gjithë objektin në kod për një seri feta ose shtresa horizontale. Shtresat mund të numërohen me qindra ose edhe me mijëra.

Printeri krijon objektin duke depozituar shtresa të materialit sipas udhëzimeve të programit slicer, duke filluar në pjesën e poshtme të objektit dhe duke punuar lart. Shtresat e njëpasnjëshme bashkohen së bashku. Procesi referohet si prodhim shtesë.

Filamenti plastik shpesh përdoret si medium për shtypjen 3D, veçanërisht në printerët e orientuar drejt konsumatorit. Printeri shkrin filamentin dhe më pas nxjerr plastikë të nxehtë përmes një hunde. Gryka lëviz në të gjitha dimensionet pasi çliron plastikën e lëngshme në mënyrë që të krijojë një objekt. Lëvizja e hundës dhe sasia e plastikës që nxirret kontrollohen nga programi slicer. Plastika e nxehtë ngurtësohet pothuajse menjëherë pasi të lirohet nga gryka. Lloje të tjera të shtypit janë në dispozicion për qëllime të veçanta.

Pjesa e veshit që është e dukshme nga pjesa e jashtme e trupit njihet si pinna ose veshi i veshit. Pjesa tjetër e veshit është e vendosur në kafkë. Funksioni i pinna është të mbledhë valët e zërit dhe t'i dërgojë ato në pjesën tjetër të veshit.

Bërja e një veshi

Në shkurt 2013, shkencëtarët në Universitetin Cornell në Shtetet e Bashkuara njoftuan se kishin qenë në gjendje të bënin një kunj veshi me ndihmën e shtypjes 3D. Hapat e ndjekur nga shkencëtarët Cornell ishin si më poshtë.

• Një model i një veshi u krijua në një program CAD. Studiuesit përdorën fotografi të veshëve të vërtetë si bazë për këtë model.
• Modeli i veshit u shtyp nga një printer 3D, duke përdorur plastikën për të krijuar një kallëp me formën e veshit.
• Një hidrogel që përmbante një proteinë të quajtur kolagjen u vendos brenda kallëpit. Hidrogeli është një xhel që përmban ujë.
• Kondrocitet (qelizat që prodhojnë kërc) u morën nga veshi i një lope dhe iu shtuan kolagjenit.
• Veshi i kolagjenit u vendos në një solucion ushqyes në një pjatë laboratori. Ndërsa veshi ishte në tretësirë, disa nga kondrocitet zëvendësuan kolagjenin.
• Veshi më pas u fut në pjesën e pasme të një miu nën lëkurën e tij.
• Pas tre muajsh, kolagjeni në vesh ishte zëvendësuar plotësisht me kërc dhe veshi kishte mbajtur formën dhe dallimin e tij nga qelizat e miut përreth.

Dallimi midis një myku dhe një skele

Në procesin e krijimit të veshit të përshkruar më sipër, veshi plastik ishte një myk inert. Funksioni i tij i vetëm ishte të siguronte formën e duhur për veshin. Veshi i kolagjenit që u formua brenda kallëpit veproi si një skelë për kondrocitet. Në inxhinierinë e indeve, skela është një material biokompatibil me një formë specifike në të cilën rriten qelizat. Skela jo vetëm që ka formën e duhur, por gjithashtu ka veti që mbështesin jetën e qelizave.

Që kur u krye procesi origjinal i krijimit të veshit, studiuesit e Cornell kanë gjetur një mënyrë për të shtypur një skelë kolagjeni me formën e duhur të nevojshme për të bërë një vesh, duke eliminuar kërkesën për një myk plastik.

Përfitimet e mundshme të veshëve të shtypur

Veshët e bërë me ndihmën e printerëve mund të jenë të dobishëm për njerëzit që kanë humbur veshët e tyre për shkak të lëndimit ose sëmundjes. Ato gjithashtu mund të ndihmojnë njerëzit që kanë lindur pa veshë ose kanë ata që nuk janë zhvilluar si duhet.

Për momentin, veshët zëvendësues ndonjëherë bëhen nga kërc në brinjën e një pacienti. Marrja e kërcit është një përvojë e pakëndshme për pacientin dhe mund të dëmtojë brinjën. Përveç kësaj, veshi që rezulton mund të mos duket shumë i natyrshëm. Veshët bëhen gjithashtu nga një material artificial, por edhe një herë rezultati mund të mos jetë plotësisht i kënaqshëm. Veshët e shtypur kanë potencialin të duken më shumë si veshë natyralë dhe të punojnë në mënyrë më efikase.

Në Mars 2013, një kompani e quajtur Oxford Performance Materials raportoi se ata kishin zëvendësuar 75% të kafkës së një burri me një kafkë polimeri të shtypur. Printerët 3D përdoren gjithashtu për të bërë pajisje të kujdesit shëndetësor, të tilla si gjymtyrë protetike, aparate dëgjimi dhe implantet dentare.

Shtypja e nofullës së poshtme

Në shkurt 2012, shkencëtarët holandezë raportuan se kishin krijuar një nofull të ulët artificial me një printer 3D dhe ia kishin futur në fytyrën një gruaje 83-vjeçare. Nofulla ishte bërë nga shtresat e pluhurit të metalit titan të shkrirë nga nxehtësia dhe ishte e mbuluar nga një shtresë bioceramike. Materialet bioceramike janë në përputhje me indet njerëzore.

Gruaja mori nofullën artificiale sepse kishte një infeksion kronik të kockave në nofullën e saj të poshtme. Mjekët menduan se operacioni tradicional i rindërtimit të fytyrës ishte shumë i rrezikshëm për gruan për shkak të moshës së saj.

Nofulla kishte nyje në mënyrë që të lëvizte, si dhe zgavra për lidhjen e muskujve dhe brazda për enët e gjakut dhe nervat. Gruaja ishte në gjendje të thoshte disa fjalë sapo u zgjua nga anestezia. Të nesërmen ajo ishte në gjendje të gëlltiste. Ajo shkoi në shtëpi pas katër ditësh. Dhëmbët e rremë ishin planifikuar të futeshin në nofull në një datë të mëvonshme.

Strukturat e shtypura po përdoren gjithashtu në trajnimin mjekësor dhe në planifikimin para-kirurgjikal. Një model tre-dimensional i krijuar nga skanimet mjekësore të një pacienti mund të jetë shumë i dobishëm për kirurgët, pasi ai mund të tregojë kushtet specifike brenda trupit të pacientit. Kjo mund të thjeshtojë operacionin kompleks.

Protetikë dhe sende të implantueshme

Nofulla metalike e përshkruar më sipër është një lloj i trupit protetik, ose artificial. Prodhimi i protetikës është një fushë në të cilën printerët 3D po bëhen të rëndësishëm. Disa spitale tani kanë printerët e tyre ose po punojnë në bashkëpunim me një kompani furnizimesh mjekësore që ka një printer.

Krijimi i një proteze nga shtypja 3D është shpesh një proces më i shpejtë dhe më i lirë sesa krijimi me anë të metodave konvencionale të prodhimit. Përveç kësaj, është më e lehtë të krijosh një përshtatje të personalizuar për një pacient kur një pajisje është projektuar dhe shtypur posaçërisht për personin. Skanimet në spital mund të përdoren për të krijuar pajisje të përshtatura.

Gjymtyrët e zëvendësimit shpesh shtypen 3D sot, të paktën në disa pjesë të botës. Krahët dhe duart e shtypura shpesh janë dukshëm më të lira se ato të prodhuara nga metodat konvencionale. Një kompani e shtypjes 3D po punon me Walt Disney për të krijuar duar shumëngjyrëshe dhe argëtuese protetike për fëmijë. Përveç krijimit të një produkti më të lirë që është më i përballueshëm, nisma synon "të ndihmojë fëmijët të shohin protetikën e tyre si një burim eksitimi sesa siklet ose kufizimi".

Më shumë shembuj

• Në fund të vitit 2015, rruazat e shtypura u vendosën me sukses tek një pacient. Pacientët gjithashtu kanë marrë një sternum të shtypur dhe një kafaz të kraharorit.
• Printimi 3D përdoret për të prodhuar implante të përmirësuara dentare.
• Nyjet e hipit të zëvendësimit shpesh shtypen.
• Katetrat që përshtaten me madhësinë dhe formën specifike të një kalimi në trupin e një pacienti mund të jenë së shpejti të zakonshme.
• Shtypja 3D shpesh përfshihet në prodhimin e aparateve të dëgjimit.

Bioprintimi me qelizat e gjalla: Një e ardhme e mundshme

Printimi me qeliza të gjalla, ose bioprintimi, po ndodh sot. Shtë një proces delikat. Qelizat nuk duhet të nxehen shumë. Shumica e metodave të shtypjes 3D përfshijnë temperatura të larta, të cilat do të shkatërronin qelizat. Përveç kësaj, lëngu bartës për qelizat nuk duhet t'i dëmtojë ato. Lëngu dhe qelizat që përmban ai njihen si bio-bojë (ose bioink).

Zëvendësimi i organeve dhe indeve

Zëvendësimi i organeve të dëmtuara me organet e bëra nga printerët 3D do të ishte një revolucion i mrekullueshëm në mjekësi. Për momentin, nuk ka mjaft organe të dhuruara në dispozicion për të gjithë ata që kanë nevojë për to.

Plani është që të merren qelizat nga trupi i vetë pacientit në mënyrë që të shtypen një organ që u nevojitet. Ky proces duhet të parandalojë refuzimin e organeve. Qelizat ka të ngjarë të jenë qeliza staminale, të cilat janë qeliza të paspecifikuara që janë të afta të prodhojnë lloje të tjera të qelizave kur ato stimulohen në mënyrë korrekte. Llojet e ndryshme të qelizave do të depozitohen nga printeri në rendin e duhur. Studiuesit po zbulojnë se të paktën disa lloje të qelizave njerëzore kanë një aftësi të mahnitshme për të vetë-organizuar kur ato depozitohen, gjë që do të ishte shumë e dobishme në procesin e krijimit të një organi.

Një lloj i veçantë i printerit 3D i njohur si bioprinter përdoret për të bërë indet e gjalla. Në një metodë të zakonshme për të bërë indin, hidrogeli shtypet nga një kokë e printerit për të formuar një skelë. Pikat e imëta të lëngshme, secila që përmbajnë mijëra qeliza, janë shtypur në skelë nga një tjetër kokë e printerit. Pikat shpejt bashkohen dhe qelizat bashkohen me njëra-tjetrën. Kur të formohet struktura e dëshiruar, skela e hidrogelit hiqet.Mund të qërohet ose mund të lahet nëse është i tretshëm në ujë. Mund të përdoren edhe skelë të biodegradueshme. Këto gradualisht prishen brenda një trupi të gjallë.

Në mjekësi, transplantimi është transferimi i një organi ose indi nga një dhurues tek një marrës. Një implant është futja e një pajisjeje artificiale në trupin e pacientit. Bioprintimi 3D bie diku midis këtyre dy ekstremeve. Të dy "transplantimi" dhe "implanti" përdoren kur u referohen artikujve të prodhuar nga një bioprinter.

Disa Suksese të Bioprintimit

Implantet jo të gjalla dhe protezat e krijuara nga printerët 3D janë përdorur tashmë te njerëzit. Përdorimi i implanteve që përmbajnë qeliza të gjalla kërkon më shumë hulumtime, të cilat po kryhen. Organe të tëra nuk mund të bëhen ende nga shtypja 3D, por pjesë të organeve munden. Janë shtypur shumë struktura të ndryshme, duke përfshirë pjesët e muskujve të zemrës që janë në gjendje të rrahin, pjesët e lëkurës, segmentet e enëve të gjakut dhe kërcet e gjurit. Këto nuk janë futur ende te njerëzit. Në vitin 2017, shkencëtarët paraqitën një prototip të një printeri që mund të krijojë lëkurën e njeriut për implantim, megjithatë, dhe në 2018 shkencëtarë të tjerë shtypën kornea në një proces që një ditë mund të përdoret për të riparuar dëmtimin e syve.

Disa zbulime shpresëdhënëse u raportuan në vitin 2016. Një ekip shkencëtarësh vendosën tre lloje të strukturave të bioprinuara nën lëkurën e minjve. Këto përfshinin një kunj të veshit njerëzor në madhësi të një fëmije, një copë muskul dhe një pjesë të kockave të nofullës njerëzore. Enët e gjakut nga rrethina shtriheshin në të gjitha këto struktura ndërsa ishin në trupat e minjve. Ky ishte një zhvillim emocionues, pasi furnizimi me gjak është i nevojshëm për të mbajtur gjallë indet. Gjaku mbart lëndë ushqyese në indet e gjalla dhe u heq mbeturinat.

Ishte gjithashtu emocionuese të vërehej se strukturat e implantuara ishin në gjendje të qëndronin gjallë derisa të ishin zhvilluar enët e gjakut. Kjo arritje u arrit nga ekzistenca e poreve të imëta në strukturat që lejuan lëndët ushqyese të hyjnë në to.

Shtypja e pjesëve të zemrës

Krijimi i një kornea

Shkencëtarët në Universitetin Newcastle në MB kanë krijuar korneza të shtypura në 3D. Kornea është mbulesa transparente, më e jashtme e syve tanë. Dëmtimi serioz i kësaj mbulese mund të shkaktojë verbëri. Një transplant korneal shpesh zgjidh problemin, por nuk ka mjaft kornea në dispozicion për të ndihmuar këdo që ka nevojë për to.

Shkencëtarët morën qelizat burimore nga një kornea e shëndetshme njerëzore. Më pas qelizat u vendosën në një xhel të bërë nga alginate dhe kolagjen. Xheli mbronte qelizat ndërsa udhëtonin nëpër grykën e vetme të printerit. Më pak se dhjetë minuta ishin të nevojshme për të shtypur xhelin dhe qelizat në formën e duhur. Forma është marrë duke skanuar syrin e një personi. (Në një situatë mjekësore, syri i pacientit do të skanohej.) Sapo të shtypet përzierja e xhelit dhe qelizave, qelizat burimore prodhuan një kornea të plotë.

Korneat e bëra nga procesi i shtypjes nuk janë futur ende në sytë e njeriut. Ndoshta do të duhet ca kohë para se të jenë. Sidoqoftë, ata kanë potencialin për të ndihmuar shumë njerëz.

Stimulimi i qelizave staminale për të prodhuar qelizat e specializuara të kërkuara për të bërë një pjesë specifike të trupit të njeriut në kohën e duhur është një sfidë më vete. Sidoqoftë, është një proces që mund të ketë përfitime të mrekullueshme për ne.

Përfitimet e Mini Organeve, Organoideve, ose Organeve në një Çip

Shkencëtarët kanë qenë në gjendje të krijojnë mini organe me anë të shtypjes 3D (dhe me metoda të tjera). "Mini organe" janë versione në miniaturë të organeve, seksione të organeve ose copa të indeve nga organe specifike. Ata përmenden me emra të ndryshëm përveç termit mini organ. Krijimet e shtypura mund të mos përmbajnë çdo lloj strukture që gjendet në organin me madhësi të plotë, por ato janë përafrime të mira. Hulumtimet tregojnë se ato mund të kenë përdorime të rëndësishme, edhe pse nuk janë të implantueshme.

Organet mini nuk prodhohen gjithmonë nga qelizat e furnizuara nga një dhurues i rastësishëm. Në vend të kësaj, ato shpesh bëhen nga qelizat e një personi që ka një sëmundje. Studiuesit mund të kontrollojnë efektet e ilaçeve në mini organin. Nëse një ilaç zbulohet të jetë i dobishëm dhe jo i dëmshëm, mund t'i jepet pacientit. Ka disa përparësi në këtë proces. Njëra është që një ilaç që ka të ngjarë të jetë i dobishëm për versionin specifik të pacientit të një sëmundjeje dhe për gjenomën e tyre specifike mund të përdoret, gjë që rrit gjasat e një trajtimi të suksesshëm. Një tjetër është se mjekët mund të jenë në gjendje të marrin një ilaç të pazakontë ose normalisht të shtrenjtë për një pacient nëse ata mund të demonstrojnë se ilaçi ka të ngjarë të jetë efektiv. Përveç kësaj, testimi i barnave në mini organe mund të zvogëlojë nevojën për kafshë laboratorike.

Një strukturë që imiton mushkëritë

Në vitin 2019, shkencëtarët në Universitetin Rice dhe Universitetin e Uashingtonit demonstruan krijimin e tyre të një organi mini që imiton një mushkëri të njeriut në veprim. Mini-mushkëria është bërë nga një hidrogel. Ai përmban një strukturë të vogël të ngjashme me mushkëritë që është e mbushur me ajër në intervale të rregullta. Një rrjet enësh që janë të mbushura me gjak rrethon strukturën.

Kur stimulohet, mushkëria e simuluar dhe enët e saj zgjerohen dhe tkurren ritmikisht pa u thyer. Video tregon se si funksionon struktura. Megjithëse organoidi nuk është i madhësisë së plotë dhe nuk imiton të gjitha indet në mushkëritë e njeriut, aftësia e tij për të lëvizur si mushkëri është një zhvillim shumë i rëndësishëm.

Disa Sfida për Bioprintimi

Krijimi i një organi që është i përshtatshëm për implantim është një detyrë e vështirë. Një organ është një strukturë komplekse që përmban lloje të ndryshme të qelizave dhe indeve të rregulluara në një model specifik. Përveç kësaj, ndërsa organet zhvillohen gjatë zhvillimit embrional, ata marrin sinjale kimike që lejojnë strukturën e tyre të hollë dhe sjelljen e ndërlikuar të zhvillohen siç duhet. Këto sinjale mungojnë kur përpiqemi të krijojmë një organ artificialisht.

Disa shkencëtarë mendojnë se në fillim - dhe mbase për ca kohë që do të vijë - ne do të shtypim struktura të implantueshme që mund të kryejnë një funksion të vetëm të një organi në vend të të gjitha funksioneve të tij. Këto struktura më të thjeshta mund të jenë shumë të dobishme nëse kompensojnë një defekt serioz në trup.

Megjithëse ka të ngjarë të kalojnë vite para se organet e bioprinuara të jenë të disponueshme për implantet, ne mund të shohim përfitime të reja të teknologjisë përpara kësaj kohe. Ritmi i kërkimit duket se po rritet. E ardhmja e shtypjes 3D në lidhje me mjekësinë duhet të jetë shumë interesante, si dhe emocionuese.

Referencat

• Një vesh artificial i krijuar nga një printer 3D dhe qelizat e kërcit të gjalla nga Revista Smithsonian.
• Transplantimi i nofullës i bërë nga një printer 3D nga BBC (British Broadcasting Corporation)
• Duart me ngjyra 3D të shtypura nga Shoqata Amerikane e Inxhinierëve Mekanikë
• Bioprinter krijon pjesë të trupit të rritura në laborator për porosi për transplantim nga The Guardian
• Kornea e parë njerëzore e shtypur në 3D nga shërbimi i lajmeve EurekAlert
• Printeri 3D bën mëlçinë më të vogël të njeriut ndonjëherë nga New Scientist
• Organet e shtypura mini 3D imitojnë rrahjet e zemrës dhe mëlçisë nga New Scientist
• Një organ që imiton mushkëritë nga Popular Mechanics
• Printeri i ri 3D bën indet e veshit, muskujve dhe kockave në madhësi të jetës nga qelizat e gjalla nga Science Alert
• Bioprinter 3-D për të shtypur lëkurën e njeriut nga shërbimi i ri phys.org

Ky artikull është i saktë dhe i vërtetë për sa i përket njohurive të autorit. Përmbajtja është vetëm për qëllime informuese ose argëtuese dhe nuk zëvendëson këshillën personale ose këshillën profesionale në çështje biznesi, financiare, ligjore ose teknike.