Zastosowanie druku 3D w medycynie

Autor: Emilia Kiryk

 

ZASTOSOWANIA DRUKU 3D W MEDYCYNIE

Wydrukowanie kawałka skóry w laboratorium brzmi niemożliwie? Wyhodowanie organu z samych komórek brzmi odlegle? Okazuje się, że te projekty są rozwijane od ponad 20 lat, a dzięki błyskawicznemu rozwojowi technologii druku przestrzennego w ostatnich latach są bardziej zaawansowane niż kiedykolwiek!

Prototypy i nie tylko…

Druk 3D to technika pozwalająca na wytworzenie obiektu przestrzennego w sposób przyrostowy warstwa po warstwie, przy użyciu dowolnych materiałów i sposobów spajania ich ze sobą. Drukowaniem 3D jest więc m.in.: nakładanie kolejnych warstw półpłynnego tworzywa sztucznego (FDM), utwardzanie żywic światłoczułych za pomocą wiązki lasera (SLA) lub lampy UV (PolyJet / MJP), selektywne topienie sproszkowanych metali (SLM, DMLS, EBM) czy selektywne spiekanie sproszkowanych tworzyw sztucznych (SLS). Obecnie posługując się technologiami przyrostowymi, można z łatwością wykonać modele o bardzo skomplikowanych kształtach, wysokiej precyzji i różnokolorowych materiałach, których uzyskanie przy pomocy odlewów, frezarek czy wycinarek byłoby zbyt trudne lub wręcz niemożliwe. Sama technologia nie jest nowa, jednak większość osób jeszcze do niedawna zupełnie nie zdawała sobie sprawy z możliwości jej zastosowań, ponieważ była wykorzystywana głównie w przemyśle ciężkim do tworzenia prototypów nowoczesnych rozwiązań zanim trafią one do produkcji seryjnej. Wielkie maszyny wykorzystywane w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym nadal kosztują miliony złotych i nie są dostępne dla szerszej publiki. Jednak dzięki ogromnej popularyzacji tych technologii dostrzeżono duży potencjał w personalizacji drukowanych modeli, przez co stała się idealnym narzędziem w medycynie, gdzie produkcja protezy czy organu jest nie tyle małoseryjna co dosłownie jednostkowa i unikalna dla każdego pacjenta. Szacuje się, że aż ¼ zastosowań to profesjonalny druk 3D w medycynie.

Nie masz organu? Wydrukuj go sobie!

Od czasów pierwszych nieśmiałych prób druku w medycynie wiedza na temat biomateriałów oraz technologia ich wytwarzania poszła tak bardzo do przodu, że obecnie drukować można z biokompatybilnej żywicy, bioszkła, biozgodnych metali, biodegradowalnych lub bioresorbowalnych polimerów, a nawet bezpośrednio z ludzkich komórek.

Wielkim przełomem stał się tzw. biodruk, dzięki któremu badania w dziedzinie inżynierii tkankowej poszły znacząco do przodu i już teraz podejmuje się próby wytwarzania całych narządów. Proces biodruku 3D polega na pobraniu od pacjenta komórek, a następnie namnożeniu ich i umieszczeniu w odpowiednim nośniku – np. hydrożelu. Następnie, utworzonym w ten sposób biotuszem, przystępuje się do drukowania tkanek. Mimo, że proces ten jest niesamowicie skomplikowany oraz czasochłonny, otwiera świat medycyny na zupełnie nowe możliwości. Największe nadzieje wiązane są z dziedziną transplantologii, gdzie wyprodukowany w laboratorium organ skróciłby czas oczekiwania na przeszczep oraz znacząco zmniejszył ryzyko odrzucenia wszczepu z własnych komórek organizmu. Tylko w ostatniej dekadzie udało się opracować takie tkanki jak miniaturowa nerka, model skóry, chrząstka stawowa czy zastawka serca. Kolejnym wartym wspomnienia zastosowaniem biodrukowanych organów jest farmacja. Obecnie testowanie leków odbywa się wieloetapowo – najpierw substancja testowana jest na pojedynczych komórkach, następnie na zwierzętach, a na koniec jest dopuszczana do badań klinicznych na ludziach. Użycie biodruku z komórek pacjenta pozwala nie tylko na skrócenie całego procesu, ale również eliminuje etap badań na zwierzętach.

Przykładem powszechnie stosowanego biodruku są skafoldy (ang. Scaffold). W przeciwieństwie do hydrożelu, który tworzy lepką otoczkę wokół komórek, skafoldy są rodzajem sztywnego rusztowania wytworzonego z silnie porowatego materiału, który można z łatwością zasiedlić komórkami. Skafoldy są używane np. do implantów kości w sytuacjach, kiedy ubytek jest zbyt duży, aby kość w naturalny sposób mogła się odbudować. Komórki kostne po wszczepieniu powoli wrastają w stelaż tworząc strukturę podobną mechanicznie do prawdziwej kości.

Organy nie tylko do wszczepienia –

Jeszcze do niedawna jedynym wglądem lekarzy w ciało człowieka były cyfrowe obrazy z tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego wyświetlane na ekranie komputera w postaci trójwymiarowych wizualizacji. Stworzenie fizycznego modelu wybranego narządu pacjenta było czasochłonne, a jego koszty przygotowania zbyt wysokie, aby wykonać pojedynczy spersonalizowany produkt, dlatego szpitale często rezygnowały z tego rozwiązania. Tworzenie modeli przedoperacyjnych jest jednak ważnym ułatwieniem dla chirurgów, które pozwala nie tylko zmniejszyć ryzyko błędu i uniknąć niebezpiecznych komplikacji, ale również znacząco skrócić czas zabiegu. Technologie przyrostowe idealnie wstrzeliły się w tę niszę i obecnie wspomagające modele do planowania operacji z powodzeniem są używane w takich dziedzinach jak ortopedia, otolaryngologia czy kardiologia. Służą również jako pomoc dydaktyczna dla studentów oraz narzędzie do lepszej komunikacji z pacjentem. Tanie modele tworzone w technologii FDM są używane do odwzorowania prostych zależności między strukturami w narządzie, ponieważ mimo niskiej dokładności dają możliwość drukowania w wielu kolorach i materiałach. Są popularne zwłaszcza w stomatologii i chirurgii twarzowo-szczękowej, gdzie pokazują przebieg ważnych nerwów oraz ułożenie zatrzymanych zębów. Wiele droższej, ale niesamowicie dokładnej metody stereolitografii – SLA lub PolyJet używa się do odtworzenia skomplikowanej patologii, bądź bardzo dokładnej sieci naczyń krwionośnych lub nerwów w mniejszych i bardziej złożonych narządach. Dzięki użyciu plastycznych materiałów naśladujących żywe tkanki, na narządach można przeprowadzić dokładną symulację operacji, a po zabiegu modele mogą jeszcze wielokrotnie służyć lekarzom rezydentom oraz studentom do celów edukacyjnych.

Drukarka na własny użytek? –

Druk 3D to nie tylko drogi laboratoryjny sprzęt. W ostatnich latach widzimy ogromne zainteresowanie zwłaszcza technologią FDM (ang. Fused Deposition Modeling). Technologia polega na wyciskaniu przez cieniutką dyszę półpłynnego materiału, który momentalnie zastyga i warstwa po warstwie możemy formować trójwymiarowe kształty. Ten rodzaj szybkiego prototypowania jest na tyle tani, łatwo dostępny oraz prosty w obsłudze, że można odnieść wrażenie, że każdy obecnie posiada taką drukarkę. Powstało wiele firm zajmujących się drukiem 3D na zamówienie. W internecie można znaleźć nie tylko ogólnodostępne projekty modeli do wydrukowania (tzw. Open Source), ale wręcz całe instrukcje jak samodzielnie zbudować drukarkę 3D. Strony takie jak instructables.com czy reprap.org tłumaczą krok po kroku jak stworzyć urządzenie korzystając z łatwo dostępnych i tanich materiałów. Dostępność druku FDM jest na tyle powszechna, że jesteśmy bombardowani informacjami o drukowanych doniczkach, rzeźbach, zabawkach, biżuterii, sztućcach czy innych przedmiotach codziennego użytku. Ale skąd wzięła się ta technologia i dlaczego przyszła tak nagle?

Kiedy Alexander Fleming odkrył penicylinę zobaczył w niej tak ogromny potencjał, że postanowił nie patentować swojego odkrycia i kiedy sam nie miał funduszy na badania umożliwił innym badaczom pracę nad substancją. Dzięki temu niespełna 3 lata później środek ratujący życie był dostępny dla milionów ludzi na całym świecie. Zanim Volvo zaczęło montować pierwsze 3-punktowe pasy bezpieczeństwa w swoich samochodach w latach pięćdziesiątych śmiertelność wypadków samochodowych była zatrważająca. Wynalazek szwedzkiego inżyniera, Nilsa Bohlina, pracującego dla producenta samochodów został natychmiast udostępniony innym ratując w ten sposób w kolejnych latach życie setek tysięcy ludzi*. Jednak z technologią FDM było inaczej. Została ona stworzona przez Scotta Crumpa, współzałożyciela firmy Stratasys, już w latach osiemdziesiątych, ale dopiero w roku 2009 kiedy wygasł patent, trafiła do ogólnego użytku po 30 latach otwierając furtkę do jej błyskawicznego rozwoju i użytku w projektach medycznych i społecznych. Czy gdyby twórca dostrzegł w niej potencjał ratowania życia byłoby inaczej?

*(wg oficjalnego raportu Volvo upamiętniającego 50 rocznicę wynalazku między rokiem 1959 a 2009 trzy punktowe pasy bezpieczeństwa uratowały życie ponad miliona osób oraz zmniejszyły śmiertelność wypadków o co najmniej 50% stając się tym samym największym wkładem w bezpieczeństwo ludzi w historii motoryzacji).

Druk 3D w czasach Pandemii –

kiedy wieść o globalnej pandemii rozeszła się po świecie i zaczęły napływać pierwsze sygnały o brakach w szpitalach, ludzie z całego świata zorganizowali się w społeczność osób posiadających działające drukarki – zarówno na użytek własny jak i firmy oferujące swoje usługi druku. Powstało wiele ratujących życie projektów oraz drobnych udogodnień ułatwiających lekarzom i pracownikom medycznym codzienną pracę. Najbardziej wartym wspomnienia jest przykład szpitala w Brescii, jednym z najmocniej uderzonych pandemią regionie Włoch, gdzie nagle zaistniało wielkie zapotrzebowanie na zawory do masek tlenowych, bo życie pacjentów było zagrożone. Sytuację uratował pasjonat druku 3D, Massimo Temporelli, który przez noc wydrukował idealne kopie brakującego elementu i dostarczył je szpitalowi. O wielu podobnych projektach było głośno w ostatnich miesiącach. Powstały m.i. rozgałęziacze do wentylatorów medycznych dla większej ilości pacjentów z niewydolnością płuc oraz inne części zamienne do urządzeń, które były projektowane ad hoc. Innymi ciekawymi projektami były modele masek ze specjalnym miejscem na filtr oraz tanie i szybkie do wytworzenia stelaże do przyłbic ochronnych, które ludzie często za darmo przekazywali szpitalom w setkach sztuk.

Inicjatywy społeczne

Poza pandemią, proste technologie przyrostowe znalazły świetne zastosowanie w tworzeniu protez – szczególnie tych dla najmłodszych pacjentów. Dzieci rosną bardzo szybko, a zamawianie spersonalizowanej protezy wytwarzanej tradycyjnymi metodami bywa bardzo kosztowne, zwłaszcza, jeśli protezę trzeba wymieniać nawet co kilkanaście miesięcy. Z pomocą przychodzi technologia druku 3D. Wspaniałą inicjatywą jest światowa społeczność wolontariuszy E-NABLE znana ze stworzenia pierwszej protetycznej dłoni do druku 3D oraz udostępnienia jej jako projektu Open Source. Od tego czasu społeczność zebrała dziesiątki tysięcy osób, tworząc w wielu krajach lokalne grupy. Fundacja e-Nable Polska pomogła już ponad 70 podopiecznym. Podarowane ręce 3D mają często specjalnie zaprojektowany motyw z ulubionej bajki lub filmu o superbohaterach, pomalowane ‘paznokcie’ czy miejsce na naklejki i wymienne kolorowe nakładki. Takie elementy dodają dzieciom pewności siebie i sprawiają dużo radości. Również koła naukowe uczelni technicznych, takie jak Koło Naukowe Aparatury Biomedycznej KNAB czy Koło Naukowe Biomechaniki i Inżynierii Biomechanicznej BIOMECH na Politechnice Warszawskiej mając w posiadaniu drukarki 3D oraz młodych ambitnych inżynierów chętnie angażują się w projekty społeczne.

Druk przestrzenny genialnym środkiem na wszystko?

Niestety nie do końca. Pomimo wspaniałych zastosowań trzeba pamiętać ze produkty wytworzone w garażu nie maja odpowiednich atestów i nie mogą być stosowane jako produkty medyczne. Trzeba mieć również dużą świadomość na temat używanych materiałów, ponieważ część plastików może być toksyczna i ma zastosowania głównie przemysłowe. Należałoby więc postawić grubą linię między profesjonalnymi drukarkami do zastosowań naukowo-medycznych i tymi do użytku domowego. Miejmy nadzieję, że obie gałęzie będą rozwijały się równie szybko przynosząc nam z roku na rok coraz wspanialsze zastosowania i nowe odkrycia!

Bibliografia:

Kruk, A., Gadomska-Gajadhur, A., Sebai, A., & Ruśkowski, P. (2017). Rusztowania komórkowe w inżynierii tkankowej. Wyroby Medyczne, 4(4), 31-35.

https://www.media.volvocars.com/global/en-gb/media/pressreleases/18405

https://www.arnoldclark.com/newsroom/265-why-volvo-gave-away-the-patent-for-their-most-important-invention

Chua, Chee Kai; Leong, Kah Fai; Lim, Chu Sing (2003). Rapid Prototyping: Principles and Applications. Singapore: World Scientific. p. 124. ISBN 9789812381170.

https://www.sculpteo.com/blog/2016/11/02/top-10-things-that-were-3d-printed-in-2009/

https://www.economist.com/technology-quarterly/2009/09/05/a-factory-on-your-desk

https://lodz.tvp.pl/44064144/kolorowe-rece-3d-zamiast-tradycyjnej-protezy

Doskocz J., Magdziak-Tokłowicz M., Jakóbczyk A., Kardasz P., Zastosowanie druku 3D w medycynie, „Ogólnopolski Przegląd Medyczny”, 2016, nr 5/2016

European Association of Urology, Surgeons develop personalised 3D printed kidney to simulate surgery prior to cancer operation, dostęp: lipiec 2017, http://www.alphagalileo.org/ViewItem.aspx?ItemId=140891&CultureCode=en

Lifelike 3D-printed heart to help train surgeons, dostęp: lipiec 2017, http://www.bbc.com/news/uk-england-nottinghamshire-29047165

Kamil Karzyński i inni, Use of 3D bioprinting in biomedical engineering for clinical application.