3D‑printning af menneskelige organer – Hvor realistisk er det?

Verdenen inden for 3D‑printning udvider sig i et betydeligt hurtigt tempo. Estimater antyder, at den globale markedstørrelse for 3D‑printning—produkter og tjenester—vil vokse tre gange mellem 2020 og 2026. Værdien var 12,6 milliarder USD i 2020, og markedet kunne vokse til over 37 milliarder USD inden 2026.

Stigningen i markedet for anvendelser støttes effektivt af det rum, hvor innovation sker — både på institutionsniveau og i virksomheder/virksomheder. Store amerikanske teknologivirksomheder har for eksempel været meget aktive med 3D‑printning — som tydeligt fremgår af antallet af patenter, de har udgivet siden 2010. General Electric (GE.TO ) har for eksempel udgivet så mange som 342 patenter mellem 2010 og 2019.

Dog har området for 3D‑printning altid stået over for det afgørende spørgsmål om anvendelighed i den virkelige verden. Selvom det altid har været et videnskabeligt spændende og lokkende område at udforske, har mange spurgt: ‘Hvor realistisk er det?’

For nylig viste et vellykket eksperiment, hvor realistisk det potentielt kunne være, da et forskerteam ved University of Virginia School of Engineering and Applied Science udviklede, hvad der kunne være skabelonen til de første byggeklodser for menneske‑kompatible organer udskrevet på efterspørgsel. I det kommende afsnit ser vi nærmere på eksperimentet og hvad det opnåede i detaljer.

Biomaterialer med kontrollerede mekaniske egenskaber, der matcher dem i forskellige menneskelige væv 

Eksperimentet blev ledet af Liheng Cai og Jinchang Zhu. Liheng Cai er lektor i materialvidenskab og -ingeniør samt kemisk ingeniør, og Jinchang Zhu er hans Ph.D.-studerende.

Den bioprintningsmetode, de fulgte, kaldes Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Denne teknik deponerer biomaterialepartikler i en vandbaseret støttematrix for at bygge 3D‑strukturer, der tilbyder et gunstigt miljø for cellerne at vokse i.

Da de offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Nature Communications, navngav forskerne rapporten ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ Begrebet Voxel stammer fra det faktum, at trykkeprocessen følger, hvordan ‘voxels’ — den 3D‑version af pixels — konstruerer 3D‑objekter.

Mens han forklarede gennembruddet, som deres forskning gav den videnskabelige verden, havde Jinchang Zhu følgende at sige:

“Vores nye hydrogelpartikler repræsenterer den første funktionelle voxel, vi nogensinde har lavet. Med præcis kontrol over mekaniske egenskaber kan denne voxel tjene som en af de grundlæggende byggeklodser for vores fremtidige printkonstruktioner.”

I sit forsøg på at være mere specifik for den almindelige bruger, fremhævede Zhu de fremtrædende kvaliteter ved deres teknik sammenlignet med andre bioprintningsmetoder. Han understregede elementet ‘Kontrol’ i deres teknologi, som gjorde det muligt at printe organoider. 

Disse organoider var intet andet end 3D cellebaserede modeller, der kunne fungere som menneskelige væv. De kunne udnyttes til at studere sygdomsprogression i vores stadigt udviklende søgen efter helbredelser.

Et stort skridt sammenlignet med eksisterende bioprintningsteknologier

Zhu kaldte deres innovation et ‘stort skridt’ sammenlignet med eksisterende bioprintningsteknologier, fordi den var ‘robust og cellevenlig.’ De polymerhydrogelpartikler, der blev brugt i eksperimentet, kunne efterligne menneskelige væv ved at justere arrangementet og de kemiske bindinger af enkeltmolekylære monomerer, som binder sig sammen i kæder for at danne netværk.

I sammenligning med andre lignende løsninger viste den løsning, som Cai og Zhu tilbød, sig også at være mindre giftig og mere biokompatibel.

Teamet opnåede også betydelige forbedringer i deres brug af bioprinteren. Den multikanaldyse, de designede, kunne blande hydrogelkomponenter på efterspørgsel. Den hjalp med at løse udfordringen, der opstod fra superhurtig krydsbinding, som forvandlede flydende dråber til elastisk vandopsvulmet gel inden for 60 sekunder.

DASP‑teknikken fjerner denne flaskehals ved at deponere store dråber fra en smal og hurtigt bevægende dyse ind i matrixen, hvilket straks suspenderer dem. På en måde løser den et kerneproblem inden for blød materievidenskab og 3D‑bioprintning: den præcise manipulation af viskoelastiske voxeler. I opsummeringen af præstationen sagde Cai:

“Vi har nu lagt grundlaget for voxelated bioprintning. Når den er fuldt realiseret, vil DASP’s anvendelser omfatte kunstig organtransplantation, sygdoms‑ og vævmodellering samt screening af kandidater til nye lægemidler. Og det vil sandsynligvis ikke stoppe der.”

Som vi allerede har set, har innovationer inden for 3D‑bioprintning været i gang i lang tid. Derfor er det ganske indlysende, at mange anerkendte virksomheder har adopteret denne teknologi. I de følgende segmenter ser vi på to virksomheder, der har faciliteret dette område inden for medicinsk videnskab og sundhedsteknologi. 

#1. Northwell Health

Virksomheden hævder at være ‘100 % dedikeret til at være det første sundhedssystem, der 3D‑printer din kur”. En af Northwell Health’s mest afgørende indsatser på dette område har været inden for proteser. 

Virksomheden 3D‑printede en amfibisk protetisk lem. Løsningen er en Fin, der gør det muligt for amputationen at gå ind og ud af vandet uden at skifte proteser.

Finens fordele inkluderer brugen af avancerede kulfibermaterialer og udnyttelsen af en ergonomisk form for at sikre holdbar og effektiv bevægelse. Northwell brugte kulfiberforstærket nylon til at printe finen, hvilket handlede om styrke og fleksibilitet. Desuden gjorde dens holdbarhed den egnet til brug på land og i vandet.

Finnen havde unikke materialedynamikker. Den havde kegleformede huller, der kunne kontrollere mængden af vand, der passerer igennem den. Designet og arrangementet af hullerne tillod naturlig modstand og fremdrift i vandet. Antallet af huller var justerbart efter den enkelte amputations specifikke behov.

Northwell Health har længe været en pioner i at udvikle 3D‑printede, detaljerede modeller af kropsdele for at hjælpe kirurger med bedre at planlægge operationer. Virksomheden kunne indse potentialet i 3D‑printning, før det blev en så blomstrende trend.

I et citat fra 2018, Todd Goldstein, direktør for 3D Design and Innovation Center hos Northwell Health, havde følgende at sige:

“Brugen af 3D‑printning i medicin gør det muligt for os at trække patientens anatomi fra en computerskærm og lægge den i lægens hænder. Denne type teknologi er en spilskifter for alle involverede parter, da den giver læger mulighed for bedre at visualisere patologien, giver patienter mulighed for virkelig at se, hvilken behandling der er nødvendig, og muliggør mere præcise, patient‑specifikke behandlinger på tværs af næsten alle specialer.”

I 2023 registrerede Northwell Health indtjening på 16,9 milliarder USD og en EBITDA‑margin på 6,3%.

#2. Psyonic

En anden virksomhed, der har udført bemærkelsesværdigt arbejde inden for dette område, er Psyonic. Ability Hand, Psyonics flagskibsprodukt, er verdens hurtigste og første berøringsfølsomme bioniske hånd. Lovet at genoprette liv og mobilitet til, hvor de var, PSYONIC udnytter 3D‑printning til effektivt at prototype, øge overkommelighed og adgang samt forbedre holdbarhed og slagmodstand. 

Psyonic har tilføjet betydelig værdi til sin løsning ved at indarbejde sensorer i den bioniske hånds fingerspidser, som registrerer tryk, når brugeren griber et objekt, og sender en vibration til armen for at kommunikere den fornemmelse.

Som følge heraf kan håndbrugeren føle handlingen og arbejde med de mest delikate genstande med lethed, komfort og problemfrihed. Dens robusthed gør den i stand til at håndtere stump kraftpåvirkning uden at gå i stykker. Den er også vandtæt og leveres med en række grebsmønstre til brug hele dagen.

Ability Hand tilbyder i alt 32 grebsmønstre, hvoraf 19 er foruddefinerede og tilgængelige for brug. Den er let, vejer 490 gram. Den er multi‑articuleret, med alle fem fingre klar til at bøje og strække, og tommelfingeren kan rotere elektrisk og manuelt.

Den kan oplades med en USB‑C på en time. Den er tværkompatibel og fungerer med de fleste tredjeparts EMG‑mønstergenkendelsessystemer, EMG‑direktekontrolsystemer, lineære transducere og kraftfølsomme modstande.

Ifølge de seneste tilgængelige finansieringsoplysninger har Psyonics crowdfundede aktiekampagne indtil videre rejst mere end 1 million dollars.

Tydeligt ud fra disse eksempler på 3D‑printede menneskelige kropsdele er, at 3D‑printning af menneskelige organer realistisk set ikke er en fjern drøm. Mens vi allerede har diskuteret et af de mest betydningsfulde gennembrud i dette felt for nylig, vil vi udforske mere relevant forskning for at forstå det enorme potentiale for fremtiden.

Klik her for at lære om en ny teknik, der muliggør 3D‑printning af funktionelt hjernevæv.

Fremtiden for 3D‑printning: Så tæt på virkeligheden som det kan blive 

Brugen af hydrogel ineffektivt i  produktionen af 3D‑printede organer har en vis historie. En 2022‑forskningsrapport nævnte et studieledet af professor Thomas Scheibel ved University of Bayreuth, som med succes producerede en “bio‑ink” eller hydrogel ved at blande edderkoppsilke med musefibroblastceller ved hjælp af 3D‑printning.

Gelerne kunne hurtigt forvandle sig fra en væske til en fast tilstand, når de strømmede gennem printerhovedet ud på en ekstruderingsoverflade. Viden blev fundet at blive brugt til at reproducere hjerte muskelvæv ved brug af edderkoppsilkestrukturer og kardiomyocytter.

En 2023‑rapport, der grundigt undersøgte realiteten af at bruge 3D‑printning til at reproducere menneskelige organer, hævdede, at det er en ‘snart‑virkelig realitet.’ Den citerede mange tilfælde, der indikerer en lovende fremtid i alle sandsynlige implikationer.

For eksempel kunne Dr. Arturo Bonilla i 2022 i San Antonio, Texas, implantere et ydre øre på en 20‑årig kvinde—født uden et—ved at konstruere det højre øre i præcis samme form og størrelse som hendes venstre. Sagen var enormt vigtig, da det var første gang, hvor det implanterede øre var produktet af en 3D‑bioprinter, der brugte kvindens bruskceller.

Forskere baseret i Polen var også i stand til at printe en funktionel prototype af en bugspytkirtel med stabil blodgennemstrømning. Eksperimentet blev udført på grise og observeret i to uger. Samtidig var der også igangsat bestræbelser på at tilpasse teknikkerne til menneskelige lunger. Michal Wszola, skaberen af Bionic Pancreas, og United Therapeutics Corporation (UTHR ) 3D‑printede en menneskelig lunge‑skabelon med 4.000 kilometer kapillærer og 200 millioner alveoler (små luftsekker), som kunne udveksle ilt i dyremodeller.

Forskere ved Wake Forest Institute for Regenerative Medicine udviklede et mobilt hud‑bioprintningssystem. De tror, at det snart vil være muligt at rulle printeren direkte til sengen hos en patient med et ikke‑helende sår, såsom en forbrænding, scanne og måle sårområdet og 3D‑printe huden lag for lag direkte på såret.

Professor Tal Dvir er direktør for vævs‑engineering og regenerativ medicin ved Tel Aviv University i Israel. Hans niveau har ledet projektet med et 3D‑printet “kanin‑stort” hjerte, som har celler, kamre, de store blodkar og en hjerteslag. Mens han talte om opfindelsen og dens potentiale for fremtiden, sagde Dvir følgende:

“Vi arbejder nu på pacemakercellerne, atriecellerne, ventrikulercellerne. Det ser godt ud. Jeg tror, dette er fremtiden.”

Sundhedseksperter mener, at menneskehedens evne til at 3D‑printe organer vil hjælpe den 106.000‑personers venteliste for organdonationer. Hver dag dør 17 patienter, mens de venter. At kunne 3D‑printe menneskelige organer ville redde mange liv.

Ifølge  Mark Skylar‑Scott, lektor ved Stanford University Department of Bioengineering:

“Feltet har udviklet sig meget hurtigt i de sidste to årtier, fra printede blærer til nu højt cellulære væv med kar, der kan tilsluttes til en pumpe—og komplekse 3D‑modeller, der ligner hjertekomponenter med integrerede hjerteceller.”

Det er nu næsten sikkert, at 3D‑printning af menneskelige organer vil revolutionere vores behandlingsprocedurer og plejesystemer. Dog skal den overvinde nogle udfordringer.

For eksempel skal den være mere stress‑resistent. Produktion og fremstilling skal være mere inkluderende med hensyn til kompatibiliteten af råmaterialer. Den skal blive energieffektiv, så den kan skaleres op hurtigere.

Den skal slippe af med de flygtige organiske forbindelser, som udsendes af 3D‑printere, og som ofte er kræftfremkaldende og giftige og kan forårsage alvorlige sundhedsproblemer som organskader, halsirritation og kvalme. Endelig skal den være omkostningseffektiv og overkommelig for at gavne en stor del af vores underbehandlede befolkning verden over.

Klik her for en liste over de mest lovende 3D‑bioprintningsaktier.