Προσθετική κατασκευή
3D Εκτύπωση Ανθρώπινων Οργάνων – Πόσο Ρεαλιστική Είναι;
Ο κόσμος της 3D εκτύπωσης επεκτείνεται με σημαντικά γρήγορο ρυθμό. Εκτιμήσεις υποδεικνύουν ότι το παγκόσμιο μέγεθος της αγοράς 3D εκτύπωσης—προϊόντα και υπηρεσίες—θα αυξηθεί τριπλάσια μεταξύ 2020 και 2026. Αξιολογούμενη στα US$12.6 δισεκατομμύρια το 2020, η αγορά θα μπορούσε να αυξηθεί σε πάνω από US$37 δισεκατομμύρια μέχρι το 2026.
Η άνοδος στην αγορά των εφαρμογών υποστηρίζεται επαρκώς από το χώρο όπου συμβαίνει η καινοτομία—τόσο σε επίπεδο ιδρυμάτων όσο και επιχειρήσεων/εταιρειών. Μεγάλες αμερικανικές τεχνολογικές εταιρείες, για παράδειγμα, είναι πολύ ενεργές με την 3D εκτύπωση—όπως φαίνεται από τον αριθμό των πατεντών που έχουν δημοσιεύσει από το 2010. Η General Electrics, για παράδειγμα, έχει δημοσιεύσει μέχρι και 342 patents μεταξύ 2010 και 2019.
Ωστόσο, ο τομέας της 3D εκτύπωσης έχει πάντα αντιμετωπίσει το κρίσιμο ερώτημα της πραγματικής εφαρμογής. Ενώ πάντα ήταν ένας επιστημονικά συναρπαστικός και ελκυστικός χώρος για εξερεύνηση, πολλοί έχουν ρωτήσει, ‘Πόσο ρεαλιστική είναι;’
Πρόσφατα, ένα επιτυχημένο πείραμα έδειξε πόσο πραγματικό θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι όταν μια ερευνητική ομάδα στο University of Virginia School of Engineering and Applied Science ανέπτυξε αυτό που θα μπορούσε να είναι το πρότυπο για τα πρώτα δομικά στοιχεία για ανθρώπινα συμβατά όργανα εκτυπωμένα κατόπιν ζήτησης. Στο επόμενο τμήμα, θα εξετάσουμε το πείραμα και τι πέτυχε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια.
Βιουλικά με Ελεγχόμενες Μηχανικές Ιδιότητες που Ταιριάζουν με Αυτές Διαφόρων Ανθρώπινων Ιστών
Το πείραμα διοικήθηκε από τους Liheng Cai και Jinchang Zhu. Ο Liheng Cai είναι βοηθός καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών και χημικής μηχανικής, και ο Jinchang Zhu είναι ο διδακτορικός του φοιτητής.
Η μέθοδος βιοεκτύπωσης που ακολούθησαν ονομάζεται Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Αυτή η τεχνική τοποθετεί σωματίδια βιουλικού σε ένα υδατικό υποστηρικτικό πλέγμα για την κατασκευή 3D δομών που προσφέρουν ένα ευνοϊκό περιβάλλον για την ανάπτυξη των κυττάρων.
Στην δημοσίευση των ευρημάτων τους στο περιοδικό Nature Communications, οι επιστήμονες ονόμασαν την αναφορά ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ Ο όρος Voxel προέρχεται από το γεγονός ότι η διαδικασία εκτύπωσης ακολουθεί το πώς τα ‘voxels’—η 3D έκδοση των pixel—κατασκευάζουν 3D αντικείμενα.
Εξηγώντας την καινοτομία που η έρευνά τους προσέφερε στην επιστημονική κοινότητα, ο Jinchang Zhu είπε τα εξής:
«Τα νέα μας σωματίδια υδρογέλης αντιπροσωπεύουν το πρώτο λειτουργικό voxel που έχουμε δημιουργήσει ποτέ. Με ακριβή έλεγχο των μηχανικών ιδιοτήτων, αυτό το voxel μπορεί να λειτουργήσει ως ένα από τα βασικά δομικά στοιχεία για τις μελλοντικές μας κατασκευές εκτύπωσης.»
Στην προσπάθειά του να είναι πιο συγκεκριμένος για τον κοινό χρήστη, ο Zhu τόνισε τα ξεχωριστά χαρακτηριστικά της τεχνικής τους σε σύγκριση με άλλες μεθόδους βιοεκτύπωσης. Τόνισε το στοιχείο του ‘Control’ στην τεχνολογία τους, το οποίο έκανε δυνατό το τύπωμα των οργανοειδών.
Αυτά τα οργανοειδή δεν ήταν παρά 3D μοντέλα βασισμένα σε κύτταρα που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως ανθρώπινοι ιστούς. Μπορούν να αξιοποιηθούν για τη μελέτη της εξέλιξης των ασθενειών στην συνεχώς εξελισσόμενη αναζήτηση για θεραπείες.
Ένα Μεγάλο Άλμα σε Σύγκριση με τις Υπάρχουσες Τεχνολογίες Βιοεκτύπωσης
Ο Zhu χαρακτήρισε την καινοτομία τους ως ‘μεγάλο άλμα’ σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες βιοεκτύπωσης επειδή ήταν ‘ανθεκτική και φιλική προς τα κύτταρα.’ Τα σωματίδια πολυμερικής υδρογέλης που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα μπορούσαν να μιμηθούν ανθρώπινους ιστούς τροποποιώντας τη διάταξη και τους χημικούς δεσμούς των μονομορίων μονομόρια, που συνδέονται σε αλυσίδες για να σχηματίσουν δίκτυα.
Σε σύγκριση με άλλες παρόμοιες λύσεις, η λύση που προσέφεραν οι Cai και Zhu αποδείχθηκε επίσης λιγότερο τοξική και πιο βιοσυμβατή.
Η ομάδα επίσης πέτυχε σημαντικές βελτιώσεις στη χρήση του βιοεκτυπωτή. Η πολυκαναλική ακροφύση που σχεδίασαν μπορούσε να αναμειγνύει τα συστατικά της υδρογέλης κατόπιν ζήτησης. Βοήθησε στην επίλυση της πρόκλησης που προκύπτει από την υπερβολικά γρήγορη διασύνδεση, η οποία μετέτρεψε τα υγρά σταγονίδια σε ελαστικό υδατοφουσκωτό γέλιο μέσα σε 60 δευτερόλεπτα.
Η τεχνική DASP αφαιρεί αυτό το εμπόδιο καταθέτοντας μεγάλα σταγονίδια από μια στενή και γρήγορα κινούμενη ακροφύση στο πλέγμα, αναστέλλοντάς τα αμέσως. Με έναν τρόπο, λύνει ένα βασικό ζήτημα στον χώρο της επιστήμης μαλακών υλικών και της 3D βιοεκτύπωσης: την ακριβή διαχείριση των ιξωδών voxels. Συνοψίζοντας το επίτευγμα, ο Cai είπε:
«Τώρα έχουμε θέσει τα θεμέλια για τη voxelated βιοεκτύπωση. Όταν υλοποιηθεί πλήρως, οι εφαρμογές του DASP θα περιλαμβάνουν την τεχνητή μεταμόσχευση οργάνων, τη μοντελοποίηση ασθενειών και ιστών, και τον έλεγχο υποψηφίων για νέα φάρμακα. Και πιθανότατα δεν θα σταματήσει εκεί.»
Όπως έχουμε ήδη δει, οι καινοτομίες γύρω από τη 3D βιοεκτύπωση συνεχίζονται εδώ και πολύ καιρό. Συνεπώς, είναι προφανές ότι πολλές φημισμένες εταιρείες έχουν υιοθετήσει αυτήν την τεχνολογία. Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε δύο εταιρείες που έχουν διευκολύνει αυτόν τον χώρο στην επιστήμη της ιατρικής και την τεχνολογία υγειονομικής περίθαλψης.
#1. Northwell Health
Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι είναι ‘100% αφοσιωμένη στο να είναι το πρώτο σύστημα υγείας που θα 3D εκτυπώσει τη θεραπεία σας’. Μία από τις πιο κρίσιμες παρεμβάσεις της Northwell Health σε αυτόν τον τομέα ήταν στα προσθετικά μέρη.
Η εταιρεία 3D-έτυπωσε ένα αμφίβιο προσθετικό άκρο. Η λύση είναι ένα πτερύγιο που επιτρέπει στον αμαυρωμένο να μπαίνει και να βγαίνει από το νερό χωρίς να αλλάζει τα προσθετικά.
Τα οφέλη του πτερυγίου περιλαμβάνουν τη χρήση υλικών υβριδικού άνθρακα αιχμής και την αξιοποίηση μιας εργονομικής μορφής για να εξασφαλίσει ανθεκτική και αποδοτική κίνηση. Η Northwell χρησιμοποίησε νάιλον ενισχυμένο με ανθρακονήματα για την εκτύπωση του πτερυγίου, το οποίο εστιάζει στη δύναμη και την ευελιξία. Επιπλέον, η ανθεκτικότητά του το έκανε κατάλληλο για χρήση στη γη και στο νερό.
Το πτερύγιο είχε μοναδική δυναμική υλικού. Διαθέτει κυλινδρικά σχήματα οπών που μπορούν να ελέγχουν την ποσότητα του νερού που περνάει από αυτό. Ο σχεδιασμός και η διάταξη των οπών επέτρεψαν φυσική αντίσταση και προώθηση στο νερό. Ο αριθμός των οπών ήταν ρυθμιζόμενος ανάλογα με τις συγκεκριμένες ανάγκες του αμαυρωμένου.
Η Northwell Health είναι εδώ και πολύ καιρό πρωτοπόρος στην ανάπτυξη 3D-εκτυπωμένων, λεπτομερών μοντέλων σωματικών μερών για να βοηθήσει τους χειρουργούς να σχεδιάζουν καλύτερα τις επεμβάσεις. Η εταιρεία μπόρεσε να κατανοήσει το δυναμικό της 3D εκτύπωσης πριν αυτή γίνει τόσο δημοφιλής τάση.
Σε ένα απόσπασμα που χρονολογείται το 2018, ο Todd Goldstein, διευθυντής του 3D Design and Innovation Center στην Northwell Health, είχε το ακόλουθο να πει:
«Η χρήση της 3D εκτύπωσης στην ιατρική μας επιτρέπει να αφαιρέσουμε την ανατομία των ασθενών από την οθόνη του υπολογιστή και να την τοποθετήσουμε στα χέρια του γιατρού. Αυτός ο τύπος τεχνολογίας είναι ένας μετασχηματιστής για όλα τα εμπλεκόμενα μέρη, καθώς επιτρέπει στους γιατρούς να οπτικοποιούν καλύτερα την παθολογία, επιτρέπει στους ασθενείς να δουν πραγματικά ποια θεραπεία χρειάζεται, και επιτρέπει πιο ακριβείς, προσαρμοσμένες στη θεραπεία, θεραπείες σε σχεδόν όλες τις ειδικότητες.»
Το 2023, η Northwell Health κατέγραψε έσοδα 16,9 δισεκατομμύρια δολάρια και περιθώριο EBITDA 6,3%.
#2. Psyonic
Μια άλλη εταιρεία που κάνει αξιοσημείωτη δουλειά σε αυτόν τον τομέα είναι η Psyonic. Το Ability Hand, το κορυφαίο προϊόν της Psyonic, είναι το πιο γρήγορο και πρώτο βιονικό χέρι με ανίχνευση αφής στον κόσμο. Υπόσχεται να αποκαταστήσει τη ζωή και την κινητικότητα όπως ήταν, η PSYONIC αξιοποιεί την 3D εκτύπωση για αποτελεσματικό πρωτότυπο, αύξηση της προσιτότητας και προσβασιμότητας, και βελτίωση της ανθεκτικότητας και της αντοχής σε κρούση.
Η Psyonic έχει προσθέσει σημαντική αξία στη λύση της ενσωματώνοντας αισθητήρες στα ακροδάχτυλα του βιονικού χεριού που ανιχνεύουν την πίεση όταν ο χρήστης κρατά ένα αντικείμενο και στέλνουν δόνηση στο βραχίονα για να μεταδώσουν αυτήν την αίσθηση.
Κατά συνέπεια, ο χρήστης του χεριού μπορεί να νιώσει τη δράση και να εργάζεται με τα πιο ευαίσθητα αντικείμενα με ευκολία, άνεση και απρόσκοπτη λειτουργία. Η ανθεκτικότητά του το καθιστά ικανό να αντέχει σε κτυπήματα χωρίς να σπάσει. Είναι επίσης ανθεκτικό στο νερό και διαθέτει μια ποικιλία προτύπων λαβής για χρήση καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας.
Το Ability Hand προσφέρει συνολικά 32 πρότυπα λαβής, εκ των οποίων τα 19 είναι προκαθορισμένα και διαθέσιμα για χρήση. Είναι ελαφρύ, ζυγίζει 490 γραμμάρια. Είναι πολυ-αρθροποιημένο, με όλα τα πέντε δάχτυλα έτοιμα να λυγίσουν και να εκτείνωνται, και το αντίχειρο μπορεί να περιστρέφεται ηλεκτρικά και μηχανικά.
Μπορεί να φορτιστεί με USB-C σε μία ώρα. Είναι διαλειτουργικό και λειτουργεί με τα περισσότερα τρίτα συστήματα αναγνώρισης προτύπων EMG, συστήματα άμεσου ελέγχου EMG, γραμμικούς μετατροπείς και αντιστάτες ευαίσθητους στη δύναμη.
Σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες διαθέσιμες πληροφορίες χρηματοδότησης, η εκστρατεία equity crowdfunding της Psyonic έχει συγκεντρώσει πάνω από 1 εκατομμύριο δολάρια μέχρι σήμερα.
Φαίνεται από αυτά τα παραδείγματα 3D-εκτυπωμένων ανθρώπινων μελών του σώματος ότι, ρεαλιστικά, η 3D εκτύπωση ανθρώπινων οργάνων δεν είναι ένα απίθανο όνειρο. Ενώ έχουμε ήδη συζητήσει ένα από τα πιο σημαντικά breakthroughs σε αυτόν τον τομέα πρόσφατα, θα εξερευνήσουμε περισσότερη σχετική έρευνα για να κατανοήσουμε το τεράστιο δυναμικό του μέλλοντος.
Το Μέλλον της 3D Εκτύπωσης: Όσο Πλησίον της Πραγματικότητας Όσο Μπορεί να Φτάσει
Η χρήση της υδρογέλης με αναποτελεσματικό τρόπο στην παραγωγή 3D-εκτυπωμένων οργάνων έχει κάποια ιστορία. Μια αναφορά έρευνας 2022 ανέφερε την περίπτωση μιας ερευνητικής ομάδας υπό την ηγεσία του καθηγητή Thomas Scheibel στο University of Bayreuth που παρήγαγε επιτυχώς ένα «βιο-μελάνι» ή υδρογέλη μέσω της ανάμειξης μεταξιού αράχνης με κύτταρα ινοβλαστών ποντικιού χρησιμοποιώντας 3D εκτύπωση.
Τα γέλη μπορούσαν να μετατραπούν γρήγορα από υγρή σε στερεή κατάσταση όταν ρέανε μέσω της κεφαλής του εκτυπωτή πάνω σε μια επιφάνεια εξώθησης. Η γνώση βρέθηκε να χρησιμοποιείται στην αναπαραγωγή καρδιακού μυϊκού ιστού χρησιμοποιώντας σκελετούς από μεταξοαράχνη και καρδιομυοκύτταρα.
Μια αναφορά του 2023 που διερεύνησε εκτενώς την πραγματικότητα της χρήσης της 3D εκτύπωσης για την αναπαραγωγή ανθρώπινων οργάνων ισχυρίστηκε ότι είναι μια ‘σύντομα πραγματικότητα’. Αναφέρθηκε σε πολλές περιπτώσεις που υποδεικνύουν ένα υποσχόμενο μέλλον σε όλες τις πιθανές επιπτώσεις.
Για παράδειγμα, το 2022, στο Σαν Αντόνιο, Τέξας, ο Δρ. Arturo Bonilla μπόρεσε να εμφυτεύσει ένα εξωτερικό αυτί σε μια 20χρονη γυναίκα—που γεννήθηκε χωρίς αυτό—κατασκευάζοντας το δεξί αυτί με ακριβή σχήμα και μέγεθος του αριστερού της. Η περίπτωση ήταν εξαιρετικά σημαντική καθώς ήταν η πρώτη φορά που το εμφύτερο αυτί ήταν προϊόν 3D βιοεκτυπωτή που χρησιμοποίησε τα χόνδρια κύτταρα της γυναίκας.
Ερευνητές από την Πολωνία κατάφεραν επίσης να εκτυπώσουν ένα λειτουργικό πρωτότυπο παγκρέατος με σταθερή ροή αίματος. Το πείραμα διεξήχθη σε γουρούνια και παρατηρήθηκε για δύο εβδομάδες. Παράλληλα, γίνονταν προσπάθειες προσαρμογής των τεχνικών για ανθρώπινους πνεύμονες. Ο Michal Wszola, δημιουργός του Bionic Pancreas, και η United Therapeutics Corporation εκτύπωσαν 3D ένα σκελετό ανθρώπινου πνεύμονα με 4.000 χιλιόμετρα αγγείων τριχοειδούς και 200 εκατομμύρια αλβέολες (μικρές σακούλες αέρα) που μπορούσαν να ανταλλάξουν οξυγόνο σε ζωικά μοντέλα.
Οι επιστήμονες του Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ανέπτυξαν ένα κινητό σύστημα βιοεκτύπωσης δέρματος. Πιστεύουν ότι σύντομα θα είναι δυνατόν να μεταφερθεί ο εκτυπωτής απευθείας στο κρεβάτι ενός ασθενούς που πάσχει από μη επούλωση πληγής, όπως ένας εγκαύματος, να σαρώσουν και να μετρήσουν την περιοχή της πληγής, και να εκτυπώσουν 3D το δέρμα, στρώμα προς στρώμα, απευθείας στην επιφάνεια της πληγής.
Ο καθηγητής Tal Dvir είναι διευθυντής της μηχανικής ιστών και της αναγεννητικής ιατρικής στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ στο Ισραήλ. Η θέση του έχει ηγηθεί του έργου ενός 3D-εκτυπωμένου «αρκούδιου μεγέθους» καρδιάς, που περιλαμβάνει κύτταρα, θάλαμοι, τα κύρια αιμοφόρα αγγεία και παλμό. Καθώς μιλούσε για την εφεύρεση και το δυναμικό της για το μέλλον, ο Dvir είπε το εξής:
«Τώρα εργαζόμαστε στα κύτταρα του καρδιακού ρυθμού, στα ατραλιακά κύτταρα, στα κοιλιακά κύτταρα. Φαίνεται καλό. Πιστεύω ότι αυτό είναι το μέλλον.»
Οι ειδικοί στην υγεία πιστεύουν ότι η δυνατότητα του ανθρώπινου πολιτισμού να εκτυπώνει 3D όργανα θα βοηθήσει τη λίστα αναμονής 106.000 ατόμων για μεταμοσχεύσεις οργάνων. Κάθε μέρα, 17 ασθενείς πεθαίνουν ενώ περιμένουν. Η δυνατότητα εκτύπωσης ανθρώπινων οργάνων θα σώσει πολλές ζωές.
Σύμφωνα με τον Mark Skylar-Scott, βοηθό καθηγητή στο Τμήμα Βιομηχανικής του Πανεπιστημίου Stanford:
«Ο τομέας έχει προχωρήσει πολύ γρήγορα τις τελευταίες δύο δεκαετίες, από εκτυπωμένα κύστη μέχρι τώρα ιστούς με υψηλή κυτταρική πυκνότητα και αγγεία που μπορούν να συνδεθούν με αντλία—και σύνθετα 3D μοντέλα που μοιάζουν με καρδιακά εξαρτήματα με ενσωματωμένα καρδιακά κύτταρα.»
Τώρα είναι σχεδόν βέβαιο ότι η 3D-εκτύπωση ανθρώπινων οργάνων θα επαναπροσδιορίσει τις διαδικασίες θεραπείας και τα συστήματα φροντίδας μας. Ωστόσο, θα πρέπει να ξεπεράσει ορισμένες προκλήσεις.
Για παράδειγμα, θα πρέπει να είναι πιο ανθεκτική στο στρες. Η παραγωγή και η κατασκευή θα πρέπει να είναι πιο περιεκτικές όσον αφορά τη συμβατότητα των πρώτων υλών. Θα πρέπει να γίνει ενεργειακά αποδοτική ώστε να μπορεί να κλιμακωθεί πιο γρήγορα.
Θα πρέπει να απαλλαγεί από τις πτητικές οργανικές ενώσεις που εκλύονται από τις 3D εκτυπώσεις, οι οποίες συχνά είναι καρκινογόνες και τοξικές και μπορούν να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα υγείας όπως βλάβες στα όργανα, ερεθισμό του λαιμού και ναυτία. Τέλος, θα πρέπει να είναι οικονομικά αποδοτική και προσιτή ώστε να ωφελήσει ένα μεγάλο τμήμα του παγκόσμιου πληθυσμού που δεν λαμβάνει επαρκή θεραπεία.
Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις πιο υποσχόμενες μετοχές βιοεκτύπωσης 3D.
