3D-tulostus ihmisen elimiä – Kuinka realistista se on?

3D-tulostuksen maailma laajenee merkittävästi nopeasti. Arvioiden mukaan 3D-tulostuksen maailmanlaajuinen markkinakoko—tuotteet ja palvelut—kasvaa kolminkertaiseksi vuosina 2020–2026. Vuonna 2020 12,6 miljardia Yhdysvaltain dollaria arvostettu markkina voisi kasvaa yli 37 miljardiin dollariin vuoteen 2026 mennessä.

Sovellusten markkinan kasvu saa vahvan tuen innovaation tapahtumapaikasta—sekä instituutioiden että yritysten tasolla. Suuret Yhdysvaltain teknologiayritykset, esimerkiksi, ovat olleet erittäin aktiivisia 3D-tulostuksessa—kuten patenttimäärä vuodesta 2010 osoittaa. General Electrics on esimerkiksi julkaissut jopa 342 patenttia vuosina 2010–2019. 

Kuitenkin 3D-tulostuksen alalla on aina ollut keskeinen kysymys todellisesta sovellettavuudesta. Vaikka se on aina ollut tieteellisesti jännittävä ja houkutteleva alue tutkia, monet ovat kysyneet: ‘Kuinka realistista se on?’

Äskettäin onnistunut kokeilu osoitti, kuinka todellista se voisi mahdollisesti olla, kun Virginiassa sijaitsevan University of Virginia School of Engineering and Applied Science -tutkimusryhmä kehitti sen, mitä voitaisiin kutsua malliksi ensimmäisille ihmisen kanssa yhteensopivien elinten rakennuspalikoille tulostettavaksi tarpeen mukaan. Tulevassa osiossa tarkastelemme kokeilua ja sen saavutuksia tarkemmin. 

Biomateriaalit, joiden mekaaniset ominaisuudet on hallittu vastaamaan eri ihmisen kudosten ominaisuuksia 

Kokeilun johto oli Liheng Cai ja Jinchang Zhu. Liheng Cai on apulaisprofessori materiaalitieteen ja -tekniikan sekä kemiantekniikan alalta, ja Jinchang Zhu on hänen tohtorintutkijansa. opiskelija.

He käyttämä bioprinttausmenetelmä tunnetaan nimellä Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Tämä tekniikka sijoittaa biomateriaalihiukkasia vesipohjaiseen tukimatriisiin rakentaakseen 3D-rakenteita, jotka tarjoavat suotuisan ympäristön solujen kasvulle.

Julkaistessaan löydöksensä lehdessä Nature Communications, tutkijat nimesivät raportin ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets’. Termi Voxel juontaa juurensa siitä, että tulostusprosessi noudattaa sitä, miten ‘voxelit’—3D-versio pikseleistä—rakentavat 3D-objekteja. 

Selittäessään läpimurron, jonka heidän tutkimuksensa antoi tieteelliselle yhteisölle, Jinchang Zhu sanoi seuraavaa:

“Uudet hydrogeelihiukkasemme edustavat ensimmäistä toimivaa voxelia, jonka olemme koskaan tehneet. Tarkalla mekaanisten ominaisuuksien hallinnalla tämä voxel voi toimia yhtenä perusrakennuspalikasta tuleville tulostusrakenteillemme.”

Yrittäessään olla tarkempi tavalliselle käyttäjälle, Zhu korosti tekniikkansa erottuvia ominaisuuksia verrattuna muihin bioprinttausmenetelmiin. Hän painotti ‘Hallinnan’ elementtiä teknologiassaan, mikä teki mahdolliseksi tulostaa organoideja.
Nämä organoidit olivat pelkkiä 3D-solupohjaisia malleja, jotka voivat toimia ihmisen kudoksina. Niitä voidaan hyödyntää taudin etenemisen tutkimiseen jatkuvassa parannusyrityksessämme.

Suuri harppaus verrattuna olemassa oleviin bioprinttausmenetelmiin

Zhu kutsui heidän innovaatiotaan ‘suureksi harppaukseksi’ verrattuna olemassa oleviin bioprinttausmenetelmiin, koska se oli ‘kestävä ja soluille ystävällinen.’ Kokeilussa käytetyt polymerihydrogeelihiukkaset pystyivät jäljittelemään ihmisen kudoksia säätämällä yksimolekyylisten monomeerien järjestystä ja kemiallisia sidoksia, jotka yhdistyvät ketjuiksi muodostaen verkkoja.

Vertailussa muihin samankaltaisiin ratkaisuihin Cai’n ja Zhu’n tarjoama ratkaisu osoittautui myös vähemmän myrkylliseksi ja biologisesti yhteensopivammaksi.

Tiimi saavutti myös merkittäviä parannuksia bioprinterin käytössä. He suunnittelema monikanavainen suutin pystyi sekoittamaan hydrogeelikomponentteja tarpeen mukaan. Se auttoi ratkaisemaan supernopeasta ristisidonnasta johtuvan haasteen, joka muuttaa nestemäiset pisarat elastiseksi, vesiköyhäksi geeliksi 60 sekunnissa.

DASP-tekniikka poistaa tämän pullonkaulan sijoittamalla suuria pisaroita kapeasta ja nopeasti liikkuvasta suuttimesta matriksiin, jolloin ne jäävät välittömästi suspensioon. Tällä tavoin se ratkaisee keskeisen ongelman pehmeän aineen tieteen ja 3D-bioprintauksen alalla: viskoelastisten voxelien tarkka manipulointi. Yhteenvetona Cai totesi:

“Olemme nyt luoneet perustan voxel-pohjaiselle bioprintaukselle. Kun se on täysin toteutettu, DASP:n sovelluksiin kuuluvat keinotekoiset elinsiirrot, tauti- ja kudosmallinnus sekä uusien lääkkeiden ehdokkaiden seulonta. Ja se todennäköisesti ei lopu siihen.”

Kuten olemme jo nähneet, 3D-bioprintauksen innovaatiot ovat jatkuneet pitkään. Siksi on varsin selvää, että monet arvostetut yritykset ovat omaksuneet tämän teknologian. Seuraavissa osioissa tarkastelemme kahta yritystä, jotka ovat edistäneet tätä aluetta lääketieteellisessä tieteessä ja terveydenhuollon teknologiassa.

#1. Northwell Health

Yritys väittää olevansa ‘100% devoted to being the first health system to 3D print parannuksesi’. Yksi Northwell Healthin merkittävimmistä toimenpiteistä tällä alalla on ollut proteettien saralla. 

Yritys 3D-tulosti vesikäyvän amphibious prosthetic limb. Ratkaisu on evä, joka mahdollistaa amputoidun menemisen veteen ja sieltä pois ilman proteettien vaihtoa.

Evä tarjoaa etuja, kuten huipputason hiilikuitumateriaalien käyttö ja ergonomisen muodon hyödyntäminen kestävän ja tehokkaan liikkeen varmistamiseksi. Northwell käytti hiilikuitua vahvistettua nailonia evän tulostamiseen, mikä korostaa voimaa ja joustavuutta. Lisäksi sen kestävyys tekee siitä sopivan sekä maalla että vedessä käytettäväksi.

Evässä oli ainutlaatuinen materiaalidynamiikka. Siinä oli kartiomainen muotoiset reiät, jotka pystyvät säätelemään veden kulkua. Reikien suunnittelu ja asettelu mahdollistivat luonnollisen vastuksen ja työntövoiman vedessä. Reikien määrä oli säädettävissä amputoidun erityistarpeiden mukaan.

Northwell Health on pitkään ollut edelläkävijä 3D-tulostettujen, yksityiskohtaisten kehon osien mallien kehittämisessä, jotka auttavat kirurgeja suunnittelemaan leikkauksia paremmin. Yritys tunnisti 3D-tulostuksen potentiaalin ennen kuin siitä tuli niin menestynyt trendi.

Vuonna 2018 Todd Goldstein, Northwell Healthin 3D Design and Innovation Centerin johtaja, sanoi seuraavaa:seuraavaa:

“3D-tulostuksen käyttö lääketieteessä mahdollistaa potilaiden anatomian siirtämisen tietokoneen näytöltä suoraan lääkärin käsiin. Tämä teknologia on mullistava kaikille osapuolille, sillä se antaa lääkäreille paremman mahdollisuuden visualisoida patologian, potilaille mahdollisuuden nähdä tarkasti, millaista hoitoa tarvitaan, ja mahdollistaa tarkemmat, potilaakohtaiset hoidot lähes kaikilla erikoisaloilla.”

Vuonna 2023 Northwell Health rekisteröi 16,9 miljardia Yhdysvaltain dollaria liikevaihtoa ja 6,3 % EBITDA-marginaalin.

#2. Psyonic

Toinen yritys, joka on tehnyt merkittävää työtä tällä alalla, on Psyonic. Ability Hand, Psyonicin lippulaivatuote, on maailman nopein ja ensimmäinen kosketusta havaitseva bioninen käsi. Lupauksena palauttaa elinvoima ja liikkuvuus entiseen, PSYONIC hyödyntää 3D-tulostusta tehokkaaseen prototypointiin, kustannustehokkuuden ja saatavuuden lisäämiseen sekä kestävyyden ja iskunkestävyyden parantamiseen.

Psyonic on lisännyt ratkaisuunsa merkittävää arvoa sisällyttämällä antureita bionisen käden sormenpäihin, jotka havaitsevat painetta, kun käyttäjä pitää esinettä, ja lähettävät värinän käsivarteen viestittääkseen tunteen.

Tämän seurauksena käden käyttäjä voi tuntea toiminnan ja käsitellä kaikkein herkkiä esineitä helposti, mukavasti ja saumattomasti. Sen kestävyys tekee siitä kykenevän kestämään tylppää iskua ilman rikkoutumista. Se on myös vedenkestävä ja siinä on useita otteita päivän aikana käyttöön.

Ability Hand tarjoaa yhteensä 32 otteita, joista 19 on ennalta määriteltyjä ja käytettävissä. Se on kevyt, painaa 490 grammaa. Se on moninivelinen, kaikki viisi sormea voivat taivuttaa ja ojentaa, ja peukalo pystyy kiertymään sähköisesti ja manuaalisesti.

Sitä voi ladata USB-C:llä tunnissa. Se on yhteensopiva ja toimii useimpien kolmannen osapuolen EMG-mallintunnistusjärjestelmien, EMG-suorakontrollijärjestelmien, lineaaristen transduktoreiden ja voimakäsittelyvastusten kanssa.

Viimeisimpien saatavilla olevien rahoitustietojen mukaan Psyonicin joukkorahoitettu osakekampanja on kerännyt yli miljoona dollaria tähän mennessä.

Näistä 3D-tulostetuista ihmisen kehon osista käy ilmi, että realistisesti 3D-tulostus ihmisen elimistä ei ole kaukana unelmasta. Vaikka olemme jo käsitelleet yhtä merkittävimmistä läpimurroista tällä alalla äskettäin, tarkastelemme lisää olennaista tutkimusta ymmärtääksemme tulevaisuuden valtavan potentiaalin.

Klikkaa tästä oppiaksesi uudesta tekniikasta, jonka avulla voidaan 3D-tulostaa toimivaa aivokudosta.

3D-tulostuksen tulevaisuus: niin lähellä todellisuutta kuin se voi olla 

Hydrogeelin tehottoman käytön historiaa 3D-tulostettujen elinten tuotannossa on olemassa. 2022 research report viittasi tutkimusryhmään, jota johti professori Thomas Scheibel Bayreuthin yliopistossa, ja joka onnistui tuottamaan “bio-ink” -tulostusmateriaalia sekoittamalla hämähäkin silkkiä hiirimyösolujen kanssa 3D-tulostuksen avulla.

Geelit pystyivät nopeasti muuttumaan nestemäisestä kiinteäksi tilaksi virratessaan tulostuspäähän ja ekstrusiopinnalle. Tämä tieto havaittiin hyödylliseksi sydänlihaskudoksen replikoimisessa hämähäkin silkki -tukirakenteilla ja kardioymyyttisoluilla.

Vuoden 2023 raportti, joka tutki kattavasti 3D-tulostuksen todellisuutta ihmisen elinten replikoimisessa, väitti sen olevan ‘lähitulevaisuudessa todellisuus.’ Se viittasi moniin esimerkkeihin, jotka osoittavat lupaavan tulevaisuuden kaikissa mahdollisissa vaikutuksissa.

Esimerkiksi vuonna 2022 San Antonio, Texasissa, tohtori Arturo Bonilla pystyi istuttamaan ulkokorvan 20‑vuotiaalle naiselle, joka syntyi ilman korvaa, rakentamalla oikean korvan tarkalleen saman muotoisena ja kokoisena kuin hänen vasen korvansa. Tapaus oli äärimmäisen merkittävä, koska se oli ensimmäinen kerta, kun istutettu korva oli 3D-bioprinterin tuottama käyttäen naisen rustosoluja.

Puolassa toimivat tutkijat pystyivät myös tulostamaan toimivan haiman prototyypin vakaalla verenvirtauksella. Kokeilu tehtiin sioilla ja sitä seurattiin kahden viikon ajan. Samaan aikaan pyrittiin soveltamaan tekniikoita ihmisen keuhkoihin. Michal Wszola, Bionic Pancreas -projektin tekijä, ja United Therapeutics Corporation tulostivat 3D-menetelmällä ihmisen keuhkon tukirakenteen, jossa oli 4 000 kilometriä kapillaareja ja 200 miljoonaa alveolia (pieniä ilmakuplia), jotka pystyivät vaihtamaan happea eläinmalleissa.

Wake Forest Institute for Regenerative Medicinein tutkijat kehittivät mobiilin ihon bioprinttausjärjestelmän. He uskovat, että pian olisi mahdollista siirtää tulostin suoraan potilaan sängyn luo, jolla on parantumaton haava, kuten palovamma, skannata ja mitata haavan alue, ja 3D-tulostaa ihoa kerros kerrokselta suoraan haavan pinnalle.

Professori Tal Dvir on kudosinsinöörityön ja regeneratiivisen lääketieteen johtaja Tel Avivin yliopistossa Israelissa. Hänen johdollaan on käynnistetty projekti 3D-tulostetusta “jänikön kokoisesta”heart, jossa on soluja, kammioita, pääverisuonia ja sydämenlyönti. Puhuttaessa keksinnöstä ja sen tulevaisuuden potentiaalista, Dvir sanoi seuraavaa:

“Työskentelemme nyt pacemaker-solujen, eteiskammiokasojen ja kammiosolujen parissa. Näyttää hyvältä. Uskon, että tämä on tulevaisuus.”

Terveysasiantuntijat uskovat, että ihmiskunnan kyky 3D-tulostaa elimiä auttaisi 106 000 hengen odotuslistaa elinsiirtoja varten. Päivittäin 17 potilasta kuolee odotellessaan. Kyky 3D-tulostaa ihmisen elimiä pelastaisi monia elämiä.
Stanfordin yliopiston bioinsinöörintieteen osaston apulaisprofessorin Mark Skylar-Scottin mukaan:

“Alue on kehittynyt erittäin nopeasti viimeisen kahden vuosikymmenen aikana, alkaen tulostetuista virtsarakkoista nykyisiin erittäin solupitoisiin kudoksiin, joissa on verisuonia, jotka voidaan liittää pumppuun—sekä monimutkaisiin 3D-malleihin, jotka muistuttavat sydämen osia integroiduilla sydänsoluilla.”

On nyt lähes varmaa, että 3D-tulostus ihmisen elimiä mullistaa hoitoprosessimme ja hoitojärjestelmämme. Kuitenkin sen on voitava voittaa joitakin haasteita.

Esimerkiksi sen on oltava kestävämpi stressiä vastaan. Tuotannon ja valmistuksen on oltava inklusiivisempaa raaka-aineiden yhteensopivuuden osalta. Sen on myös oltava energiatehokas, jotta sitä voidaan skaalata nopeammin.

Sen on päästävä eroon 3D-tulostimista vapautuvista haihtuvista orgaanisista yhdisteistä, jotka ovat usein karsinogeenisiä ja myrkyllisiä ja voivat aiheuttaa vakavia terveysongelmia, kuten elinvaurioita, kurkun ärsytystä ja pahoinvointia. Lopuksi sen on oltava kustannustehokas ja edullinen, jotta se hyödyttää suurta osaa alahoitoa tarvitsevaa väestöämme maailmanlaajuisesti.

Klikkaa tästä saadaksesi listan lupaavimmista 3D-bioprinttausosakkeista.