3D-utskrift av menneskelige organer – hvor realistisk er det?

Verdenen for 3D-utskrift vokser i et betydelig raskt tempo. Estimater antyder at det globale markedet for 3D-utskrift—produkter og tjenester—vil vokse tre ganger mellom 2020 og 2026. Verdsettes til US$12,6 milliarder i 2020, kan markedet vokse til over US$37 milliarder innen 2026.

Økningen i markedet for applikasjoner støttes kraftig av rommet hvor innovasjon skjer—både på institusjonsnivå og i bedrifter/selskaper. Store amerikanske teknologiselskaper har for eksempel vært svært aktive med 3D-utskrift—som tydeliggjort av antallet patenter de har publisert siden 2010. General Electric har for eksempel publisert så mange som 342 patenter mellom 2010 og 2019.

Nå har domenet for 3D-utskrift alltid stått overfor det avgjørende spørsmålet om praktisk anvendelse. Selv om det alltid har vært et vitenskapelig spennende og fristende område å utforske, har mange spurt: ‘Hvor realistisk er det?’

Nylig viste et vellykket eksperiment hvor realistisk det potensielt kunne være da et forskerteam ved University of Virginia School of Engineering and Applied Science utviklet det som kan være malen for de første byggeblokkene for menneskelig kompatible organer, skrevet ut på forespørsel. I det kommende segmentet ser vi nærmere på eksperimentet og hva det oppnådde i detalj.

Biomaterialer med kontrollerte mekaniske egenskaper som matcher ulike menneskelige vev 

Experimentet ble ledet av Liheng Cai og Jinchang Zhu. Liheng Cai er assisterende professor i materialvitenskap og ingeniørfag samt kjemisk ingeniørfag, og Jinchang Zhu er hans Ph.D.-student.

Bioprintingsmetoden de fulgte kalles Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Denne teknikken deponerer biomaterialpartikler i en vannbasert støttematrise for å bygge 3D-strukturer som gir et gunstig miljø for cellene å vokse i.

Da de publiserte sine funn i tidsskriftet Nature Communications, kalte forskerne rapporten ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ Begrepet Voxel stammer fra at trykkprosessen følger hvordan ‘voxels’—den 3D-versjonen av piksler—konstruerer 3D-objekter.

Mens han forklarte gjennombruddet forskningen deres ga det vitenskapelige fellesskapet, hadde Jinchang Zhu følgende å si:

«Våre nye hydrogelpartikler representerer den første funksjonelle voxel vi noen gang har laget. Med presis kontroll over mekaniske egenskaper kan denne voxel tjene som en av de grunnleggende byggeblokkene for våre fremtidige trykkonstruksjoner.»

I sitt forsøk på å være mer spesifikk for den vanlige brukeren, fremhevet Zhu de fremtredende egenskapene ved deres teknikk sammenlignet med andre bioprintingsmetoder. Han understreket elementet ‘Kontroll’ i deres teknologi, som gjorde det mulig å skrive ut organoider.

Disse organoidene var ingenting annet enn 3D cellebaserte modeller som kunne fungere som menneskelig vev. De kunne utnyttes til å studere sykdomsutvikling i vår stadig utviklende søken etter kurer.

Et stort sprang sammenlignet med eksisterende bioprinting-teknologier 

Zhu kalte deres innovasjon et ‘stort sprang’ sammenlignet med eksisterende bioprinting-teknologier fordi den var ‘solid og cellevennlig.’ De polymerhydrogelpartiklene som ble brukt i eksperimentet kunne etterligne menneskelig vev ved å justere arrangementet og de kjemiske bindingene til enkeltmolekylære monomerer, som kobles sammen i kjeder for å danne nettverk.

Sammenlignet med andre lignende løsninger viste løsningen som Cai og Zhu tilbød seg også å være mindre giftig og mer biokompatibel.

Teamet oppnådde også betydelige forbedringer i bruken av bioprinteren. Den multikanaldyse de designet kunne blande hydrogelkomponenter på forespørsel. Den hjalp med å løse utfordringen som oppsto fra superrask kryssbinding, som forvandlet væskedråper til elastisk vannsvulmet gel innen 60 sekunder.

DASP-teknikken fjerner denne flaskehalsen ved å deponere store dråper fra en smal og raskt bevegende dyse inn i matrisen, umiddelbart suspenderende dem. På en måte løser den et kjerneproblem innen myk materie-vitenskap og 3D-bioprinting: presis manipulering av viskoelastiske voxeler. I oppsummeringen av prestasjonen sa Cai:

«Vi har nå lagt grunnlaget for voxelated bioprinting. Når den er fullt realisert, vil DASP‑s anvendelser inkludere kunstig organtransplantasjon, sykdoms- og vevmodellering, og screening av kandidater for nye legemidler. Og det vil sannsynligvis ikke stoppe der.»

Som vi allerede har sett, har innovasjoner rundt 3D-bioprinting pågått lenge. Derfor er det ganske åpenbart at mange anerkjente selskaper har tatt i bruk denne teknologien. I de følgende segmentene ser vi på to selskaper som har fasilitert dette området innen medisinsk vitenskap og helseteknologi.

#1. Northwell Health

Selskapet hevder å være ‘100 % dedikert til å være det første helsesystemet som 3D‑printer din kur’. En av Northwell Healths mest kritiske intervensjoner på dette området har vært innen proteser.

Selskapet 3D‑printet en amfibisk protesekropp. Løsningen er en Fin som lar amputerte gå inn og ut av vannet uten å bytte proteser.

Finens fordeler inkluderer bruken av toppmoderne karbonfiber-materialer og utnyttelsen av en ergonomisk form for å sikre holdbar og effektiv bevegelse. Northwell brukte karbonfiberforsterket nylon til å printe finnen, som handlet om styrke og fleksibilitet. I tillegg gjorde dens holdbarhet den egnet for bruk på land og i vann.

Finnen hadde unik materialdynamikk. Den hadde konisk formede hull som kunne kontrollere mengden vann som passerte gjennom den. Designet og arrangementet av hullene tillot naturlig motstand og fremdrift i vannet. Antallet hull var justerbart etter den enkelte amputertes spesifikke behov.

Northwell Health har lenge vært en forkjemper i å utvikle 3D‑printede, detaljerte modeller av kroppsdeler for å hjelpe kirurger med bedre å planlegge operasjoner. Selskapet kunne innse potensialet i 3D‑utskrift før det ble en så blomstrende trend.

I et sitat fra 2018 hadde Todd Goldstein, direktør for 3D Design and Innovation Center ved Northwell Health, følgende å si:

«Bruken av 3D‑utskrift i medisin gjør at vi kan ta pasientens anatomi fra en skjerm og legge den i legehåndene. Denne typen teknologi er en spillveksler for alle involverte parter, da den gjør at leger kan visualisere patologien bedre, pasienter virkelig kan se hvilken behandling som trengs, og den muliggjør mer presise, pasientspesifikke behandlinger på tvers av nesten alle spesialiteter.»

I 2023 registrerte Northwell Health en omsetning på US$16,9 milliarder og en EBITDA-margin på 6,3 %.

#2. Psyonic

Et annet selskap som har gjort bemerkelsesverdig arbeid på dette feltet er Psyonic. Ability Hand, Psyonics flaggskipprodukt, er verdens raskeste og første berøringsfølsomme bioniske hånd. Lovet å gjenopprette liv og mobilitet til der de var, utnytter PSYONIC 3D‑utskrift for effektiv prototyping, økt rimelighet og tilgjengelighet, samt forbedret holdbarhet og slagmotstand.

Psyonic har lagt til betydelig verdi i sin løsning ved å integrere sensorer i den bioniske håndens fingertupper som oppdager trykk når brukeren holder et objekt og sender en vibrasjon til armen for å formidle den følelsen.

Som følge av dette kan håndbrukeren føle handlingen og arbeide med de mest delikate objektene med letthet, komfort og sømløshet. Dens robusthet gjør den i stand til å håndtere stump kraftpåvirkning uten å brekke. Den er også vannavstøtende og leveres med en rekke grep-mønstre for bruk gjennom hele dagen.

Ability Hand tilbyr totalt 32 grep-mønstre, hvorav 19 er forhåndsdefinerte og tilgjengelige for bruk. Den er lett, med en vekt på 490 gram. Den er multi-artikulert, med alle fem fingre klare til å bøye og strekke, og tommelen kan roteres elektrisk og manuelt.

Den kan lades med en USB‑C på en time. Den er krysskompatibel og fungerer med de fleste tredjeparts EMG-mønstergjenkjenningssystemer, EMG‑direktekontrollsystemer, lineære transdusere og kraft‑følsomme motstander.

I henhold til den nyeste tilgjengelige finansieringsinformasjonen har Psyonics crowdfundede egenkapitalkampanje samlet inn mer enn 1 million dollar så langt.

Det fremgår av disse eksemplene på 3D‑printede menneskelige kroppsdeler at 3D‑utskrift av menneskelige organer i realiteten ikke er en fjern drøm. Selv om vi allerede har diskutert et av de mest betydningsfulle gjennombruddene på dette feltet nylig, vil vi utforske mer relevant forskning for å forstå det enorme potensialet for fremtiden.

Klikk her for å lære om en ny teknikk som gjør det mulig å 3D‑print funksjonelt hjernevev.

Fremtiden for 3D-utskrift: Så nær virkeligheten som den kan bli 

Bruken av hydrogel ineffektivt i produksjonen av 3D‑printede organer har en viss historie. En forskningsrapport fra 2022 nevnte et studie-team ledet av professor Thomas Scheibel ved University of Bayreuth som med suksess produserte en “bio‑ink” eller hydrogel ved å blande edderkoppesilke med musefibroblastceller ved hjelp av 3D‑utskrift.

Gelene kunne raskt forvandle seg fra en væske til en fast tilstand når de strømmet gjennom printerhodet og på en ekstruderingsoverflate. Kunnskapen ble funnet å kunne brukes til å replikere hjerte muskelvev ved bruk av edderkoppesilk-rammer og kardiomyocytter.

En rapport fra 2023 som grundig undersøkte realiteten ved å bruke 3D‑utskrift for å replikere menneskelige organer, hevdet at det er en ‘snart-virkelig realitet’. Den siterte mange tilfeller som indikerer en lovende fremtid i alle sannsynlige implikasjoner.

For eksempel, i 2022, i San Antonio, Texas, kunne Dr. Arturo Bonilla implantere et ytre øre på en 20‑år gammel kvinne—født uten ett—ved å konstruere høyre øre i nøyaktig samme form og størrelse som hennes venstre. Tilfellet var enormt viktig da det var første gang et implantert øre var produktet av en 3D‑bioprinter som brukte kvinnens bruskceller.

Forskere basert i Polen klarte også å printe en funksjonell prototype av en pankreas med stabil blodstrøm. Eksperimentet ble utført på griser og observert i to uker. Samtidig pågikk arbeidet med å tilpasse teknikkene for menneskelige lunger. Michal Wszola, skaperen av Bionic Pancreas, og United Therapeutics Corporation 3D‑printet en menneskelig lunge-ramme med 4 000 kilometer kapillærer og 200 millioner alveoler (små luftsekker) som kunne utveksle oksygen i dyremodeller.

Forskere ved Wake Forest Institute for Regenerative Medicine utviklet et mobilt hud‑bioprintingssystem. De tror at snart vil det være mulig å rulle printeren rett til sengen til en pasient som lider av et ikke‑helende sår, som en brannskade, skanne og måle sårområdet, og 3D‑printe huden lag for lag direkte på såroverflaten.

Professor Tal Dvir er direktør for vevsteknologi og regenerativ medisin ved Tel Aviv University i Israel. Hans nivå har ledet prosjektet med et 3D‑printet “kaninstørrelse” hjerte, som har celler, kamre, de viktigste blodårene og en hjerteslag. Mens han snakket om oppfinnelsen og dens potensial for fremtiden, hadde Dvir følgende å si:

«Vi jobber nå med pacemakercellene, atrieceller og ventrikulære celler. Det ser bra ut. Jeg tror dette er fremtiden.»

Helseeksperter mener at menneskehetens evne til å 3D‑printe organer vil kunne hjelpe den 106 000‑personers ventelisten for organdonasjoner. Hver dag dør 17 pasienter mens de venter. Å kunne 3D‑printe menneskelige organer vil redde mange liv.

I følge Mark Skylar-Scott, assisterende professor ved Stanford University Department of Bioengineering:

«Feltet har utviklet seg svært raskt de siste to tiårene, fra trykte blærer til nå høyt cellulære vev med blodkar som kan kobles til en pumpe—og komplekse 3D‑modeller som ligner hjertekomponenter med integrerte hjerteceller.»

Det er nå nesten sikkert at 3D‑printing av menneskelige organer vil revolusjonere våre behandlingsprosedyrer og omsorgssystemer. Imidlertid må den overvinne noen utfordringer.

For eksempel må den være mer stressbestandig. Produksjon og fremstilling må være mer inkluderende når det gjelder kompatibiliteten til råmaterialer. Den må bli energieffektiv slik at den kan skaleres opp raskere.

Den må bli kvitt de flyktige organiske forbindelsene som 3D‑printere avgir, som ofte er kreftfremkallende og giftige og kan forårsake alvorlige helseproblemer som organskade, halsirritasjon og kvalme. Til slutt må den være kostnadseffektiv og rimelig for å komme en stor del av vår underbehandlede befolkning verden over til gode.

Klikk her for en liste over de mest lovende 3D‑bioprinting-aksjene.