Hjertesykdommer er en ledende dødsårsak i Nord-Amerika – 3D-printing kan endre dette.

Hjerte- og karsykdommer tar millioner av liv verden over hvert år og er blant de vanligste dødsårsakene. Forskere har nå presentert en ny metode for å fremstille kunstige blodårer ved hjelp av 3D-printing. Metoden kan på sikt bidra til bedre kartransplantater ved bypasskirurgi. Her er de viktigste funnene.

Hjertesykdommer – Statistikk

Hjertesykdom er en ledende dødsårsak i USA og mange andre land. Flere risikofaktorer bidrar, blant annet usunt kosthold, alkoholbruk, luftforurensning og tobakk. Risikoen påvirkes også av andre forhold, og disse faktorene betyr ikke at alle vil utvikle hjertesykdom.

Behandling av hjertesykdommer i dag

Det store antallet mennesker som rammes av hjertesykdom, forklarer den omfattende forskningen på bedre behandling. Bypasskirurgi kan være nødvendig for enkelte pasienter. Ved inngrepet brukes et kartransplantat, ofte en av pasientens egne blodårer, til å lede blodet utenom en forsnevring eller blokkering.

Utviklingen av slike kartransplantater har vært studert i mange år, fordi det er svært vanskelig å gjenskape en vene med samme styrke og egenskaper som en naturlig vene. I dag gjør ekstruderingsbasert bioprinting og hydrogelmetoder det mulig å lage passasjer og bestemte kanaler ved behov. Disse bioprintingsmetodene har imidlertid begrensninger.

Begrensningene omfatter utilstrekkelig holdbarhet, mekanisk styrke og strukturell stabilitet. Enkelte printede blodårer holder ikke formen godt nok når de blir lengre eller utsettes for belastning. Forskerne undersøkte derfor hvordan kunstige kartransplantater kan gjøres sterkere og mer holdbare.

Studiedetaljer

Studien «Fremstilling av et fleksibelt vaskulært graft ved bruk av ekstrusjonsprint og elektrospinningsteknikker» undersøker metoder for å forbedre strekkfasthet og motstand mot trykk i printede kartransplantater med liten diameter.

Elektrospinning

Forskerne kombinerte 3D-printing av kartransplantater av gelatinmetakryloyl (GelMA) med elektrospinning av forsterkende fibre. I denne hybride metoden brukes elektriske krefter til å fremstille nanofibre som legges rundt de printede strukturene.

Kilde – Advanced Materials Technologies

Denne strategien gjorde det mulig å lage vener med jevn veggtykkelse hele veien. Venenes struktur ble dessuten utformet for å fungere som den ekstracellulære matriksen (ECM) i naturlig vev. Utskriftsoppsettet med en vertikal roterende dor kombinerte to elektrospinningshoder med forvarmet GelMA-hydrogel som ble presset gjennom et ekstruderingshode.

Den vertikale doren roterte med 20 omdreininger per minutt. Hydrogelen ble tilført med en jevn strømningshastighet på 0,22 mL per minutt gjennom en konisk 18 G-spiss. Gelatinmetakryloyl (GelMA) ble fremstilt ved å modifisere gelatin med metakrylsyreanhydrid og deretter brukt i en fosfatbufret saltløsning. Kontrollert pH og lysherding bidro til å danne den ønskede strukturen.

Nanofibre

Etter at GelMA-strukturen var herdet, ble et forsterkende lag av nanofibre lagt til. Fibrene ble fremstilt av ulike blandinger av polymerene polykaprolakton (PCL) og poly(L-laktid-ko-ε-kaprolakton) (PLCL). Dette laget skulle forbedre de kunstige blodårenes mekaniske egenskaper.

Testing av de nye metodene

Forskerne utførte flere tester for å undersøke materialets egenskaper, blant annet hvordan det reagerte på belastning og trykk. I den innledende materialanalysen brukte de et Kinexus Ultra+ reometer med sandblåste, parallelle plater med en diameter på 40 mm.

Sprengtrykk

Forskerne målte også sprengtrykket, altså trykket kartransplantatet tåler før det brister. Dette er viktig fordi enkelte kunstige blodårer har lavere trykkfasthet enn naturlige blodårer.

De fiberforsterkede GelMA-transplantatene ble undersøkt med en tilpasset Instron 3367 universaltestmaskin. Trykktesting gjorde det mulig å vurdere hvor stor belastning strukturene kunne tåle.

Strekkfasthet

Forskerne undersøkte strekkegenskapene i flere retninger. Gelstrukturer uten tilstrekkelig forsterkning kan være skjøre og endre form når de strekkes eller komprimeres. Nanofibrene skulle motvirke dette.

Testene omfattet både retningen rundt omkretsen og lengderetningen. Resultatene viste forbedrede mekaniske egenskaper i de fiberforsterkede kartransplantatene under de undersøkte laboratorieforholdene.

Testing av celletoksisitet

Forskerne undersøkte også om materialene kunne skade celler. Slike celletoksisitetstester er viktige for å vurdere biologisk forenlighet. De kan imidlertid ikke alene vise at kroppen vil akseptere et implantat eller at en immunreaksjon er utelukket. Resultatene var lovende, samtidig som strukturene hadde forbedret holdbarhet og jevnhet.

Testresultater – Hjertesykdommer

Laboratorietestene viste at forskerne hadde fremstilt kunstige kartransplantater med flere mekaniske egenskaper som ligner naturlige blodårer. Målinger av sprengtrykk og strekkegenskaper støtter videre forskning på slike biomaterialer. Studien dokumenterer ikke at transplantatene allerede er trygge og effektive hos pasienter.

Fordeler med studien av hjertesykdommer

Muligheten til å 3D-printe kartransplantater med tilstrekkelig mekanisk styrke kan gi flere fordeler. På sikt kan dette gjøre det enklere å fremstille transplantater tilpasset ulike behov. Økende forekomst av hjerte- og karsykdommer gjør bedre behandlingsalternativer relevante.

Lavere kostnader

Dagens bypassbehandling er etablert, men det er fortsatt behov for bedre kartransplantater. Den nye metoden kan gjøre fremstillingen mer ensartet og enklere. Om dette vil gi lavere behandlingskostnader og bedre resultater for pasienter, må undersøkes videre.

Kartransplantater med liten diameter

En viktig mulig fordel er fremstilling av kartransplantater med mindre diameter. Tidligere printemetoder har hatt begrensninger fordi tynne strukturer ikke har vært sterke nok.

Den nye metoden forbedrer de mekaniske egenskapene til tynne, bioprintede karstrukturer. Dette kan gjøre det mulig å fremstille mindre og mer presise modeller. Forskerne undersøkte også hvordan fremstillingen kunne gjøres mer effektiv.

Lengre kartransplantater

En annen mulig fordel er fremstilling av lengre kartransplantater. Gelmaterialer uten tilstrekkelig forsterkning kan ha problemer med å holde formen ved trykkendringer, særlig når strukturene blir lengre.

Nanofiberforsterkningen bidrar til jevnere styrke og veggtykkelse langs strukturen. Dette kan på sikt gjøre lengre og mer kompliserte karrekonstruksjoner mulig. En eventuell gevinst for pasienter må likevel dokumenteres i videre studier.

Forskere innen hjertesykdommer

Arbeidet ble utført av forskere tilknyttet Heriot-Watt University og University of Edinburgh. Faraz Fazal er førsteforfatter. De øvrige forfatterne er Ferry P. W. Melchels, Andrew McCormack, Andreia F. Silva, Ella-Louise Handley, Nurul Ain Mazlan, Anthony Callanan, Vasileios Koutsos og Norbert Radacsi.

Selskaper som kan utnytte studien av hjertesykdommer

Funnene kan få betydning for medisinsk forskning og utviklingen av nye kartransplantater. Bedre behandlingsmuligheter kan også skape kommersielle muligheter. Selskapene nedenfor er aktive i relevante markeder, men studien viser ikke at de allerede bruker denne metoden.

1. Abbott Laboratories

ABT Prisdiagram

Abbott Laboratories (ABT ) har vært i drift siden 1888 og leverer medisinske produkter til blant annet behandling av hjerte- og karsykdommer. Selskapet tilbyr stenter, hjerteklaffer og implanterbare enheter som brukes verden over.

Selskapet har virksomhet i mange land og sysselsetter over 90 000 personer globalt. Det har patenter på flere produkter for hjerte- og karbehandling og selger produkter i over 100 markeder. Abbott Laboratories er en etablert aktør på dette området. Artikkelen knytter selskapets vekst til innovasjon og utviklingen av markedsposisjonen.

Abbott rapporterte en global omsetning på 10,377 milliarder dollar i andre kvartal 2024, ifølge resultatmeldingen fra 18. juli 2024. Dette er et kvartalstall, ikke omsetningen for hele 2024. Selskapet er børsnotert på NYSE under symbolet ABT. Virksomheten innen hjerte- og karbehandling er relevant for investorer, men gir ingen garanti for avkastning.

2. Boston Scientific Corporation

BSX Prisdiagram

Boston Scientific Corporation (BSX ) ble grunnlagt i Massachusetts i 1979 og har utviklet seg til en stor leverandør av medisinsk utstyr. Selskapet er blant annet kjent for stenter, pacemakere og implanterbare hjertestartere, som brukes i behandling av hjerte- og karsykdommer.

Boston Scientific har også arbeidet med bærekraft og blitt omtalt i blant annet Dow Jones Sustainability Index og Forbes-listen America’s Most JUST Companies. Artikkelen beskriver en omorganisering som skulle øke effektiviteten og styrke investorenes tillit, samt en positiv kursutvikling i 2024. Kursutviklingen kan ikke uten videre tilskrives omorganiseringen alene.

Fremtiden for 3D-printere innen helse

Fremtidig helseteknologi avhenger blant annet av at effektive løsninger blir tilgjengelige for pasientene. Den hybride printemetoden kan bidra til denne utviklingen, men det gjenstår forskning før klinisk bruk. Nedenfor følger andre eksempler på fremskritt innen 3D-printing for helse.

3D-printede legemidler

3D-printede legemidler er et forskningsfelt i utvikling. Forskere har undersøkt metoder for å kontrollere dose og kvalitet under fremstillingen. Dette kan gjøre produksjonen mer effektiv og på sikt mulig også på steder med begrenset tilgang til tradisjonelle produksjonsanlegg.

3D-printede organer

Ved utvikling av legemidler trengs det også gode testmodeller. Forskere har derfor utviklet et 3D-printet «body-on-chip»-system for å undersøke hvordan legemidler virker. Slike modeller kan etterligne bestemte egenskaper ved menneskelig vev og gjøre enkelte forsøk rimeligere. De erstatter ikke automatisk alle andre sikkerhets- og effektstudier.

Utskrift av hjernevev

Bioprinting åpner muligheter for nye vevsmodeller og behandlinger. Forskere har lenge forsøkt å gjenskape vevstyper fra kroppen. En studie har vist at 3D-printet vev med en myk gel kan støtte vekst og samspill mellom nerveceller. Dette etterligner enkelte egenskaper ved hjernevev, uten å være en komplett eller normalt fungerende hjerne.

3D-printing kan hjelpe pasienter med hjertesykdommer

Utviklingen gir grunnlag for videre forskning på bedre hjerte- og karbehandling. Sterkere og mer holdbare kartransplantater kan på sikt redusere risikoen for svikt, men klinisk nytte må dokumenteres. Nye studier vil vise hvor langt teknologien kan bringes.

Lær om andre kule 3D-print prosjekter nå.