3D-utskrift av mänskliga organ – Hur realistiskt är det?

Världen för 3D-utskrift expanderar i en betydligt snabb takt. den globala marknadsstorleken för 3D-utskrift—produkter och tjänster—kommer att växa tre gånger mellan 2020 och 2026. Värderad till US$12,6 miljarder år 2020, kan marknaden växa till över US$37 miljarder år 2026.

Den ökade efterfrågan på applikationer stöds väl av den miljö där innovation sker—både på institutions- och företagsnivå. Stora amerikanska teknikföretag har till exempel varit mycket aktiva med 3D-utskrift—vilket tydligt framgår av antalet patent de har publicerat sedan 2010. General Electrics har till exempel publicerat hela 342 patent mellan 2010 och 2019.

Dock har området för 3D-utskrift alltid ställts inför den avgörande frågan om praktisk tillämpning. Även om det alltid har varit ett vetenskapligt spännande och lockande område att utforska, har många frågat: ‘Hur realistiskt är det?’

Nyligen visade ett framgångsrikt experiment hur verkligt det potentiellt kan vara när ett forskarlag vid University of Virginia School of Engineering and Applied Science utvecklade vad som kan vara mallen för de första byggstenarna för mänskligt kompatibla organ, utskrivna på begäran. I det följande avsnittet tittar vi närmare på experimentet och vad det uppnådde i detalj. 

Biomaterial med kontrollerade mekaniska egenskaper som matchar olika mänskliga vävnader 

Experimentet leddes av Liheng Cai och Jinchang Zhu. Liheng Cai är biträdande professor i materialvetenskap och -teknik samt kemiteknik, och Jinchang Zhu är hans doktorand.

Den bioprintningsmetod de använde kallas Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Denna teknik deponerar biomaterialpartiklar i en vattenbaserad stödjande matris för att bygga 3D-strukturer som erbjuder en gynnsam miljö för cellerna att växa i.

Vid publiceringen av sina resultat i tidskriften Nature Communications kallade forskarna rapporten ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ Termen Voxel härrör från att utskriftsprocessen följer hur ‘voxels’—den tredimensionella versionen av pixlar—konstruerar 3D-objekt.

Medan han förklarade genombrottet som deras forskning gav den vetenskapliga gemenskapen, hade Jinchang Zhu följande att säga:

“Våra nya hydrogelpartiklar representerar den första funktionella voxel vi någonsin har gjort. Med exakt kontroll över mekaniska egenskaper kan denna voxel fungera som en av de grundläggande byggstenarna för våra framtida utskriftskonstruktioner.”

I sitt försök att vara mer specifik för den vanliga användaren framhöll Zhu de framstående egenskaperna i deras teknik jämfört med andra bioprintningsmetoder. Han betonade elementet ‘Kontroll’ i deras teknik, vilket gjorde det möjligt att skriva ut organoider.

Dessa organoider var inget annat än 3D cellbaserade modeller som kan fungera som mänskliga vävnader. De kan utnyttjas för att studera sjukdomsutveckling i vår ständigt utvecklande jakt på botemedel. 

Ett stort språng jämfört med befintliga bioprintningstekniker 

Zhu kallade deras innovation ett ‘stort språng’ jämfört med befintliga bioprintningstekniker eftersom den var ‘robust och cellvänlig.’ De polymerhydrogelpartiklar som användes i experimentet kunde efterlikna mänskliga vävnader genom att justera arrangemanget och de kemiska bindningarna hos enskilda monomerer, som länkar ihop sig i kedjor för att bilda nätverk.

I jämförelse med andra liknande lösningar visade sig lösningen som Cai och Zhu erbjöd vara mindre toxisk och mer biokompatibel. 

Teamet uppnådde också betydande förbättringar i sin användning av bioprintaren. Den flerkanelmunstycket de designade kunde blanda hydrogelkomponenter på begäran. Det hjälpte till att lösa utmaningen som uppstod från supersnabb korsbindning, vilket förvandlade vätskedroppar till elastiskt vattenuppsvälld gel inom 60 sekunder.

DASP-tekniken eliminerar denna flaskhals genom att deponera stora droppar från ett smalt och snabbt rörligt munstycke i matrisen, vilket omedelbart suspenderar dem. På så sätt löser den ett kärnproblem inom mjukmateriescien och 3D-bioprintning: den precisa manipuleringen av viskoelastiska voxlar. När han sammanfattade framgången sade Cai:

“Vi har nu lagt grunden för voxelbaserad bioprintning. När den är fullt realiserad kommer DASP:s tillämpningar att inkludera artificiella organtransplantationer, sjukdoms- och vävnadsmodellering samt screening av kandidater för nya läkemedel. Och det kommer sannolikt inte att sluta där.”

Som vi redan har sett har innovationer kring 3D-bioprintning pågått under en lång tid. Därför är det ganska uppenbart att många välrenommerade företag har antagit denna teknik. I de följande avsnitten tittar vi på två företag som har underlättat detta område inom medicinsk vetenskap och hälso- och sjukvårdsteknik.

#1. Northwell Health

Företaget påstår sig vara ‘100 % dedikerat till att vara det första hälsosystemet som 3D-printar ditt botemedel’. En av Northwell Healths mest avgörande insatser inom detta område har varit inom proteser. 

Företaget 3D-printade en amfibisk proteslimb. Lösningen är en fen som låter amputerade gå in och ut ur vattnet utan att byta protes.

Fenens fördelar inkluderar användningen av toppmoderna kolfiber-materialen och utnyttjandet av en ergonomisk form för att säkerställa hållbar och effektiv rörelse. Northwell använde kolfiberförstärkt nylon för att skriva ut fen, vilket handlade om styrka och flexibilitet. Dessutom gjorde dess hållbarhet den lämplig för användning både på land och i vatten. 

Fen hade unika materialdynamiker. Den hade koniskt formade hål som kunde kontrollera mängden vatten som passerade genom den. Designen och placeringen av hålen möjliggjorde naturligt motstånd och framdrift i vattnet. Antalet hål var justerbart efter den amputerades specifika behov. 

Northwell Health har länge varit en föregångare i att utveckla 3D-printade, detaljerade modeller av kroppsdelar för att hjälpa kirurger att bättre planera operationer. Företaget kunde inse potentialen med 3D-utskrift innan det blev en så blomstrande trend.

I ett citat från 2018 sade Todd Goldstein, chef för 3D Design and Innovation Center på Northwell Health, följande:

“Användningen av 3D-utskrift inom medicin gör att vi kan ta patientens anatomi från en datorskärm och lägga den i läkarens händer. Denna typ av teknik är en spelväxlare för alla inblandade, eftersom den låter läkare visualisera patologi bättre, låter patienter verkligen se vilken behandling som behövs, och möjliggör mer precisa, patient‑specifika behandlingar inom nästan alla specialiteter.”

År 2023 registrerade Northwell Health en omsättning på US$16,9 miljarder och en EBITDA-marginal på 6,3 %. 

#2. Psyonic

Ett annat företag som har gjort anmärkningsvärt arbete inom detta område är Psyonic. Psyonics flaggskeppsprodukt, Ability Hand, är världens snabbaste och första beröringskänsliga bioniska hand. Den lovar att återställa liv och rörlighet till där de var, och PSYONIC utnyttjar 3D-utskrift för att effektivt prototypa, öka prisvärdhet och tillgänglighet samt förbättra hållbarhet och slagmotstånd.

Psyonic har tillfört betydande värde till sin lösning genom att integrera sensorer i den bioniska handens fingertoppar som upptäcker tryck när användaren greppar ett föremål och skickar en vibration till armen för att förmedla den känslan. 

Följaktligen kan handens användare känna av handlingen och arbeta med de mest känsliga föremålen med lätthet, komfort och sömlöshet. Dess robusthet gör den kapabel att hantera slagkraft utan att gå sönder. Den är också vattenresistent och levereras med en mängd greppmönster för användning under hela dagen.

Ability Hand erbjuder totalt 32 greppmönster, varav 19 är fördefinierade och tillgängliga för användning. Den är lätt, med en vikt på 490 gram. Den är multi‑artikerad, med alla fem fingrar redo att böjas och sträckas, och tummen kan rotera både elektriskt och manuellt. 

Den kan laddas med en USB‑C på en timme. Den är tvärkompatibel och fungerar med de flesta tredjeparts-EMG-mönsterigenkänningssystem, EMG-direktstyrningssystem, linjära transducers och kraftkänsliga motstånd.

Enligt den senaste tillgängliga finansieringsinformationen har Psyonics crowdfunding‑aktiekampanj samlat in mer än 1 miljon dollar hittills. 

Uppenbart från dessa exempel på 3D-printade mänskliga kroppsdelar är att, realistiskt sett, 3D-utskrift av mänskliga organ inte är en avlägsen dröm. Även om vi nyligen har diskuterat ett av de mest betydande genombrotten inom detta område, kommer vi att utforska mer relevant forskning för att förstå den enorma potentialen för framtiden.

Klicka här för att lära dig om en ny teknik som möjliggör 3D-utskrift av funktionellt hjärnvävnad.

Framtiden för 3D-utskrift: Så nära verkligheten som det kan bli 

Användningen av hydrogel ineffektivt i produktionen av 3D-printade organ har en viss historia. En forskningsrapport från 2022 citerade ett exempel där ett forskarlag lett av professor Thomas Scheibel vid University of Bayreuth framgångsrikt producerade ett “bio‑ink” eller hydrogel genom att blanda spindelsilke med möscelfibroblastceller med hjälp av 3D-utskrift.

Gelerna kunde snabbt omvandlas från en vätska till ett fast tillstånd när de flöt genom skrivhuvudet på en extruderingsyta. Kunskapen visade sig kunna användas för att reproducera hjärtmuskelvävnad med spindelsilkestrukturer och kardiomyocyter.

En rapport från 2023 som omfattande undersökte realiteten i att använda 3D-utskrift för att replikera mänskliga organ påstod att det är en ‘snart verklighet’. Den citerade många exempel som indikerar en lovande framtid i alla sannolika implikationer. 

Till exempel, år 2022 i San Antonio, Texas, kunde Dr. Arturo Bonilla implantera ett yttre öra på en 20‑årig kvinna—född utan ett—genom att konstruera det högra örat i exakt samma form och storlek som hennes vänstra. Fallet var oerhört viktigt eftersom det var det första tillfället där det implanterade örat var en produkt från en 3D-bioprinter som använde kvinnans broskceller.

Forskare baserade i Polen kunde också skriva ut en funktionell prototyp av en pankreas med stabilt blodflöde. Experimentet genomfördes på grisar och observerades i två veckor. Samtidigt pågick ansträngningar att anpassa teknikerna för mänskliga lungor. Michal Wszola, skaparen av Bionic Pancreas, och United Therapeutics Corporation (UTHR ) 3D-printade ett mänskligt lungskåp med 4 000 kilometer kapillärer och 200 miljoner alveoler (små luftblåsor) som kunde utbyta syre i djurmodeller.

Forskare vid Wake Forest Institute for Regenerative Medicine utvecklade ett mobilt bioprintningssystem för hud. De tror att det snart kommer att vara möjligt att rulla skrivaren direkt till sängkanten hos en patient med ett icke‑läkande sår, såsom en brännskada, skanna och mäta sårets område, och 3D-printa huden, lager för lager, direkt på sårytan.

Professor Tal Dvir är chef för vävnadsingenjör och regenerativ medicin vid Tel Aviv University i Israel. Hans nivå har lett projektet för ett 3D-printat “kaninstorlek” hjärta, som har celler, kamrar, de stora blodkärlen och ett hjärtslag. När han talade om uppfinningen och dess framtida potential hade Dvir följande att säga:

“Vi arbetar nu med pacemakercellerna, förmakscellerna, ventrikulära celler. Det ser bra ut. Jag tror att detta är framtiden.”

Hälsospecialister tror att mänsklighetens förmåga att 3D-printa organ skulle hjälpa den 106 000 personer långa väntelistan för organdonationer. Varje dag dör 17 patienter i väntan. Att kunna 3D-printa mänskliga organ skulle rädda många liv.

Enligt Mark Skylar-Scott, biträdande professor vid Stanford University Department of Bioengineering:

“Fältet har utvecklats mycket snabbt under de senaste två decennierna, från tryckta blåsan till nu högcellulära vävnader med kärl som kan kopplas till en pump—och komplexa 3D-modeller som liknar hjärtkomponenter med integrerade hjärtceller.”

Det är nu nästan säkert att 3D-printning av mänskliga organ kommer att revolutionera våra behandlingsprocedurer och vårdsystem. Dock måste den övervinna vissa utmaningar. 

Till exempel måste den vara mer stressresistent. Produktion och tillverkning måste bli mer inkluderande när det gäller kompatibiliteten hos råmaterial. Den måste bli energieffektiv så att den kan skalas upp snabbare. 

Den måste bli av med de flyktiga organiska föreningarna som utsöndras av 3D-skrivare och som ofta är cancerframkallande och giftiga samt kan orsaka allvarliga hälsoproblem som organskador, halsirritation och illamående. Slutligen måste den vara kostnadseffektiv och prisvärd för att gynna en stor del av vår underbehandlade befolkning världen över. 

Klicka här för en lista över de mest lovande 3D-bioprintningsaktierna.