การพิมพ์ 3 มิติอวัยวะมนุษย์ – มันสมจริงขนาดไหน?

โลกของการพิมพ์ 3 มิติกำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วอย่างมาก ประมาณการชี้ให้เห็นว่า ขนาดของตลาดการพิมพ์ 3 มิติทั่วโลก—ผลิตภัณฑ์และบริการ—จะเติบโตสามเท่าระหว่างปี 2020 ถึง 2026 โดยมีมูลค่า 12.6 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2020 ตลาดอาจเติบโตเป็นมากกว่า 37 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2026

การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของตลาดแอพพลิเคชั่น ได้รับการสนับสนุนอย่างดี โดยพื้นที่ที่เกิดนวัตกรรมทั้งในระดับสถาบันและธุรกิจ/บริษัท ตัวอย่างเช่น บริษัทเทคโนโลยีขนาดใหญ่ในสหรัฐฯ กระตือรือร้นอย่างมากกับการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งเห็นได้จากจำนวนสิทธิบัตรที่พวกเขาตีพิมพ์ตั้งแต่ปี 2010 ตัวอย่างเช่น General Electrics ได้ตีพิมพ์มากถึง สิทธิบัตร 342 ระหว่าง 2010 และ 2019 

อย่างไรก็ตาม ขอบเขตของการพิมพ์ 3 มิติมักเผชิญกับคำถามสำคัญเกี่ยวกับการนำไปใช้ในชีวิตจริงอยู่เสมอ แม้ว่าจะเป็นพื้นที่ทางวิทยาศาสตร์ที่น่าตื่นเต้นและน่าหลงใหลในการสำรวจมาโดยตลอด แต่หลายคนก็ถามว่า 'มันสมจริงแค่ไหน?'

เมื่อเร็ว ๆ นี้ การทดลองที่ประสบความสำเร็จแสดงให้เห็นว่ามันสามารถเป็นจริงได้แค่ไหน ที่อาจเกิดขึ้น เกิดขึ้นเมื่อทีมวิจัยของคณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์แห่งมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียได้พัฒนาสิ่งที่อาจเป็นได้ เทมเพลตสำหรับหน่วยการสร้างแรกสำหรับอวัยวะที่เข้ากันได้กับมนุษย์ พิมพ์ตามความต้องการ ในส่วนถัดไป เราจะพิจารณาการทดสอบและความสำเร็จโดยละเอียดยิ่งขึ้น 

วัสดุชีวภาพที่มีคุณสมบัติทางกลควบคุมซึ่งตรงกับเนื้อเยื่อมนุษย์ต่างๆ 

การทดลองนี้นำโดย Liheng Cai และ Jinchang Zhu Liheng Cai เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม และวิศวกรรมเคมี ส่วน Jinchang Zhu เป็นปริญญาเอกของเขา นักเรียน

วิธีการพิมพ์ทางชีวภาพที่พวกเขาปฏิบัติตามเรียกว่า Digital Assembly of Spherical Particles (DASP) เทคนิคนี้สะสมอนุภาคของวัสดุชีวภาพไว้ในเมทริกซ์รองรับที่เป็นน้ำ เพื่อสร้างโครงสร้าง 3 มิติที่มีสภาพแวดล้อมเอื้ออำนวยให้เซลล์เจริญเติบโต

ในการตีพิมพ์ผลการวิจัยลงในวารสาร การสื่อสารธรรมชาตินักวิทยาศาสตร์ตั้งชื่อรายงานนี้ว่า 'การพิมพ์ทางชีวภาพแบบ Voxelated ของหยดหมึกชีวภาพแบบเครือข่ายคู่แบบโมดูลาร์- คำว่า Voxel เกิดจากการที่กระบวนการพิมพ์เป็นไปตามวิธีที่ 'voxels' ซึ่งเป็นพิกเซลเวอร์ชัน 3 มิติ สร้างวัตถุ 3 มิติ 

ในขณะที่อธิบายถึงความก้าวหน้าในการวิจัยของพวกเขาที่ได้เพิ่มศักยภาพให้กับชุมชนวิทยาศาสตร์ด้วย Jinchang Zhu กล่าวดังนี้:

“อนุภาคไฮโดรเจลใหม่ของเราเป็นตัวแทนของว็อกเซลเชิงฟังก์ชันตัวแรกที่เราเคยสร้างมา ด้วยการควบคุมคุณสมบัติทางกลที่แม่นยำ voxel นี้อาจทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานประการหนึ่งสำหรับโครงสร้างการพิมพ์ในอนาคตของเรา”

ในความพยายามที่จะเจาะจงมากขึ้นสำหรับผู้ใช้ทั่วไป Zhu ได้เน้นย้ำถึงคุณสมบัติที่โดดเด่นของเทคนิคของพวกเขาเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการพิมพ์ทางชีวภาพแบบอื่นๆ เขาเน้นย้ำถึงองค์ประกอบของ 'การควบคุม' ในเทคโนโลยีของพวกเขาซึ่งทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้น สามารถพิมพ์ออร์แกนอยด์ได้ 

สารอินทรีย์เหล่านี้ไม่ใช่อะไรนอกจากแบบจำลองเซลล์ 3 มิติที่สามารถทำหน้าที่เป็นเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้ มันสามารถ ได้รับการใช้ประโยชน์ เพื่อศึกษาการลุกลามของโรคในการค้นหาวิธีการรักษาที่พัฒนาอยู่ตลอดเวลาของเรา 

การก้าวกระโดดครั้งใหญ่เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการพิมพ์ทางชีวภาพที่มีอยู่

Zhu เรียกนวัตกรรมของพวกเขาว่า 'ก้าวกระโดดครั้งใหญ่' เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการพิมพ์ทางชีวภาพที่มีอยู่ เพราะมัน 'ทนทานและเป็นมิตรต่อเซลล์' อนุภาคโพลีเมอร์ไฮโดรเจลที่ใช้ในการทดลองสามารถเลียนแบบเนื้อเยื่อของมนุษย์โดยการปรับเปลี่ยนการจัดเรียงและพันธะเคมีของโมโนเมอร์โมเลกุลเดี่ยว ซึ่งเชื่อมโยงกันเป็นสายโซ่เพื่อสร้างเครือข่าย

เมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน โซลูชันที่ Cai และ Zhu นำเสนอกลับมีความเป็นพิษน้อยกว่าและเข้ากันได้ทางชีวภาพมากกว่า 

ทีมงานยังได้รับการปรับปรุงที่สำคัญในการใช้เครื่องพิมพ์ชีวภาพอีกด้วย หัวฉีดหลายช่องที่พวกเขาออกแบบสามารถผสมส่วนประกอบไฮโดรเจลได้ตามความต้องการ มันช่วยแก้ปัญหาความท้าทายที่เกิดขึ้นจาก การเชื่อมโยงข้ามที่เร็วมากซึ่ง เปลี่ยนหยดของเหลวเป็นเจลยืดหยุ่นบวมน้ำได้ภายใน 60 วินาที

เทคนิค DASP ขจัดปัญหาคอขวดนี้โดยการสะสมหยดขนาดใหญ่จากหัวฉีดที่แคบและเคลื่อนที่เร็วลงในเมทริกซ์ และระงับหยดเหล่านั้นทันที ในทางหนึ่ง จะช่วยแก้ปัญหาหลักเกี่ยวกับอวกาศของวิทยาศาสตร์สสารอ่อนและการพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิติ: การจัดการที่แม่นยำของ voxels แบบยืดหยุ่นหนืด ในการสรุปความสำเร็จ Cai กล่าวว่า:

“ตอนนี้เราได้วางรากฐานสำหรับการพิมพ์ทางชีวภาพแบบ voxelated แล้ว เมื่อดำเนินการอย่างเต็มที่แล้ว การประยุกต์ใช้งานของ DASP จะรวมถึงการปลูกถ่ายอวัยวะเทียม การสร้างแบบจำลองโรคและเนื้อเยื่อ และการคัดกรองผู้สมัครสำหรับยาใหม่ และคงจะไม่หยุดอยู่แค่นั้น”

ดังที่เราได้เห็นแล้วว่านวัตกรรมเกี่ยวกับการพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิติดำเนินไปอย่างต่อเนื่องมาเป็นเวลานาน ดังนั้นจึงค่อนข้างชัดเจนว่าบริษัทที่มีชื่อเสียงหลายแห่งได้นำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ ในส่วนต่อไปนี้ เราจะพิจารณาบริษัทสองแห่งที่อำนวยความสะดวกในด้านนี้ วิทยาศาสตร์การแพทย์และเทคโนโลยีการดูแลสุขภาพ 

#1 สุขภาพ Northwell

บริษัทอ้างว่าเป็น 'ทุ่มเท 100% กับการเป็นระบบสุขภาพระบบแรกในการพิมพ์ 3 มิติ การรักษาของคุณ' หนึ่งในการแทรกแซงที่สำคัญที่สุดของ Northwell Health ในบริเวณนี้มีการทำขาเทียม 

บริษัท พิมพ์ 3 มิติ แขนขาเทียมสะเทินน้ำสะเทินบก. ทางออกคือ ครีบที่ช่วยให้ผู้พิการสามารถเข้าและออกจากน้ำได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนขาเทียม

ประโยชน์ของครีบนี้ประกอบด้วยการใช้วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ที่ทันสมัย ​​และการใช้รูปทรงตามหลักสรีรศาสตร์เพื่อให้มั่นใจถึงความทนทานและการเคลื่อนไหวที่มีประสิทธิภาพ นอร์ธเวลล์ใช้ไนลอนเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ในการพิมพ์ครีบ ซึ่งเน้นที่ความแข็งแรงและความยืดหยุ่นเป็นหลัก นอกจากนี้ความทนทานยังทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานบนบกและในน้ำอีกด้วย 

ครีบมีไดนามิกของวัสดุที่เป็นเอกลักษณ์ มีรูรูปทรงกรวยที่สามารถควบคุมปริมาณน้ำที่ไหลผ่านได้ อนุญาตให้ออกแบบและจัดวางหลุมได้ แรงลากและแรงขับตามธรรมชาติในน้ำ จำนวนหลุมสามารถปรับได้ตามความต้องการเฉพาะของผู้ถูกตัดแขนขา 

Northwell Health เป็นแชมป์มายาวนานในการพัฒนาแบบจำลองส่วนต่างๆ ของร่างกายที่มีรายละเอียดโดยการพิมพ์แบบ 3 มิติ เพื่อช่วยให้ศัลยแพทย์วางแผนการผ่าตัดได้ดีขึ้น บริษัทสามารถตระหนักถึงศักยภาพของการพิมพ์ 3 มิติก่อนที่จะกลายเป็นเทรนด์ที่เฟื่องฟูเช่นนี้

ในคำพูดที่ย้อนกลับไปในปี 2018 Todd Goldstein ผู้อำนวยการศูนย์การออกแบบและนวัตกรรม 3 มิติที่ Northwell Health ได้กล่าวถึง ตามมาบอกว่า:

“การใช้การพิมพ์ 3 มิติในทางการแพทย์ช่วยให้เราสามารถดึงกายวิภาคของผู้ป่วยออกจากหน้าจอคอมพิวเตอร์และนำไปไว้ในมือของแพทย์ได้ เทคโนโลยีประเภทนี้เป็นตัวเปลี่ยนเกมสำหรับทุกฝ่ายที่เกี่ยวข้อง เนื่องจากช่วยให้แพทย์ทำได้ เพื่อให้เห็นภาพพยาธิวิทยาได้ดีขึ้น,ช่วยให้ผู้ป่วย เพื่อดูว่าจำเป็นต้องรักษาอะไรอย่างแท้จริงและช่วยให้การรักษาผู้ป่วยเฉพาะเจาะจงแม่นยำยิ่งขึ้นในเกือบทุกสาขาวิชา”

ในปี 2023 Northwell Health ลงทะเบียน รายได้ มูลค่า 16.9 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และ EBITDA Margin อยู่ที่ 6.3%

#2 Psychonic

อีกหนึ่งบริษัทที่ทำอยู่ งานที่โดดเด่นในสาขานี้คือ Psyonic มือความสามารถ, ผลิตภัณฑ์เรือธงของ Psyonicเป็นมือไบโอนิคสัมผัสเร็วและเร็วที่สุดในโลก สัญญาว่าจะฟื้นฟูชีวิตและความคล่องตัวให้อยู่ที่เดิม, PSYONIC ใช้ประโยชน์จากการพิมพ์ 3D เพื่อสร้างต้นแบบอย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มความสามารถในการจ่ายและการเข้าถึง และเพิ่มความทนทานและทนต่อแรงกระแทก 

Psyonic ได้เพิ่มคุณค่าที่สำคัญให้กับโซลูชันด้วยการใช้เซ็นเซอร์ไว้ที่ปลายนิ้วของมือไบโอนิค ซึ่งจะตรวจจับแรงกดเมื่อผู้สวมใส่จับวัตถุ และส่งการสั่นสะเทือนไปที่แขนเพื่อสื่อสารความรู้สึกนั้น 

ด้วยเหตุนี้ ผู้ใช้มือจึงสามารถสัมผัสได้ถึงการเคลื่อนไหวและทำงานกับวัตถุที่บอบบางที่สุดได้อย่างง่ายดาย สะดวกสบาย และไร้รอยต่อ ความเหนียวทำให้สามารถรับแรงกระแทกกระแทกได้โดยไม่แตกหัก นอกจากนี้ยังกันน้ำได้และมาพร้อมกับรูปแบบการยึดเกาะที่หลากหลายเพื่อการใช้งานตลอดทั้งวัน

ability Hand มีรูปแบบการยึดเกาะทั้งหมด 32 รูปแบบ โดยมี 19 รูปแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้าและพร้อมใช้งาน มันมีน้ำหนักเบา 490 กรัม. มีการเชื่อมต่อหลายจุด โดยมีนิ้วทั้งห้าพร้อมที่จะงอและยืดออก และนิ้วโป้งสามารถหมุนได้ทั้งแบบไฟฟ้าและแบบแมนนวล 

สามารถชาร์จได้ ด้วย USB-C ในเวลาหนึ่งชั่วโมง สามารถใช้งานร่วมกันได้และทำงานร่วมกับระบบการจดจำรูปแบบ EMG ของบริษัทอื่นส่วนใหญ่ ระบบควบคุมโดยตรง EMG เครื่องแปลงสัญญาณเชิงเส้น และตัวต้านทานที่ไวต่อแรง

จากข้อมูลการระดมทุนล่าสุดที่มีอยู่ แคมเปญระดมทุนแบบระดมทุนของ Psyonic ได้ระดมเงินได้มากกว่า 1 ล้านดอลลาร์จนถึงปัจจุบัน

สิ่งที่เห็นได้ชัดจากตัวอย่างชิ้นส่วนต่างๆ ของร่างกายมนุษย์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ก็คือ อวัยวะของมนุษย์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติตามความเป็นจริงนั้นไม่ใช่ความฝันที่ลึกซึ้ง แม้ว่าเราได้พูดคุยถึงความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่สุดครั้งหนึ่งในสาขานี้แล้วเมื่อเร็วๆ นี้ เราจะสำรวจงานวิจัยที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจศักยภาพอันกว้างใหญ่ในอนาคต

คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับเทคนิคใหม่ที่ช่วยให้สามารถพิมพ์เนื้อเยื่อสมองที่ใช้งานได้โดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ

อนาคตของการพิมพ์ 3 มิติ: ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากที่สุด 

การใช้ไฮโดรเจลอย่างไม่มีประสิทธิภาพในการ การผลิตอวัยวะจากการพิมพ์ 3 มิติมีประวัติมาบ้างแล้ว A รายงานการวิจัยปี 2022 อ้างถึงตัวอย่างของทีมศึกษาที่นำโดยศาสตราจารย์ Thomas Scheibel จากมหาวิทยาลัย Bayreuth ประสบความสำเร็จในการผลิต "หมึกชีวภาพ" หรือไฮโดรเจลผ่านการผสมใยแมงมุมกับเซลล์ไฟโบรบลาสต์ของเมาส์โดยใช้การพิมพ์ 3 มิติ

เจลสามารถเปลี่ยนอย่างรวดเร็วจากของเหลวเป็นสถานะของแข็งเมื่อไหลผ่านหัวเครื่องพิมพ์ไปยังพื้นผิวการอัดขึ้นรูป ความรู้ ถูกพบ ไปยัง นำมาใช้ ในการจำลองเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อหัวใจโดยใช้โครงใยแมงมุมและคาร์ดิโอไมโอไซต์

รายงานปี 2023 ที่ตรวจสอบความเป็นจริงของการใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อจำลองอวัยวะมนุษย์อย่างครอบคลุม อ้างว่าสิ่งนี้จะเป็น "ความจริงที่จะเกิดขึ้นเร็วๆ นี้". ' โดยอ้างถึงหลายกรณีที่บ่งบอกถึงอนาคตที่สดใสในทุกความหมายที่อาจเกิดขึ้น

ตัวอย่างเช่น ในปี 2022 ที่เมืองซานอันโตนิโอ รัฐเท็กซัส ดร.อาร์ตูโร โบนิลลาสามารถปลูกถ่ายหูชั้นนอกให้กับผู้หญิงอายุ 20 ปีซึ่งเกิดมาโดยไม่มีหูข้างหนึ่ง โดยการสร้างหูขวาให้มีรูปร่างและขนาดเท่ากับด้านซ้ายของเธอ กรณีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นครั้งแรกที่หูที่ฝังไว้เป็นผลจากเครื่องพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ โดยใช้เซลล์กระดูกอ่อนของผู้หญิง

นักวิจัยจากโปแลนด์ยังสามารถพิมพ์ต้นแบบการทำงานของตับอ่อนที่มีการไหลเวียนของเลือดที่มั่นคงได้ ทำการทดลองกับสุกรและสังเกตเป็นเวลาสองสัปดาห์ ในขณะเดียวกัน ความพยายามในการปรับเทคนิคสำหรับปอดของมนุษย์ก็กำลังดำเนินการอยู่ Michal Wszola ผู้สร้าง Bionic Pancreas และ United Therapeutics Corporation 3D พิมพ์โครงปอดของมนุษย์ที่มีเส้นเลือดฝอยยาว 4,000 กิโลเมตรและถุงลม 200 ล้านถุง (ถุงลมขนาดเล็ก) ที่สามารถเปลี่ยนออกซิเจนในแบบจำลองสัตว์ได้

นักวิทยาศาสตร์ของสถาบันเวชศาสตร์ฟื้นฟู Wake Forest ได้พัฒนาระบบการพิมพ์ทางชีวภาพของผิวหนังแบบเคลื่อนที่ได้ พวกเขาเชื่อว่าในไม่ช้า จะเป็นไปได้ที่จะหมุนเครื่องพิมพ์ไปทางข้างเตียงของผู้ป่วยที่ทุกข์ทรมานจากบาดแผลที่ไม่หาย เช่น แผลไหม้ สแกนและวัดบริเวณแผล และพิมพ์ผิวหนังแบบ 3 มิติ ทีละชั้น ลงบนผิวแผลโดยตรง

ศาสตราจารย์ทัล ดาวิร์ เป็นผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเวชศาสตร์ฟื้นฟูที่มหาวิทยาลัยเทลอาวีฟ ประเทศอิสราเอล ระดับของเขาเป็นหัวหอกในโครงการพิมพ์ 3 มิติ “ขนาดกระต่าย” หัวใจซึ่งมีเซลล์ ห้องต่างๆ หลอดเลือดใหญ่ และการเต้นของหัวใจ ในขณะที่พูดถึงสิ่งประดิษฐ์และศักยภาพของมันสำหรับอนาคต Dvir ได้กล่าวไว้ดังต่อไปนี้:

“ขณะนี้เรากำลังศึกษาเกี่ยวกับเซลล์เครื่องกระตุ้นหัวใจ เซลล์หัวใจห้องบน และเซลล์กระเป๋าหน้าท้อง มันดูดี. ฉันเชื่อว่านี่คืออนาคต”

ผู้เชี่ยวชาญด้านสุขภาพเชื่อว่าความสามารถของอารยธรรมมนุษย์ในการพิมพ์อวัยวะแบบ 3 มิติจะช่วยให้รายชื่อผู้รอการบริจาคอวัยวะจำนวน 106,000 คน ในแต่ละวันมีผู้ป่วย 17 รายเสียชีวิตขณะรอ ความสามารถในการพิมพ์อวัยวะของมนุษย์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติจะช่วยได้มาก ชีวิต. 

ตามที่ Mark Skylar-Scott ผู้ช่วยศาสตราจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมชีวภาพของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด:

“สาขานี้มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วมากในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ตั้งแต่กระเพาะปัสสาวะที่พิมพ์ออกมาไปจนถึงเนื้อเยื่อที่มีเซลล์สูงในปัจจุบันพร้อมหลอดเลือดที่สามารถ เชื่อมต่อ ไปจนถึงเครื่องสูบน้ำ—และโมเดล 3 มิติที่ซับซ้อนซึ่งมีลักษณะคล้ายส่วนประกอบของหัวใจที่มีเซลล์หัวใจบูรณาการ”

ตอนนี้เกือบจะแน่ใจแล้วว่าอวัยวะของมนุษย์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติจะปฏิวัติวงการ ขั้นตอนการรักษาและระบบการดูแลของเรา อย่างไรก็ตาม มันจะต้องเอาชนะความท้าทายบางอย่างให้ได้ 

เช่น จะต้องทนต่อความเครียดได้มากขึ้น การผลิตและการผลิตจะต้องมีความครอบคลุมมากขึ้นในแง่ของความเข้ากันได้ของวัตถุดิบ มันจะต้องกลายเป็นพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพดังนั้น มันสามารถขยายขนาดได้ ได้เร็วขึ้น 

จะต้องกำจัดสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายที่ปล่อยออกมาจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งมักเป็นสารก่อมะเร็งและเป็นพิษ และอาจทำให้เกิดปัญหาสุขภาพร้ายแรง เช่น อวัยวะถูกทำลาย การระคายเคืองในลำคอ และอาการคลื่นไส้ สุดท้ายนี้ จะต้องมีความคุ้มค่าและราคาไม่แพงเพื่อให้เป็นประโยชน์ต่อกลุ่มประชากรจำนวนมากที่ยังไม่ได้รับการรักษาทั่วโลก 

คลิกที่นี่เพื่อดูรายชื่อหุ้นการพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิติที่มีแนวโน้มมากที่สุด