Pag‑imprenta ng 3D na mga Organong Pantao – Gaano Ito Realistiko?

Ang mundo ng 3D printing ay lumalawak nang napakabilis. Sinasabi ng mga pagtatantiya na ang kabuuang laki ng pandaigdigang merkado ng 3D printing—mga produkto at serbisyo—ay tataas ng tatlong beses mula 2020 hanggang 2026. Na‑tantiya sa US$12.6 bilyon noong 2020, maaaring umabot ang merkado sa higit US$37 bilyon pagsapit ng 2026.

Ang pagtaas sa merkado ng mga aplikasyon ay mahusay na sinusuportahan ng espasyo kung saan nangyayari ang inobasyon—kapwa sa antas ng mga institusyon at mga negosyo/kumpanya. Halimbawa, ang malalaking kumpanyang teknolohiyang Amerikano ay lubos na aktibo sa 3D printing—na makikita mula sa dami ng mga patente na kanilang nailathala mula 2010. Ang General Electrics, halimbawa, ay nakapaglabas ng hanggang 342 na patente sa pagitan ng 2010 at 2019. 

Gayunpaman, ang larangan ng 3D printing ay palaging humaharap sa mahalagang tanong tungkol sa aplikasyon sa totoong buhay. Bagaman ito ay palaging isang kapana-panabik at kaakit-akit na siyentipikong larangan na tuklasin, marami ang nagtatanong, ‘Gaano ito realistiko?’

Kamakailan, isang matagumpay na eksperimento ang nagpakita kung gaano ito maaaring potensyal na maging totoo nang isang pangkat ng mananaliksik sa University of Virginia School of Engineering and Applied Science ay nakabuo ng maaaring maging template para sa unang mga building block para sa mga organong katugma ng tao na naka‑imprenta ayon sa kahilingan. Sa susunod na bahagi, titingnan natin ang eksperimento at kung ano ang naabot nito nang mas detalyado. 

Biomaterial na may Kontroladong Mekanikal na Katangian na Katugma ng Iba’t‑ibang Tisyu ng Tao 

Ang eksperimento ay pinamunuan nina Liheng Cai at Jinchang Zhu. Si Liheng Cai ay isang assistant professor ng agham at inhinyeriya ng materyales at kemikal na inhinyeriya, at si Jinchang Zhu ay ang kanyang mag-aaral na Ph.D. mag-aaral.

Ang metodong bioprinting na kanilang sinunod ay tinatawag na Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Ang teknikang ito ay naglalagay ng mga particle ng biomaterial sa isang water‑based na suportang matrix upang bumuo ng mga 3D na estruktura na nagbibigay ng kanais‑nais na kapaligiran para sa paglaki ng mga selula.

Sa paglalathala ng kanilang mga natuklasan sa journal Nature Communications, tinawag ng mga siyentipiko ang ulat na ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ Ang terminong Voxel ay nagmula sa katotohanang ang proseso ng pag‑imprenta ay sumusunod sa kung paano ang ‘voxels’—ang 3D bersyon ng mga pixel—gumagawa ng mga 3D na bagay. 

Habang ipinaliwanag ang makabagong tuklas na kanilang pananaliksik ay nagbigay sa komunidad ng siyensiya, sinabi ni Jinchang Zhu ang mga sumusunod:

“Ang aming mga bagong hydrogel particle ay kumakatawan sa unang functional voxel na aming nagawa kailanman. Sa tumpak na kontrol sa mga mekanikal na katangian, ang voxel na ito ay maaaring magsilbing isa sa mga pangunahing building block para sa aming mga hinaharap na imprenta.”

Sa kanyang pagsisikap na maging mas tiyak para sa karaniwang gumagamit, binigyang‑diin ni Zhu ang mga natatanging katangian ng kanilang teknik kumpara sa iba pang mga pamamaraan ng bioprinting. Binigyang‑diin niya ang elementong ‘Kontrol’ sa kanilang teknolohiya, na nagbigay‑daan upang ma‑imprenta ang mga organoid. 

Ang mga organoid na ito ay walang iba kundi mga 3D na modelo batay sa selula na maaaring magsilbing mga tisyu ng tao. Maaari itong gamitin upang pag‑aralan ang pag‑usbong ng sakit sa ating patuloy na paghahanap ng mga lunas. 

Isang Malaking Laktaw Kumpara sa Umiiral na mga Teknolohiyang Bioprinting

Tinawag ni Zhu ang kanilang inobasyon na ‘malaking laktaw’ kumpara sa umiiral na mga teknolohiyang bioprinting dahil ito ay ‘matibay at kaibigan ng selula.’ Ang mga polymer hydrogel particle na ginamit sa eksperimento ay maaaring tularan ang mga tisyu ng tao sa pamamagitan ng pag‑ayos at pagbabago ng mga kemikal na bond ng mga monomer na iisang molekula, na nag‑uugnay sa mga ito sa mga kadena upang bumuo ng mga network.

Kung ihahambing sa iba pang katulad na solusyon, ang solusyong inaalok nina Cai at Zhu ay lumabas na mas kaunti ang toxicity at mas biocompatible. 

Nagawa rin ng koponan ang makabuluhang mga pag‑unlad sa kanilang paggamit ng bioprinter. Ang multichannel nozzle na kanilang dinisenyo ay maaaring maghalo ng mga komponent ng hydrogel ayon sa pangangailangan. Nakatulong ito upang lutasin ang hamon na nagmula sa napakabilis na cross‑linking, na nagbago ng mga likidong patak tungong elastic na gel na namamasa ng tubig sa loob ng 60 segundo.

Inaalis ng teknikang DASP ang bottleneck na ito sa pamamagitan ng pagdeposito ng malalaking patak mula sa isang makitid at mabilis na gumagalaw na nozzle papunta sa matrix, agad na isinasabit ang mga ito. Sa isang paraan, nalulutas nito ang pangunahing isyu tungkol sa larangan ng soft matter science at 3D bioprinting: ang tumpak na manipulasyon ng mga viscoelastic voxel. Sa pagbubuod ng tagumpay, sinabi ni Cai:

“Naitatag na namin ngayon ang pundasyon para sa voxelated bioprinting. Kapag ganap na naipatutupad, ang mga aplikasyon ng DASP ay magsasama ng artipisyal na transplant ng organo, pagmomodelo ng sakit at tisyu, at pagsasala ng mga kandidato para sa mga bagong gamot. At malamang ay hindi ito titigil doon.”

Tulad ng ating nakita na, ang mga inobasyon sa paligid ng 3D bioprinting ay nagpatuloy nang matagal na panahon. Dahil dito, malinaw na maraming kilalang kumpanya ang nagpatibay ng teknolohiyang ito. Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang dalawang kumpanya na nagpasigla sa espasyong ito sa agham medikal at teknolohiyang pangkalusugan. 

#1. Northwell Health

Inaangkin ng kumpanya na ‘100% nakatuon sa pagiging unang health system na mag‑3D print ang iyong lunas’. Isa sa mga pinakamahalagang interbensyon ng Northwell Health sa larangang ito ay sa prosthetics. 

Ang kumpanya nag‑3D‑print ng amphibious prosthetic limb. Ang solusyon ay isang Fin na nagpapahintulot sa amputado na pumasok at lumabas sa tubig nang hindi binabago ang prosthetic.

Kabilang sa mga benepisyo ng fin ang paggamit ng makabagong carbon fiber na materyales at ang pag‑leverage ng ergonomic na hugis upang matiyak ang matibay at epektibong galaw. Gumamit ang Northwell ng carbon fiber‑enhanced nylon upang i‑print ang fin, na nakatuon sa lakas at flexibility. Higit pa rito, ang tibay nito ay ginawang angkop para magamit sa lupa at sa tubig. 

Ang fin ay may natatanging dinamika ng materyal. Mayroon itong mga butas na hugis koniko na maaaring kontrolin ang dami ng tubig na dumadaloy dito. Ang disenyo at ayos ng mga butas ay nagbigay ng natural na drag at pag‑propel sa tubig. Ang bilang ng mga butas ay maaaring i‑adjust ayon sa partikular na pangangailangan ng amputado. 

Matagal nang nangunguna ang Northwell Health sa pag‑develop ng mga detalyadong 3D‑printed na modelo ng bahagi ng katawan upang matulungan ang mga surgeon na mas mahusay na magplano ng operasyon. Naunawaan ng kumpanya ang potensyal ng 3D printing bago pa ito naging isang umuunlad na trend.

Sa isang sipi na nagmula pa noong 2018, si Todd Goldstein, direktor ng 3D Design and Innovation Center sa Northwell Health, ay nagbigay ng mga sumusunod na salita:

“Ang paggamit ng 3D printing sa medisina ay nagbibigay-daan sa amin na kunin ang anatomiya ng pasyente mula sa screen ng computer at ilagay ito sa kamay ng doktor. Ang ganitong uri ng teknolohiya ay isang game changer para sa lahat ng kasangkot, dahil nagbibigay ito sa mga doktor ng mas mahusay na pag‑visualisa ng pathology, nagbibigay sa mga pasyente ng tunay na makita kung anong paggamot ang kailangan, at nagbibigay ng mas tumpak, pasyente‑specific na mga paggamot sa halos lahat ng espesiyalidad.”

Noong 2023, ang Northwell Health nirehistro kita na US$16.9 bilyon at isang EBITDA margin na 6.3%.

#2. Psyonic

Isa pang kumpanya na gumagawa ng kahanga‑hangang trabaho sa larangang ito ay ang Psyonic. Ang Ability Hand, flagship product ng Psyonic, ay ang pinakamabilis at unang touch‑sensing na bionic hand sa mundo. Nangangakong ibalik ang buhay at mobilidad sa kung nasaan ito, ginagamit ng PSYONIC ang 3D printing upang epektibong mag‑prototype, mapataas ang affordability at accessibility, at mapabuti ang tibay at resistensya sa impact. 

Nagdagdag ang Psyonic ng malaking halaga sa kanilang solusyon sa pamamagitan ng pag‑incorporate ng mga sensor sa mga fingertip ng bionic hand na nakakakita ng pressure kapag humahawak ang suot ng isang bagay at nagpapadala ng vibration sa braso upang iparating ang sensasyon. 

Bilang resulta, ang gumagamit ng kamay ay maaaring maramdaman ang galaw at magtrabaho sa pinakamahinhin na mga bagay nang may kadalian, kaginhawahan, at walang putol. Ang tibay nito ay nagbibigay kakayahan na harapin ang blunt force impact nang hindi nababasag. Ito rin ay water‑resistant at may iba’t‑ibang mga pattern ng paghawak para magamit sa buong araw.

Nag‑alok ang Ability Hand ng kabuuang 32 na grip pattern, kung saan 19 ang pre‑defined at magagamit. Ito ay magaan, may timbang na 490 gramo. Ito ay multi‑articulated, na may limang daliri na handang mag‑flex at mag‑extend, at ang hinlalaki ay maaaring umikot nang elektrikal at manu‑mano. 

Maaari itong i‑charge gamit ang USB‑C sa loob ng isang oras. Ito ay cross‑compatible at gumagana sa karamihan ng third‑party EMG pattern recognition systems, EMG direct control systems, linear transducers, at force‑sensitive resistors.

Ayon sa pinakabagong magagamit na impormasyon tungkol sa pondo, ang crowdfunded equity campaign ng Psyonic ay nakalikom ng higit sa $1 milyon hanggang sa kasalukuyan.

Mula sa mga halimbawang ito ng 3D‑printed na bahagi ng katawan ng tao ay malinaw na, sa realidad, ang 3D printing ng mga organong pantao ay hindi isang malayong pangarap. Bagaman tinalakay na natin kamakailan ang isa sa mga pinakamahalagang breakthrough sa larangang ito, susuriin pa natin ang iba pang kaugnay na pananaliksik upang maunawaan ang napakalawak na potensyal ng hinaharap.

I‑click dito upang matuto tungkol sa isang bagong teknik na nagpapahintulot ng 3D printing ng functional na brain tissue.

Ang Hinaharap ng 3D Printing: Kasing Lapit ng Realidad Hangga’t Maaari 

Ang paggamit ng hydrogel nang hindi epektibo sa produksyon ng mga 3D‑printed na organ ay may ilang kasaysayan. Isang ulat ng pananaliksik noong 2022 ang nagbanggit ng pangkat ng pag-aaral na pinamunuan ni Propesor Thomas Scheibel sa University of Bayreuth na matagumpay na lumikha ng “bio‑ink” o hydrogel sa pamamagitan ng paghahalo ng spider silk sa mga mouse fibroblast cells gamit ang 3D printing.

Ang mga gel ay maaaring mabilis na mag‑transform mula sa likido tungong solidong estado kapag dumadaloy sa printer head papunta sa extrusion surface. Ang kaalaman ay natuklasan na magagamit sa pag‑replicate ng cardiac muscle tissue gamit ang spider silk scaffolds at cardiomyocytes.

Isang ulat noong 2023 na masusing sinuri ang realidad ng paggamit ng 3D printing upang i‑replicate ang mga organong pantao ay nag‑angkin na ito ay ‘malapit nang maging realidad.’ Ito ay nagbanggit ng maraming halimbawa na nagpapahiwatig ng isang maganda at promising na hinaharap sa lahat ng posibleng implikasyon.

Halimbawa, noong 2022, sa San Antonio, Texas, si Dr. Arturo Bonilla ay nakapag‑implant ng panlabas na tainga sa isang 20‑taong gulang na babae—na ipinanganak na walang tainga—sa pamamagitan ng paggawa ng kanang tainga sa eksaktong hugis at sukat ng kanyang kaliwa. Ang kaso ay lubos na mahalaga dahil ito ang unang pagkakataon na ang na‑implant na tainga ay produkto ng isang 3D bioprinter gamit ang cartilage cells ng babae.

Ang mga mananaliksik mula sa Poland ay nakapag‑print din ng functional prototype ng pancreas na may matatag na daloy ng dugo. Ang eksperimento ay isinagawa sa mga baboy at inobserbahan sa loob ng dalawang linggo. Samantala, isinasagawa rin ang mga pagsisikap na i‑adapt ang mga teknik para sa mga baga ng tao. Si Michal Wszola, ang lumikha ng Bionic Pancreas, at United Therapeutics Corporation ay nag‑3D print ng scaffold ng baga ng tao na may 4,000 kilometro ng capillaries at 200 milyong alveoli (maliit na mga sac) na maaaring magpalitan ng oxygen sa mga hayop na modelo.

Ang mga siyentipiko ng Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ay nag‑develop ng mobile skin bioprinting system. Naniniwala sila na sa lalong madaling panahon, magiging posible na dalhin ang printer mismo sa tabi ng kama ng pasyenteng may sugat na hindi gumagaling, tulad ng paso, i‑scan at sukatin ang lawak ng sugat, at i‑3D print ang balat, patong‑patong, direkta sa ibabaw ng sugat.

Si Propesor Tal Dvir ay direktor ng tissue engineering at regenerative medicine sa Tel Aviv University sa Israel. Ang kanyang antas ay nanguna sa proyekto ng isang 3D‑printed na “lapad‑na‑kasing‑laki‑ng‑kuneho” puso, na may mga selula, mga silid, mga pangunahing daluyan ng dugo, at tibok ng puso. Habang naglalahad tungkol sa imbensyon at ang potensyal nito para sa hinaharap, sinabi ni Dvir ang mga sumusunod:

“Sa ngayon ay nagtatrabaho kami sa mga pacemaker cells, mga atrial cells, at mga ventricular cells. Maganda ang itsura. Naniniwala ako na ito ang hinaharap.”

Naniniwala ang mga eksperto sa kalusugan na ang kakayahan ng sibilisasyon ng tao na mag‑3D print ng mga organ ay makakatulong sa 106,000 na taong naghihintay para sa organ donation. Araw‑araw, 17 pasyente ang namamatay habang naghihintay. Ang kakayahang mag‑3D print ng mga organ ng tao ay makaliligtas ng maraming buhay. 

Ayon kay  Mark Skylar-Scott, isang assistant professor sa Stanford University Department of Bioengineering:

“Ang larangan ay mabilis na umusad sa nakaraang dalawang dekada, mula sa mga printed na pantog hanggang sa ngayon ay mga highly cellular na tisyu na may mga daluyan na maaaring ikonekta sa isang pump—at mga komplikadong 3D model na kahawig ng mga bahagi ng puso na may integrated na heart cells.”

Halos tiyak na ngayon na ang 3D‑printing ng mga organ ng tao ay magrerebolusyon sa mga proseso ng paggamot at mga sistema ng pangangalaga natin. Gayunpaman, kailangan nitong malampasan ang ilang hamon. 

Halimbawa, kailangan itong maging mas matibay laban sa stress. Ang produksyon at pagmamanupaktura ay kailangang maging mas inklusibo sa usapin ng compatibility ng mga raw material. Kailangan din itong maging energy‑efficient upang mas mabilis itong ma‑scale up. 

Kailangan nitong alisin ang volatile organic compounds na inilalabas ng mga 3D printer na kadalasang carcinogenic at toxic at maaaring magdulot ng seryosong problema sa kalusugan tulad ng pinsala sa organ, iritasyon ng lalamunan, at pagsusuka. Sa huli, kailangan itong maging cost‑effective at abot‑kaya upang makinabang ang malaking bahagi ng ating populasyon na kulang sa paggamot sa buong mundo. 

I‑click dito para sa listahan ng mga pinaka‑promising na 3d bioprinting stocks.