Медицинада 3D принтерлер: кызыктуу колдонуулар жана потенциалдуу колдонмолор

Мазмун

• Медикаментти 3D принтерлери менен трансформациялоо
• 3D принтер кантип иштейт?
• Кулак жасоо
• Көгөрүү менен Курулуштун ортосундагы айырмачылык
• Басылып чыккан кулактардын потенциалдуу артыкчылыктары
• Төмөнкү жаакты басып чыгаруу
• Протездөө жана имплантациялануучу буюмдар
• Дагы мисалдар
• Тирүү клеткалар менен биопринттөө: мүмкүн болгон келечек
• Органдарды жана ткандарды алмаштыруу
• Биопринттин айрым ийгиликтери
• Жүрөктүн бөлүктөрүн басып чыгаруу
• Корнеа түзүү
• Мини органдардын, органоиддердин же чиптеги органдардын артыкчылыктары
• Өпкөнү туураган структура
• Биопринттин айрым кыйынчылыктары
• Шилтемелер

Линда Крамптон көп жылдар бою мектеп окуучуларына илим жана маалымат технологияларын үйрөткөн. Ал жаңы технологиялар жөнүндө билүүнү жактырат.

Медикаментти 3D принтерлери менен трансформациялоо

3D басып чыгаруу - көптөгөн пайдалуу тиркемелерге ээ технологиянын кызыктуу аспектиси. 3D принтерлердин бир кызыктуу жана потенциалдуу колдонулушу медицинада колдонула турган материалдарды түзүү болуп саналат. Бул материалдар имплантациялануучу медициналык шаймандарды, дененин жасалма бөлүктөрүн же протездөө каражаттарын жана ылайыкташтырылган медициналык шаймандарды камтыйт. Алар ошондой эле тирүү адамдын ткандарынын басылып чыккан тактарын жана мини органдарын камтыйт. Келечекте имплантациялануучу органдар басылып чыгышы мүмкүн.

3D принтерлер компьютердин эс тутумунда сакталган санарип моделдин негизинде катуу, үч өлчөмдүү объектилерди басып чыгаруу мүмкүнчүлүгүнө ээ. Кеңири тараган басма каражаты суюк пластик, ал басып чыгаргандан кийин катып калат, бирок башка маалымат каражаттары бар. Буларга порошок металы жана тирүү клеткаларды камтыган "сыялар" кирет.

Принтерлердин адам организмине шайкеш материалдарды чыгаруу мүмкүнчүлүгү тездик менен жакшырууда. Айрым материалдар медицинада колдонулуп келсе, калгандары тажрыйба баскычында. Иликтөөгө көптөгөн изилдөөчүлөр катышат. 3D басып чыгаруу медициналык дарылоону өзгөртүү үчүн танталдык мүмкүнчүлүккө ээ.

3D принтер кантип иштейт?

Принтер тарабынан үч өлчөмдүү нерсени түзүүдөгү биринчи кадам - ​​объектини долбоорлоо. Бул CAD (Computer-Aided Design) программасында жүргүзүлөт. Дизайн бүткөндөн кийин, дагы бир программа объектини бир нече катмар кылып чыгаруу боюнча көрсөтмөлөрдү түзөт. Бул экинчи программа кээде кесүү программасы же кесүүчү программа деп да аталат, анткени ал бүтүндөй объект үчүн CAD кодун бир катар тилимдердин же горизонталдуу катмарлардын кодуна айландырат. Катмарлар жүздөгөн, ал тургай миңдеп саналышы мүмкүн.

Принтер объектинин түбүн баштап, өйдө карай иштеп, кесүүчү программанын көрсөтмөлөрүнө ылайык, материалдык катмарларды коюу менен объектини жаратат. Кийинки катмарлар биригишет. Процесс кошумча өндүрүү деп аталат.

Пластикалык жиптер көп учурда 3D басып чыгаруу каражаты катары колдонулат, айрыкча керектөөчүлөргө багытталган принтерлерде. Принтер жипти эритип, андан кийин ысык пластикти форсунка аркылуу чыгарып турат. Саптама объект түзүү үчүн суюк пластикти чыгарганда бардык өлчөмдө кыймылдайт. Саптаманын кыймылы жана сыртка чыгарылып чыгарылган пластмасса көлөмү кесүүчү программа тарабынан башкарылат. Ысык пластмасса, ал мордон бошотулгандан кийин дээрлик дароо катып калат. Атайын максаттар үчүн басмакананын башка түрлөрү бар.

Дененин сыртынан көрүнүп турган кулак бөлүгү pinna же auricle деп аталат. Кулактын калган бөлүгү баш сөөктө жайгашкан. Пиннанын милдети - үн толкундарын чогултуу жана кулактын кийинки бөлүгүнө жөнөтүү.

Кулак жасоо

2013-жылдын февраль айында АКШдагы Корнелл университетинин окумуштуулары 3D басып чыгаруунун жардамы менен кулактын тешигин жасай алдык деп жарыялашкан. Корнелл окумуштууларынын кийинки кадамдары төмөнкүчө болгон.

• Кулактын модели CAD программасында түзүлгөн. Изилдөөчүлөр бул модель үчүн чыныгы кулактардын сүрөттөрүн колдонушкан.
• Кулактын модели 3D принтер тарабынан басылып, пластик колдонулуп, кулактын формасы менен калып калыптыр.
• Коллаген аттуу протеин бар гидрогель калыптын ичине жайгаштырылган. Гидрогель - курамында суу бар гель.
• Хондроциттер (кемирчек чыгаруучу клеткалар) уйдун кулагынан алынып, коллагенге кошулган.
• Коллаген кулагы лабораториялык идишке азык эритмесине салынган. Эритмеде кулак турганда, айрым хондроциттер коллагенди алмаштырды.
• Андан кийин кулак келемиштин артына терисинин астына орнотулган.
• Үч айдан кийин кулактагы коллаген кемирчекке толугу менен алмаштырылып, кулак формасын жана айланадагы чычкан клеткаларынан айырмаланып турду.

Көгөрүү менен Курулуштун ортосундагы айырмачылык

Жогоруда сүрөттөлгөн кулакты жаратуу процессинде, пластикалык кулак инерттүү калып болгон. Анын бирден-бир милдети кулактын туура формасын камсыз кылуу болгон. Көктүн ичинде пайда болгон коллаген кулагы хондроциттер үчүн таяныч кызматын аткарган. Ткань инженериясында, эски - бул белгилүү формада жана клеткалар өскөн био-шайкеш материал. Эскинин формасы туура гана болбостон, клеткалардын жашоосун колдой турган касиетке да ээ.

Баштапкы кулак жаратуу процесси жүргүзүлгөндүктөн, Корнеллдин изилдөөчүлөрү коллаген ысыктарын кулак жасоо үчүн керектүү формада бастыруунун жолун таап, пластикалык калыпка болгон талапты жокко чыгарышты.

Басылып чыккан кулактардын потенциалдуу артыкчылыктары

Принтерлердин жардамы менен жасалган кулактар ​​жаракаттан же оорудан улам өз кулагынан айрылган адамдар үчүн пайдалуу болушу мүмкүн. Ошондой эле, алар кулагы жок төрөлгөн же начар өнүккөн адамдарга жардам бере алышат.

Учурда ооруну кабыргасындагы кемирчектерден алмаштыруучу кулактар ​​жасалат. Кемирчекти алуу оорулуу үчүн жагымсыз окуя жана кабыргага зыян келтириши мүмкүн. Мындан тышкары, пайда болгон кулак анчалык табигый көрүнбөйт. Кулактар ​​жасалма материалдан жасалат, бирок дагы бир жолу натыйжа толук канааттандырарлык эмес болушу мүмкүн. Басылып чыккан кулактар ​​табигый кулактарга окшошуп, натыйжалуу иштөө мүмкүнчүлүгүнө ээ.

2013-жылдын март айында Oxford Performance Materials деп аталган компания эркектин баш сөөгүнүн 75% полимердик баш сөөгү менен алмаштыргандыгын билдирген. Ошондой эле, 3D принтерлер ден-соолукка кам көрүүчү шаймандарды жасоодо колдонулат, мисалы, протез буту, угуу аппараттары жана тиш импланттары.

Төмөнкү жаакты басып чыгаруу

Голландиялык окумуштуулар 2012-жылдын февраль айында 3D принтери менен жасалма ылдый жаакты жаратып, аны 83 жаштагы аялдын бетине орнотконун билдиришкен. Жаагы ысык менен эритилген титан металл порошогунун катмарларынан жасалган жана биокерамикалык каптоо менен капталган. Биокерамикалык материалдар адамдын тканына туура келет.

Аял жасалма жаакты өзүнүн төмөнкү ээгинде өнөкөт сөөк инфекциясы болгондуктан алган. Дарыгерлер салттуу жүздү калыбына келтирүү хирургиясы аял үчүн анын курагына байланыштуу өтө кооптуу деп эсептешкен.

Жаактын кыймылдашы үчүн муундары, ошондой эле булчуңдардын бекитилиши үчүн көңдөйчөлөр жана кан тамырлар менен нервдердин оюктары болгон. Аял наркоздон ойгонгондо эле бир нече сөз айта алды. Эртеси ал жутуп алган. Төрт күндөн кийин ал үйүнө кетти. Жалган тиштерди жаакка кийинчерээк орнотуу пландаштырылган.

Басылып чыккан структуралар медициналык окутууда жана хирургияга чейинки пландаштырууда колдонулуп жатат. Бейтаптын медициналык сканерлөөсүнүн натыйжасында түзүлгөн үч өлчөмдүү модель хирургдар үчүн өтө пайдалуу болушу мүмкүн, анткени ал бейтаптын денесиндеги конкреттүү шарттарды көрсөтө алат. Бул татаал хирургияны жөнөкөйлөтүшү мүмкүн.

Протездөө жана имплантациялануучу буюмдар

Жогоруда сүрөттөлгөн металл жаак - бул жасалма дене мүчөсүнүн бир түрү. Протездөө өндүрүшү - бул 3D принтерлеринин мааниси чоң болгон тармак. Азыр кээ бир ооруканаларда өзүнүн принтери бар же принтери бар медициналык камсыздоо компаниясы менен кызматташып жатышат.

Протезди 3D басып чыгаруу менен жасоо кадимки өндүрүш ыкмаларына караганда тезирээк жана арзаныраак процесс болуп саналат. Мындан тышкары, шайман адам үчүн атайын иштелип чыгып, басылып чыкканда, бейтапка ылайыкташтырылган жарашык жасоо оңой. Ооруканаларды текшерүүдөн ылайыкташтырылган шаймандарды түзүүгө болот.

Бүгүнкү күндө, жок эле дегенде, дүйнөнүн кээ бир жерлеринде 3D-басмаканаларды алмаштыруу. Басып чыгарылган колдор жана колдор кадимки ыкмалар менен чыгарылгандан кыйла арзаныраак. Бир 3D басып чыгаруучу компания Уолт Дисней менен биргеликте балдар үчүн түстүү жана көңүлдүү протез колдорун жаратууда. Арзаныраак, арзаныраак продуктту жаратуудан тышкары, бул демилге "балдарга протез жасоону уялуу же чектөө эмес, толкундануу булагы катары көрүүгө жардам берүү".

Дагы мисалдар

• 2015-жылдын аягында басылып чыккан омурткалар бейтапка ийгиликтүү жайгаштырылды. Ошондой эле бейтаптарга төш сөөгү жана кабыргасы басылды.
• 3D басып чыгаруу жакшыртылган тиш импланттарын өндүрүү үчүн колдонулат.
• Алмаштыруучу жамбаш муундары көп учурда басылып чыгат.
• Жакында пациенттин денесиндеги үзүндүнүн белгилүү бир өлчөмүнө жана формасына туура келген катетер көп кездешиши мүмкүн.
• 3D басып чыгаруу көбүнчө угуу аппараттарын жасоого катышат.

Тирүү клеткалар менен биопринттөө: мүмкүн болгон келечек

Тирүү клеткалар менен басып чыгаруу же биопринт басып чыгаруу бүгүнкү күндө болуп жатат. Бул назик процесс. Клеткалар өтө ысып кетпеши керек. 3D басып чыгаруунун көпчүлүк ыкмалары клеткаларды өлтүрө турган жогорку температураны камтыйт. Мындан тышкары, клеткалар үчүн ташуучу суюктук аларга зыян келтирбеши керек. Суюктук жана анын курамындагы клеткалар био-сыя (же биоинк) деп аталат.

Органдарды жана ткандарды алмаштыруу

Жабыркаган органдарды 3D принтерден жасалган органдарга алмаштыруу медицинада эң сонун революция болмок. Учурда муктаж болгондордун бардыгы үчүн донордук органдар жетишсиз.

План бейтаптын өзүнө керектүү органды басып чыгаруу үчүн денесинен клеткаларды алуу. Бул жараян органдарды четке кагууга жол бербеши керек. Клеткалар, сыягы, туура стимулдаштырылганда, башка клетка түрлөрүн өндүрө алган адистештирилбеген клеткалар болгон өзөк клеткалар болушу мүмкүн. Ар кандай уячалардын түрлөрү принтер тарабынан туура тартипте сакталат. Изилдөөчүлөр адамдын клеткалары, жок дегенде, кээ бир түрлөрү депонирленгенде өзүн-өзү уюштуруу укмуштуу бир жөндөмгө ээ экендигин, бул органды жаратуу процессинде өтө пайдалуу экендигин аныкташууда.

Биопринтер деп аталган 3D принтердин өзгөчө түрү тирүү ткандарды жасоодо колдонулат. Тканы жасоонун кеңири таралган ыкмасында гидрогель басмакананын бир башынан басылып, складды түзөт. Ар биринде миңдеген клеткаларды камтыган кичинекей суюктук тамчылары, башка принтердин башындагы таякка басылат. Көп өтпөй тамчылар биригип, клеткалар бири-бирине байланып калышат. Каалаган түзүлүш пайда болгондо, гидрогель эскизи алынып салынат.Ал сыйрылып же сууда эрий турган болсо жууп кетиши мүмкүн. Ошондой эле биодегазиялуу эсколдорду колдонсо болот. Булар акырындык менен тирүү организмдин ичинде бузулат.

Медицинада трансплантация - бул органды же кыртышты донордон реципиентке өткөрүп берүү. Имплант - жасалма шайманды пациенттин денесине киргизүү. 3D биопринтинг ушул эки чек аранын бир жерине туш келет. Биопринтер чыгарган буюмдарга карата "трансплантация" жана "имплант" колдонулат.

Биопринттин айрым ийгиликтери

3D принтерлер жараткан тирүү эмес имплантаттар жана протездөө адамдарда буга чейин колдонулуп келген. Тирүү клеткаларды камтыган имплантаттарды колдонуу дагы көп изилдөөлөрдү талап кылат, ал аткарылып жатат. Бүткүл органдарды азырынча 3D басып чыгаруу менен жасоого болбойт, бирок органдардын бөлүктөрү жасай алышат. Көптөгөн ар кандай структуралар басылып чыккан, алардын ичинде жүрөктүн булчуңдары согуп турган, теринин тактары, кан тамырлардын сегменттери жана тизе кемирчектери бар. Булар адамга орното элек. 2017-жылы окумуштуулар имплантациялоо үчүн адамдын терисин түзө турган принтердин прототибин сунуш кылышкан, бирок 2018-жылы башка окумуштуулар көздүн короону калыбына келтирүү үчүн колдонула турган процессте көздүн кабыкчаларын басып чыгарышкан.

Кээ бир үмүттүү ачылыштар жөнүндө 2016-жылы билдирилген. Окумуштуулар тобу чычкандардын терисинин астына биопринттелген структуралардын үч түрүн отургузушкан. Аларга адамдын чоңдугу сыяктуу адамдын кулагынын пиннасы, булчуңдун бир бөлүгү жана адамдын жаак сөөгүнүн бөлүгү кирген. Айланадагы кан тамырлар чычкандардын денесинде турганда ушул түзүлүштөрдүн бардыгына жайылып кетишкен. Бул абдан кызыктуу окуя болду, анткени ткандардын жашоосу үчүн кан менен камсыз кылуу керек. Кан тирүү ткандарга азык жеткирип, алардын калдыктарын алып кетет.

Ошондой эле, имплантацияланган структуралар кан тамырлар өнүп-өсмөйүнчө тирүү кала алышкандыгы көңүлдү бурду. Бул эрдик структуралардагы азык тешикчелеринин киришине мүмкүндүк берген майда тешикчелердин болушу менен ишке ашкан.

Жүрөктүн бөлүктөрүн басып чыгаруу

Корнеа түзүү

Улуу Британиянын Ньюкасл Университетинин окумуштуулары 3D форматында басылган көздүн кабыкчаларын жаратышты. Көздүн чел кабыгы - көзүбүздүн тунук, сырткы жабуусу. Бул жабуунун олуттуу бузулушу сокурлукка алып келиши мүмкүн. Көздүн кабыкчасын трансплантациялоо менен көп учурда көйгөй чечилет, бирок муктаж болгондордун бардыгына жардам берүү үчүн көздүн кабыгы жетишсиз.

Илимпоздор ден-соолугу чың адамдардын кабыгынан өзөк клеткаларын алышкан. Андан кийин клеткалар альгинат жана коллагенден жасалган гельге салынган. Гель клеткаларды принтердин бирден-бир учтуу жеринен өтүп бара жатканда коргогон. Гельди жана клеткаларды туура формада басып чыгаруу үчүн он мүнөткө жетпеген убакыт талап кылынган. Формасы адамдын көзүн сканерлөө жолу менен алынган. (Медициналык кырдаалда пациенттин көзү сканерден өткөрүлмөк.) Гель жана клетка аралашмасы басылып чыккандан кийин, өзөк клеткалары толугу менен көздүн чел кабыгын жаратты.

Басып чыгаруу процесси жүргүзгөн кабыкчалар азырынча адамдын көзүнө сайыла элек. Аларга чейин бир аз убакыт болушу мүмкүн. Бирок алардын көптөгөн адамдарга жардам берүү мүмкүнчүлүгү бар.

Адам денесинин белгилүү бир бөлүгүн өз убагында жасоо үчүн талап кылынган адистештирилген клеткаларды өндүрүү үчүн сөңгөк клеткаларын стимулдаштыруу өзүнчө бир кыйынчылык. Бирок бул биз үчүн сонун пайда алып келиши мүмкүн болгон процесс.

Мини органдардын, органоиддердин же чиптеги органдардын артыкчылыктары

Окумуштуулар мини органдарды 3D басып чыгаруу менен (жана башка ыкмалар менен) түзө алышты. "Мини органдар" - бул органдардын, органдардын бөлүмдөрүнүн же белгилүү бир органдардын ткандарынын тактарынын миниатюралык версиялары. Алар мини орган деген терминден тышкары ар кандай аталыштар менен аталат. Басылып чыгарылган чыгармаларда толук көлөмдүү органда кездешкен ар кандай структуралар камтылбашы мүмкүн, бирок болжолдоолору жакшы. Изилдөөлөр көрсөткөндөй, алар имплантацияланбаса дагы, маанилүү колдонууга ээ болушу мүмкүн.

Мини органдар ар дайым эле кокустан донор берген клеткалардан жарала бербейт. Анын ордуна, алар көбүнчө оорусу бар адамдын клеткаларынан жасалат. Изилдөөчүлөр мини органга дары-дармектердин таасирин текшере алышат. Эгерде дары пайдалуу жана зыяндуу эмес деп табылса, ал бейтапка берилиши мүмкүн. Бул процесстин бир нече артыкчылыктары бар. Бири, оорунун спецификалык версиясы жана алардын геному үчүн пайдалуу болушу мүмкүн болгон дары-дармектерди колдонсо болот, бул ийгиликтүү дарылоо ыктымалдыгын жогорулатат. Дагы бир нерсе, дарыгерлер бейтапка адаттан тыш же адатта кымбат баалуу дары-дармектерди колдонсо болот, эгер алар дары-дармек натыйжалуу боло тургандыгын көрсөтсө. Мындан тышкары, дарыларды мини органдарга текшерүү лабораториялык жаныбарларга болгон муктаждыкты азайтышы мүмкүн.

Өпкөнү туураган структура

2019-жылы Райс университетинин жана Вашингтон университетинин окумуштуулары адамдын өпкөсүн иш-аракетке окшоштуруучу мини органды жараткандыктарын көрсөтүштү. Кичи өпкө гидрогелден жасалган. Анын курамында кичинекей өпкө сымал структура бар, ал белгилүү бир аралыкта аба менен толуп турат. Канга толгон идиштер тармагы түзүмдү курчап турат.

Стимулдаштырылганда, окшоштурулган өпкө жана анын тамырлары ритмикалык түрдө кеңейип, кысылат. Видеодо түзүмдүн кандай иштээри көрсөтүлөт. Органоид толук көлөмдө болбосо дагы, адамдын өпкөсүндөгү бардык ткандарды туурабаса дагы, анын өпкө сыяктуу кыймылдашы абдан маанилүү бир өнүгүү.

Биопринттин айрым кыйынчылыктары

Имплантацияга ылайыктуу бир органды түзүү - бул оор маселе. Орган - белгилүү бир калыпта жайгаштырылган ар кандай клетка типтерин жана ткандарын камтыган татаал түзүлүш. Мындан тышкары, органдар түйүлдүктүн өрчүшүндө өрчүп жатканда, алардын сонун түзүлүшүн жана татаал жүрүм-турумун талаптагыдай өрчүтө турган химиялык сигналдарды алышат. Жасалма жол менен бир орган жасоого аракет кылганда, бул сигналдар жетишпейт.

Кээ бир илимпоздор, адегенде, балким, дагы бир канча убакытка чейин, бардык функциялардын ордуна, бир орган кызматын аткара ала турган, имплантациялануучу структураларды басып чыгарабыз деп ойлошот. Бул жөнөкөй түзүлүштөр денедеги олуттуу кемчиликтин ордун толтурса, абдан пайдалуу болушу мүмкүн.

Имплант жасоого биопринттелген органдар жеткиликтүү болгонго чейин бир нече жыл өтсө дагы, ага чейин технологиянын жаңы артыкчылыктарын көрө алабыз. Изилдөөнүн темпи жогорулап бараткандай сезилет. Медицинага байланыштуу 3D басып чыгаруунун келечеги абдан кызыктуу жана кызыктуу болушу керек.

Шилтемелер

• Smithsonian журналынын 3D принтери жана тирүү кемирчек клеткалары тарабынан жасалган жасалма кулак.
• Би-Би-Синин 3D принтери жасаган трансплантациялоочу жаак (British Broadcasting Corporation)
• Америкалык Механик Инженерлер Коомунан түстүү 3D басылган колдор
• Биопринтер Guardian гезитинен трансплантациялоо үчүн атайын лабораторияда өстүрүлгөн дене бөлүктөрүн түзөт
• EurekAlert жаңылыктар кызматынан 3-форматтагы адамдын көзүнүн биринчи кабагы
• 3D принтери New Scientistтен бери эң кичинекей адамдын боорун жасайт
• Mini 3D басылып чыккан органдары New Scientistтен соккон жүрөк жана боорду туурайт
• Popular Mechanics компаниясынын өпкөсүн туураган орган
• Жаңы 3D принтери Science Alert тирүү клеткалардан кулак, булчуң жана сөөк ткандарын чоңойтот
• Phys.org жаңы кызматынан адамдын терисин басып чыгаруу үчүн 3-D биопринтер

Бул макала так жана автордун билими боюнча туура. Мазмун маалыматтык же көңүл ачуу максатында гана иштелип чыккан жана ишкердик, каржылык, юридикалык жана техникалык маселелерде жеке кеңеш же кесипкөй кеңеш менен алмаштырылбайт.