Dlaczego druk 3D w medycynie to tak ważny obszar badań?

Choć zagadnienia takie jak drukowanie tkanek czy narządów czy praca nad drukowanymi 3D w pełni funkcjonalnymi protezami czy egzoszkieletami wydają się futurystyczne, druk 3D w medycynie jest odpowiedzią na wiele problemów, z którymi medycyna i pacjenci borykają się obecnie. Mamy do czynienia tylko z teorią i prototypami testowanymi w laboratoriach - rozwiązania oparte na druku 3D są wykorzystywane do poprawy jakości życia ludzi w praktyce już dziś, a wraz z rozpowszechnieniem i doskonaleniem technologii, zwiększają się możliwości niesienia pomocy. 

Dzięki technologii drukowania 3D, chorzy czekający latami na przeszczep, ofiary wypadków czy wojen po amputacji czy z rozległymi oparzeniami oraz ludzie z wrodzonym ubytkiem kończyn zyskują nadzieję na godne życie bez ograniczeń. Druk 3D może również pomóc ludziom starszym czy pracownikom fizycznym uniknąć urazów, udoskonalić istniejący sprzęt rehabilitacyjny czy ułatwić szkolenie lekarzy. 

Obecne zastosowania druku 3D w medycynie

Protezy

Drukarki 3D zmieniają życie ludzi potrzebujących protez kończyn od wielu lat. Standardem w branży jest łączenie technologii druku 3D ze skanowaniem przestrzennym i komputerowym modelowaniem kończyny, co pozwala na dopasowanie protezy nawet na odległość. Druk 3D wnosi do procesu wysoką precyzję wykonania połączoną z lekkością materiałów, co przekłada się na wygodę i swobodę ruchu. Druk 3D pozwala znacznie obniżyć koszty produkcji i zapewnić dostęp do protez także ludziom w trudnej sytuacji finansowej, z obszarów objętych głębokim kryzysem czy ofiarom i weteranom wojen. Na drukarkach 3D powstają przyrządy do dopasowania protez, leje protetyczne do których mocowana jest część ruchoma protezy wykonana z metalu, lub całe protezy. Drukowane są protezy rąk, które obecnie stoją na wyższym poziomie zaawansowania i coraz częściej wykorzystują technologię mioelektryczna i bioniczną, oraz protezy nóg. 

Sprzęt rehabilitacyjny i wspomagający pracę fizyczną

Słowo “egzoszkielet” może kojarzyć się ze szkolną lekcją o biologii owadów, ale w kontekście rehabilitacji ludzi mówimy o urządzeniu mającym na celu wspierać mobilność ludzi. Egzoszkielet to system uprzęży, mocowań i mechanicznego wspomagania ruchów, z którego w zamyśle mogą korzystać ludzie starsi, sparaliżowani czy niepełnosprawni, aby odzyskać swobodę ruchów. 

Obecnie ta technologia jest dalej stosunkowo kosztowna, ale wykorzystanie druku 3D do usprawnienia produkcji lekkich elementów precyzyjnie dopasowanych do ciała, umożliwiło obniżenie astronomicznych kosztów do poziomu ok. 5-6 tysięcy dolarów, co stawią ją w zasięgu m.in dużych firm. Giganci produkcji, tacy jak Toyota wykorzystują egzoszkielety w fabrykach w Ameryce jako część ekwipunku ochronnego dla techników i monterów którzy często pracują z ramionami uniesionymi nad głową przez długi okres czasu. Poprzez odciążenie ciała, co niektórzy testujący urządzenia porównują do poruszania się w wodzie, zastosowanie egzoszkieletów pozwala praktycznie wyeliminować kontuzje barków i ramion przy pracy.

Biodruk

Gałęzią druku 3D, z którym naukowcy wiążą wielkie nadzieje jest biodruk, czyli drukowanie w 3D żywych tkanek, naczyń, skóry czy organów. W biodruku wykorzystuje się materiały takie jak biożele, które zawierają żywe komórki, związki chemiczne stymulujące je do wzrostu, oraz wodę. Wykorzystywane komórki, pochodzące od dawcy lub samego pacjenta (co zmniejsza ryzyko odrzucenia tkanki lub narządu) są rozmnażane w laboratorium. Najpopularniejsza metoda biodruku przypomina tradycyjny druk 3D - biotusz jest wytłaczany przez sterowaną komputerowo dyszę o niezwykle wąskim wylocie ok 400 mikronów średnicy, na płaskiej powierzchni lub w tzw. łaźni laboratoryjnej, do płynu który pomaga w ustabilizowaniu struktury. Jeśli proces się powiedzie, komórki wydrukowanej tkanki będą wykonywać swoje normalne funkcje - komunikować się, przesyłać składniki odżywcze, rozmnażać. 

Największe sukcesy osiągane są na polu tworzenia prostych, płaskich tkanek jak chrząstka, ale znamy też przykład udanego wszczepienia organu - Luke Massella, który w 2004 otrzymał wydrukowany metodą biodruku pęcherz moczowy, nie potrzebował żadnych dalszych operacji i żyje w dobrym zdrowiu. Biodruk 3D daje nadzieję niezliczonym pacjentom takim jak Luke, którzy od wielu lat czekają na przeszczep organów, często przechodząc liczne operacje i nie mając możliwości prowadzenia normalnego życia. 

Biodruk wykorzystuje się również do tworzenia autonomicznych modeli, które służą do edukacji i treningu chirurgów. W 2020 roku udało się stworzyć model serca, który odzwierciedlał teksturę, elastyczność i wytrzymałość biologicznego mięśnia, przez co pozwala na przeprowadzanie na nim symulowanych operacji - perfuzję, nacinanie, czy szycie.

Przyszłość medycznego druku 3D

Inżynierowie i bio-inżynierowie zajmujący się drukiem 3D w medycynie wciąż znajdują nowe zastosowania technologii i pracują nad przełamaniem istniejących obecnie barier. W przypadku protez, które są w całości lub w większości wykonane w druku 3D przeważają modele montowane poniżej łokcia lub kolana ze względu na trudności w drukowaniu dużych funkcjonalnych stawów, ale wraz z rozwojem obecnych metod i maszyn może stać się to możliwe. Ważnym celem dla protetyków jest również przywrócenie zmysłu dotyku w kończynie. Pracuje się także nad zintegrowaniem protez i egzoszkieletów z AI, tak by sztuczna inteligencja uczyła się rytmu kroków i ruchów pacjenta i pozwalała na jak najbardziej naturalne poruszanie się, a nawet przewidywała następne ruchy człowieka. 

Technologia biodruku mierzy się z wieloma wyzwaniami, takimi jak czy wysoka wrażliwość komórek na ciśnienie w dyszy, co może doprowadzić do ich zniszczenia przy procesie drukowania, czy trudności w drukowaniu skomplikowanych, “stałych” narządów z dużą koncentracją komórek oraz wewnętrznymi układami krwionośnymi. Drukowanie płuc, nerek czy serc, które mógłyby uratować życie milionów ludzi jest na razie poza naszym zasięgiem, ale stanowi bardzo ważny cel badań w tej dziedzinie. Anatomiczne modele, które już powstają są pierwszym krokiem do biodrukowania funkcjonalnych organów.  Naukowcy chcą także opanować technologię drukowania skóry, którą w przeszczepach mogłyby otrzymać ofiary pożarów lub chemicznych poparzeń.