3D-Technologien

Die Science-Fiction-Welt der 3D-gedruckten Organe

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Mit dem 3D-Druck wieder zurück. Wie bereits in früheren Artikeln zur additiven Fertigung erwähnt, wird der 3D-Druck nahezu alle wichtigen Branchen auf der ganzen Welt betreffen, einschließlich des Gesundheitswesens. Wir haben bereits gesehen, wie der 3D-Druck der Gesundheitsbranche durch die jüngste Coronavirus-Pandemie zugute kommen kann.

Führende 3D-Druckunternehmen wie Carbon, Prusa Research und Formlabs drucken Gesichtsschutz, Masken und wichtige Krankenhauswerkzeuge für medizinisches Fachpersonal. Die gesamte 3D-Druck-Community hat hart daran gearbeitet, den Druck auf Lieferketten und Regierungen zu verringern.

Der 3D-Druck verspricht, die Gesundheitsbranche dahingehend zu verändern, dass Patienten bessere Dinge wie intelligentere Medikamente und hyperindividuelle Prothesen angeboten werden. Wie in dem Film Dark Man aus dem Jahr 1990 könnte es für Ärzte jedoch üblich werden, Organe zu drucken, um Patienten zu behandeln. Tatsächlich passiert es bereits. Forscher verschiedener führender Universitäten haben wichtige menschliche Organe in 3D gedruckt. Derzeit ist der Organmangel weltweit und insbesondere in den USA ein wachsendes Gesundheitsproblem.

3D-gedruckte Organe könnten Menschenleben retten

Aufgrund der enormen Nachfrage nach Organen wurde dies geschätzt900,000 Todesfälle jedes Jahr könnten mit technischen Organen verhindert werden. Derzeit gibt es in den Vereinigten Staaten 113,000 Männer, Frauen und Kinder auf der nationalen Warteliste für Transplantationen ab Juli 2019. Leider im Durchschnitt20 Menschen sterben jeden Tag auf eine Transplantation warten, während alle 10 Minuten eine neue Person zur Warteliste hinzugefügt wird. 3D-gedruckte Organe sind eine praktikable Lösung. Darüber hinaus gehen diese technischen Organe weit über ihre praktischen Vorteile hinaus, da diese neuen technischen Organe sehr kostengünstig sind.

Zum Beispiel kann nach Angaben der National Foundation for Transplantations eine Standard-Nierentransplantation im Durchschnitt mehr als kosten $300,000Während ein 3D-Bioprinter, der zur Erstellung von 3D-gedruckten Organen verwendet wird, so wenig kosten kann wie $10,000 Die Kosten werden voraussichtlich sinken, wenn sich die Technologie in den nächsten Jahren weiterentwickelt. Mediziner und Forscher sind begeistert vom kommenden Zeitalter der 3D-gedruckten Organe.

Heute werden wir die Auswirkungen des 3D-Bioprintings, die Herausforderungen, Vorteile und potenziellen Probleme dieses revolutionären neuen Produkts weiter untersuchen. In den nächsten Jahren wird die Nachfrage nach Bioprinting voraussichtlich nur noch zunehmen.

Die Grundlagen: Was ist 3D-Bioprinting?

Möglicherweise hören Sie den Prozess von 3D-gedruckten Organen, die als 3D-Bioprinting bezeichnet werden. Die Endprodukte (Organe) werden als technische Organe bezeichnet. Kurz gesagt, der Prozess des Bioprinting ähnelt vielen der Ihnen bekannten additiven Herstellungsprozesse. In diesem Fall beinhaltet die additive Fertigung jedoch das Kombinieren von Zellen und Wachstumsfaktoren, um eine gewebeartige Struktur und schließlich Organe zu erzeugen. Denken Sie an Ihren Standard-FDM-Drucker. Möglicherweise haben Sie gerade eine auf Ihrem Desktop oder haben eine in Aktion gesehen. Der Prozess ist sehr ähnlich.

Wenn Sie etwas in 3D drucken möchten, müssen Sie zunächst ein digitales Modell erstellen, das dann Schicht für Schicht mit Thermoplast in ein physisches 3D-Objekt gedruckt wird. Das Bioprinting funktioniert ähnlich. Die Forscher erstellen ein Modell des Gewebes, das sie erstellen möchten, gefolgt vom Druckprozess, bei dem es sich Schicht für Schicht um das endgültige Objekt handelt. Da Drucker jedoch sterile Zellen verwenden, müssen die Auflösung des Drucks (Schichthöhe) und die Matrixstruktur ordnungsgemäß für den Druck vorbereitet werden.

Wenn man es weiter aufschlüsselt, was der Vor- und Nachproduktion des SLA-Drucks sehr ähnlich ist, gibt es bestimmte Schritte, die Forscher unternehmen, um sicherzustellen, dass die Organe ordnungsgemäß gedruckt werden. In erster Linie erstellen Mediziner während der Vorproduktionsphase das digitale Modell für ihren Druck mithilfe von Technologien wie Computertomographie und Magnetresonanztomographie. Die Drucker werden dann vor dem Drucken vorbereitet und sterilisiert, um die Lebensfähigkeit der Zellen zu optimieren.

Als nächstes wird das Modell an den Drucker gesendet. Anstatt einen Thermoplasten zu verwenden, verwenden Forscher Bioink, um ihre Strukturen zu drucken. Bioink-Tinte wird Schicht für Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 0,5 mm oder weniger extrudiert. Doch genau wie ein Filament wird der Bioink in eine Druckerpatrone eingelegt und zur Erstellung des physischen 3D-Modells verwendet. Während der Postproduktionsphase, nachdem der Druck abgeschlossen ist, stimulieren die Forscher das Teil mechanisch und chemisch, um die Schaffung stabiler Strukturen sicherzustellen. Der Prozess der Verfestigung des Organs wird normalerweise durch UV-Licht, bestimmte Chemikalien oder sogar gelegentlich durch Hitze unterstützt.

Bioink ist das „Filament“, das in Bioprintern verwendet wird

Wie oben erwähnt, wird Bioink verwendet, um die künstlichen Gewebe zu erzeugen, die während des 3D-Bioprinting-Prozesses modelliert wurden. Mehrere unterschiedliche Eigenschaften machen Bioink einzigartig perfekt für die jeweilige Aufgabe. Bei weiterer Betrachtung würden Sie feststellen, dass dieser Bioink aus Zellen und einem Trägermaterial besteht, bei dem es sich normalerweise um ein Biopolymergel handelt.

Obwohl Bioinks vollständig aus Zellen hergestellt werden können, wird dieses Biopolymergel benötigt, um die Zellen an Ort und Stelle zu halten, damit sie wachsen, sich ausbreiten und sogar vermehren können, um die Zellen während des 3D-Druckprozesses zu schützen. Ohne dieses Biopolymergel wäre der Prozess des 3D-Druckens von Gewebe viel schwieriger.

Beim Drucken mit einem FDM-Drucker wird die für den Druckvorgang verwendete Düse auf hohe Temperaturen erhitzt, um den Kunststoff zu schmelzen und das gewünschte Teil zu erzeugen. Bei Verwendung des 3D-Bioprinter ist der Prozess der gleiche und unterstreicht erneut die Bedeutung des Polymers. Wenn Bioink durch die Düse eines Druckers läuft, darf die Wärme die Zelle nicht „kochen“.

Das Biopolymergel verhindert, dass die Zellen während des Druckvorgangs zu heiß werden. Noch mehr während dieses Prozesses tragen die viskoelastischen Eigenschaften des Gels dazu bei, zu verhindern, dass die Zellen während des Extrusionsprozesses aus der Düse während des Druckens beschädigt werden.

Wenn Sie sich fragen, was Sie sonst noch in der Mini-Zellensuppe von Bioinks finden könnten, haben Sie heute Glück. Das Team von All3DP erklärte: "... Bioinks basieren auf einer Kombination mehrerer Polymere, um einen Mittelweg zu erreichen, auf dem chemische, physikalische und biologische Einschränkungen eingehalten werden." Typischerweise kann Bioink alles von Hyaluronsäure bis zu Kollagen, Alginat, Cellulose und sogar Seide enthalten.

Haben die Leute schon 3D-gedruckte Organe?

Die kurze Antwort ja. Bereits 2017 entwickelte und druckte ein Team von Ingenieuren der Pohang Universität für Wissenschaft und Technologie 3D-Drucke, die sie als „Bio-Blutgefäße“ bezeichneten, indem sie Materialien aus dem menschlichen Körper als Vorlage für den Prozess verwendeten. Das Blutgefäß funktionierte wunderbar ohne Probleme. Während Forscher der Harvard University erst ein Jahr zuvor eine neue Art von Bioink speziell für die Nieren entwickelten, konnte das Forscherteam wichtige funktionelle Teile der Niere herstellen.

Während ein Team des Bioprinting-Startups Organovo in San Diego bereits demonstrierte, dass es menschliche Leberpflaster drucken und in Mäuse implantieren kann. Die Ziele des Organovo-Teams hören hier jedoch nicht auf. Auf ihrer Website heißt es: „Wir sind Vorreiter bei einer Reihe einzigartiger therapeutischer und medikamentöser Profilierungsfunktionen, die auf unserer revolutionären Fähigkeit basieren, 3D-SD-Bioprint-Gewebe zu verwenden, die Schlüsselaspekte der menschlichen Biologie und Krankheit nachahmen. Wir sind bestrebt, das Gesicht der Medizin durch die klinische Entwicklung regenerativer Medizintherapien zur Behandlung von Krankheiten und durch die Ermöglichung der translationalen Wirkstoffentdeckung zu verändern. “

Studien am Menschen für Lebertransplantationen könnten bereits in diesem Jahr beginnen. Die Idee, menschliche Organe zu bioprinten, ist nicht mehr weit von der Science-Fiction-Idee entfernt. Forscher von privaten Unternehmen und führenden Universitäten haben Ohren, Lungen und sogar ein Herz gedruckt.

Die Bioprinting-Technologie ist alles andere als perfekt

Ja, es wurden mehrere erfolgreiche Anstrengungen unternommen, um künstliche Gewebe und Organe herzustellen. Die Technologie hat jedoch noch viel zu tun, bevor sie in Krankenhäusern in Ihrer Nähe vollständig angepasst werden kann. Es gibt einige offensichtliche Hürden, die wir überwinden müssen.

Erstens muss das Bioprinting schneller werden und Gewebe mit einer höheren Auflösung produzieren können. Die Möglichkeit, eine Orgel in wenigen Stunden oder Minuten in 3D zu drucken, könnte das 3D-Bioprinting kommerziell weitaus attraktiver machen. Während die höhere Auflösung eine bessere Interaktion und Kontrolle in der 3D-Mikroumgebung ermöglichen würde.

Zweitens brauchen wir mehr Biomaterial. Im Moment ist es wie beim Drucken mit nur wenigen Filamenten. Genau wie bei einem FDM- oder sogar SLA-Drucker verwenden Sie unterschiedliche Druckmaterialien, um unterschiedliche Aufgaben zu bewältigen.

Gleiches gilt für die Welt von Bioink und die komplexen und verschiedenen Arten von medizinischen Gewebebehandlungen, die Menschen möglicherweise benötigen. Trotzdem ist die Technologie aufregend und könnte, wie oben erwähnt, in Kürze Millionen von Menschenleben retten. Der zunehmende Wettbewerb im privaten Sektor könnte dazu beitragen, die schnelle Innovation hervorzubringen, die erforderlich ist, um den 3D-Druck rentabel zu machen.

Was denkst du über die Welt des 3D-Bioprintings? Wird diese Technologie die Gesundheitsbranche revolutionieren?


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Bemerkungen:

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