Þrívíddarprentun er nú þegar notuð til þess að framleiða allt frá einföldum plast fígúrum til flókinna flugvélahluta úr málmi. En líklega er mikilvægasta stökk tækninnar hvað notkun í læknisfræðilegum tilgangi hefur þróast ört og mun að öllum líkindum gjörbylta heilbrigðisgeiranum. Nú þegar er hægt nota þrívíða prentun við gerð gervilima, ígræðslna og anatómískra líkana. Þrívíð prentun mun veita vísindamönnum mikið frelsi til þess að hanna sérsniðinn læknisfræðilegan búnað (Lee Ventola, 2014). Í þessari grein verður fjallað um tvo stærstu þætti þrívíddaprentunar í heilbrigðisgeiranum, gervilimi og líffæraprentun.

Gervilimir
Á síðustu árum hefur þróun á gervilimum lofað góðu með tilkomu þrívíddar prentunar. Með tilkomu þrívíðrar pentunnar hafa möguleikar á hönnun og gerð gervilima tekið stórt stökk fram á við. Síðustu ár hefur þróun hagnýtra gervilima náð mikilli fjölbreytni. Áður en þrívíð prentun kom til sögunar var gerð þeirra afar tímafrek og kostnaðarsöm. Þróun gervilima skiptist aðallega upp í tvennt, annarsvegar handagervilima og hinsvegar fótagervilima.

Fyrir tilvist þrívíddarprentunar kostnaði gervihandalima í kring um 40 þúsund dollarar (u.þ.b. 5 milljónir ISK) en með þessari nýju tækni hafa fyrirtæki eins og Open Bionics boðið upp á gervilimi fyrir 3 þúsund dollara (u.þ.b. 380 þúsund ISK). Þetta er byltingarkennd breyting til hagsbóta fyrir þá sem þarfnast gervilima. Við gerð gervihanda er markmiðið að gera liminn sem hagnýtastan svo hann nýtist sem best við daglegt líf (Nayar, 2015). Vélstýrðir gervihandalimir skynja hreyfingar vöðva og þannig er þeim stýrt.

Til viðbótar við þrívíddar prentara hafa þrívíddar skannar hjálpað mikið til við þróun gervilima. Sem dæmi er verkfræðingurinn Joel Gibbard, stofnandi Open Bionics, að þróa vélstýrðan gervihandalim fyrir einhentan einstakling. Með því að skanna höndina og nota síðan það líkan til að útbúa gervihandalim sem passar fullkomlega á einstaklinginn. Það tók aðeins 40 klukkustundir að prenta nýja liminn.

Þessi þróun opnar fólki sem þarf á gervilimum að halda nýja möguleika sem það hafði ekki áður vegna kostnaðar („3D printed bionic“, 2014). Þetta eru einstök framför sem er að eiga sér stað og gefur tilefni til mikillar bjartsýni. Sem dæmi fékk 6 ára drengur, Alex Pring, gefins sinn fyrsta gervihandalim frá útskriftarnemum University of Central Florida en þeir notuðu þrívíddarprentara til að búa handlegginn til. Fjölskylda drengsins hafði ekki efni á því að kaupa gervilim á 40 þúsund dollara en háskólanemarnir gátu framleitt gerviliminn á ekki nema 350 dollara (Warren, 2014). Margar stofnanir eru að gefa hönnunina á gervilimum svo fólk geti sjálft útbúið sér gervilimi með þrívíddarprentara.

Þróun gervifóta er ekki jafn langt komin og gervihanda en þar eru menn að kljást við allt aðrar hindranir. Gervifætur þurfa aðallega að geta þolað þunga og einnig er tenging gervifótarins við útliminn sjálfan mjög mikilvægur þáttur í hönnunarferlinu. Gervifótur er tengdur stubbnum með sérsniðnum hólk sem er mótaður eftir honum. Framfarir við þróun gervifóta hafa verið mestar við gerð hólksins en áður fyrr var hann úr fastmótuðu plasti sem gat verið óþægilegt fyrir sjúklinginn og erfitt að festa.

Nýlega þróaði fyrirtækið LIM Innvonations nýjan hólk. Hólkurinn heitir Infinite Socket sem er úr fjórum koltrefjatindum úr varmaplasti (e. thermoplastic carbon fiber struts) sem eru tengdir við liðamót hnés. Á botni hólksins er púði úr mjúkum svamp sem veitir aukin þægindi við að halda uppi líkamsþunganum og á efri hluta hólksins eru svo belti sem notuð eru til þess að herða hann að lærleggnum. Beltið þarf að vera sérstaklega vel hannað þar sem stærð útlima getur breyst um allt að 5% yfir daginn. Nær allir hlutar hólksins frá Infinite Socket eru prentaðir með þrívíddarprentara.

LIM hefur einnig fundið leið til þess þróa þessa hólka á einfaldan máta og á viðráðanlegu verði nokkuð sem hefur ekki verið hægt að gera áður. 3D skönnun gerir þeim kleift að þróa sérhannaða hólka fyrir hvern einstakling sem gerir þróunarferlið mun einfaldara („3D printing proves to“, 2014). Infinite Socket er fyrsti gervifótalimurinn með stillanlegum hólki og var hönnunin að veruleika með með hjálp þrívíddar skanna og prentara. Gervilimurinn hefur fengið hrós frá notendum og næsta skref fyrirtækisins er fá með sér samstarfsaðila í klínískum rannsóknum sem eru tilbúnir að bjóða sjúklingum upp á að nota þessa nýju vöru (Kinney, 2014).

Líffæraprentun

Eins og komið hefur fram hér á undan getur 3D prentari prentað hluti af ýmsum gerðum eins og plasti og málmi en einnig úr lifandi frumum. Vísindamenn sem nota þrívíða prentun hafa náð góðum árangri við prentun gervilima og annarra líffæra eins og til dæmis eyra. Þeir hafa þó enn ekki náð að þróa leið til þess að prenta fullkomin líffæri og líkamsvefi. Stærsti þröskuldur líffæraprentunar er að það reynist mjög krefjandi að prenta út mjúk efni eða efni sem bera sig ekki sjálf.

Lífprentun (e. bioprinting) er það þegar vefir og líffæri eru prentuð í þrívídd með lifandi frumum og prótínum sem líkaminn notar við smíði, eins og kollagen, fíbrín og alginate. Í lífprentun er nokkurskonar hlaup notað til þess að prenta út mjúkar inngræðslur til þess að gera við eða skipta út sködduðum líffærum. Aðferðin er ekki beint ný og er heldur ekki fullkomlega þróuð en hún er næsta skref í áttin að líffæraprentun.

Nýjasta tækni lífprentunar kallast FRESH eða “Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels”. Hún virkar þannig að prentað er ofan í baði af gelvökva. Þá er gel prentað inn í öðru geli. Þetta hjálpar vísindamönnum að staðsetja nákvæmlega mjúka efnið á meðan að prentun stendur þó það sé ekki sjálfberandi. Þetta gerir vísindamönnum kleift að byggja stoðir eða mót fyrir vefjahönnun. Þannig er hægt að gera flókin líkön sem gerir það að verkum að líkönin líkjast betur raunverulegum vefjum og líffærum líkamans.
Með læknisfræðilegum myndgreiningargögnum gátu rannsóknarmenn notað þessa nýju tækni til þess að prenta einföld líkön að líffræðilega réttum líkamshlutum. Líkönin eru búin til úr ýmsum líffræðilegum efnum, svo sem kollagen sem er stuðningsprótín í sinum og liðböndum. Tilraunarlíkönin sem voru prentuð voru t.d. lærleggur, kransæð, fimm daga gamalt hjarta úr fósturvísi kjúklings og heilabörkur.

Með FRESH aðferðinni er auðvelt að bræða burt aðhaldsgelið sem umlykur líkanið með því að hita það upp að líkamshita. Líkanið, sem búið er til úr líffræðilegum sameindum eða lifandi frumum, skaðast ekki við upphitunina og er því aðferðin örugg.

Þó svo FRESH aðferðin sé komin langt á veg hafa vísindamenn ekki enn lífprentað líffæri en það gæti tekið margra ára rannsóknarvinnu að komast á þann stað (Charles, 2015).

Tilraunir á dýrum

Lífprentun getur ekki einungis bjargað mannslífum heldur mun hún einnig hafa áhrif á fjölmörgum öðrum sviðum svo sem tilraunum á dýrum. Tilraunir á dýrum er vandamál og afar viðkvæmt málefni. Snyrtivöruframleiðendur um allan heim prufa vörur sínar á dýrum sem sumum þykir dýraníð. Með tilkomu lífprentunar á húð gæti vandamálið verið úr sögunni.

Snyrtivörufyrirtækið L’Oreal staðfestu á árinu að þau ætla að byrja að 3D prenta húð og vefi. L’Oreal er í samstarfi við sprotafyrirtækið Organovo. Organovo sérhæfir sig í lífprentun vefja fyrir lifra- og nýrnaígræðslur. Samstarf fyrirtækjanna mun fyrst og fremst ganga út á það að prenta húðvefi sem notaðir verða fyrir tilraunir á snyrtivörum. L’Oreal er með um það bil 60 vísindamenn í vinnu við að rækta meira en 100.000 húðsýni á ári. L’Oreal stefnir að því að koma sér upp sjálfvirka húðframleiðslu á næstu fimm árum. L’Oreal mun eiga allan rétt á 3D prentaðri húð sem þróuð er með Organovo og notuð verður fyrir húðvörur. Þetta mun gjörbylta rannsóknum snyrtivöruframleiðenda og bjarga mörgum dýrum frá því að þjást á rannsóknarstofum (Johnson, 2015).

Möguleikarnir sem þrívíð prentun býður upp á eru ótrúlegir og verður spennandi að fylgjast með framtíð þessarar tækni.

Höfundar: Kristín Laufey Hjaltadóttir og Sigríður Hrafnsdóttir, nemendur við Háskólann í Reykjavík

Heimildir:

Charles, Q.(2015, 23. október). Organs on Demand? 3D Printers Could Build Hearts, Arteries. Live Science . Sótt 23. ágúst 2015 af http://www.livescience.com/52571-3d-printers-could-build-organs.html
Johnson, L. (2015, 19. maí). L’Oreal to start 3D printing human skin for clinical testing. Trusted Reviews. Sótt 23. ágúst 2015 af http://www.trustedreviews.com/news/l-oreal-to-start-3d-printing-human-skin-for-clinical-testing
Kinney, C. (2014, 30. október). LIM Innovations Looks to Finally Take Prosthetic Legs
Into the 21st Century. Chip Chick . Sótt 23. ágúst 2015 af http://www.chipchick.com/2014-10-lim-innovations-looks-finally-take-prosthetic-legs-21st-century.php
Lee Ventola, C.(2014). Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected
Uses. NCBI . Sótt 23. ágúst 2015 af http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4189697/
Nayar, V. (2015, 25. ágúst). Open Bionics Is Developing A Cheap 3D-Printed
Prosthetic Arm. Tech Times . Sótt 23. ágúst 2015 af http://www.techtimes.com/articles/79273/20150825/open-bionics-3d-printing-prost
hetic-arm-indiegogo.htm
Petronzio, M. (2013, 28. mars). How 3D Printing Actually Works. Mashable . Sótt 23. ágúst 2015 af http://mashable.com/2013/03/28/3d-printing-explained/#dDXaMnZd8iqq
Warren, L. (2014, 28. júlí). Students use 3D printer to make $350 limb for boy, 6, born without an arm after doctors say it'll cost $40,000. Daily Mail . Sótt 23. ágúst 2015 af http://www.dailymail.co.uk/news/article-2708756/Students-use-3D-printer-make-350-limb-boy-6-born-without-arm-doctors-say-itll-cost-40-000.html
3D printed bionic hand fits perfectly well. (2014). 3D Printing from scratch . Sótt 23. ágúst 2015 af http://3dprintingfromscratch.com/2014/11/3d-printed-bionic-hand-fits-perfectly-well/
3D printing proves to be effective to produce prosthetic legs. (2014). 3D Printing from scratch . Sótt 23. ágúst 2015 af
http://3dprintingfromscratch.com/2014/11/3d-printing-proves-to-be-effective-to-produce-prosthetic-legs/

Myndir fengnar af:

http://www.trustedreviews.com/news/l-oreal-to-start-3d-printing-human-skin-for-clinical-testing