Мазмұны
- Медицинаны 3D принтерлерімен трансформациялау
- 3D принтер қалай жұмыс істейді?
- Құлақ жасау
- Зең мен орман арасындағы айырмашылық
- Басылған құлақтың әлеуетті артықшылықтары
- Төменгі иекті басып шығару
- Протездеу және имплантацияланатын заттар
- Қосымша мысалдар
- Биопринтер тірі жасушалармен: болашақ
- Органдар мен тіндерді ауыстыру
- Биопринтердің кейбір жетістіктері
- Жүрек бөліктерін басып шығару
- Роговица жасау
- Мини органдардың, органоидтардың немесе чиптегі мүшелердің пайдасы
- Өкпені имитациялайтын құрылым
- Биопринтингтің кейбір қиындықтары
- Әдебиеттер тізімі
Линда Крамптон ұзақ жылдар бойы орта мектеп оқушыларына ғылым мен ақпараттық технологияны оқытты. Ол жаңа технологиямен танысқанды ұнатады.
Медицинаны 3D принтерлерімен трансформациялау
3D басып шығару - көптеген пайдалы қосымшалары бар технологияның қызықты аспектісі. 3D принтерлердің қызықты және ықтимал өте маңызды қолданылуының бірі - медицинада қолдануға болатын материалдарды жасау. Бұл материалдар имплантацияланатын медициналық құрылғыларды, жасанды дене бөліктерін немесе протездеуді, сондай-ақ тапсырыс бойынша жасалған медициналық құралдарды қамтиды. Олар сондай-ақ адамның тірі тіндерінің басылған патчтарын, сондай-ақ мини мүшелерін қамтиды. Болашақта имплантацияланатын органдар басып шығарылуы мүмкін.
3D-принтерлерде компьютердің жадында сақталған сандық модель негізінде қатты, көлемді нысандарды басып шығару мүмкіндігі бар. Кәдімгі баспа құралы сұйықтық пластикадан тұрады, ол басып шығарғаннан кейін қатып қалады, бірақ басқа тасымалдаушылар бар. Оларға ұнтақты металл және құрамында тірі жасушалар бар «сиялар» жатады.
Принтерлердің адам ағзасына үйлесімді материалдарды шығару мүмкіндігі тез жақсаруда. Материалдардың бір бөлігі медицинада қолданылады, ал басқалары эксперименттік сатыда. Тергеуге көптеген зерттеушілер қатысады. 3D басып шығару медициналық емдеуді өзгертудің таңқаларлық әлеуетіне ие.
3D принтер қалай жұмыс істейді?
Үш өлшемді нысанды принтер құрудың алғашқы қадамы - объектіні жобалау. Бұл CAD (Computer-Aided Design) бағдарламасында жасалады. Дизайн аяқталғаннан кейін басқа бағдарлама объектіні бірқатар қабаттарда шығаруға арналған нұсқаулар жасайды. Бұл екінші бағдарлама кейде кесу бағдарламасы немесе кескіш бағдарламалық жасақтама ретінде де белгілі, өйткені ол бүкіл объект үшін АЖЖ кодын кесінділердің немесе көлденең қабаттардың кодына айналдырады. Қабаттардың саны жүздеген, тіпті мыңдаған болуы мүмкін.
Принтер объектіні төменгі бөліктен бастап жоғары қарай жұмыс жасай отырып, тілім бағдарламасының нұсқауларына сәйкес материал қабаттарын қою арқылы жасайды. Кезектес қабаттар бір-бірімен біріктірілген. Процесс аддитивті өндіріс деп аталады.
Пластикалық жіптер көбінесе 3D басып шығару құралы ретінде қолданылады, әсіресе тұтынушыларға арналған принтерлерде. Принтер филаментті ерітіп, содан кейін саптамадан ыстық пластикті шығарады. Саптама барлық өлшемдерде қозғалады, өйткені ол зат жасау үшін сұйық пластикті босатады. Саптаманың қозғалысы және экструдталған пластмасса мөлшері кескіш бағдарламамен басқарылады. Ыстық пластик форсункадан шыққаннан кейін бірден дерлік қатып қалады. Баспа құралдарының басқа түрлері арнайы мақсаттар үшін қол жетімді.
Дененің сыртынан көрінетін құлақтың бөлігі пинна немесе жүрекше деп аталады. Құлақтың қалған бөлігі бас сүйекте орналасқан. Пиннаның қызметі - дыбыстық толқындарды жинап, оларды құлақтың келесі бөліміне жіберу.
Құлақ жасау
2013 жылдың ақпанында АҚШ-тағы Корнелл университетінің ғалымдары 3D басып шығарудың көмегімен құлақ пиннасын жасай алдық деп мәлімдеді. Корнелл ғалымдарының келесі қадамдары келесідей болды.
- CAD бағдарламасында құлақтың моделі жасалды. Зерттеушілер осы модельге негіз ретінде нақты құлақтың фотосуреттерін пайдаланды.
- Құлақ моделін 3D принтер басып шығарды, пластмассаны қолданып, құлақтың пішіні бар қалып жасады.
- Коллаген деп аталатын ақуыздан тұратын гидрогель қалыптың ішіне орналастырылды. Гидрогель - құрамында су бар гель.
- Хондроциттер (шеміршек түзетін жасушалар) сиырдың құлағынан алынып, коллагенге қосылды.
- Коллагенді құлақ зертханалық ыдысқа қоректік ерітіндіге салынды. Құлақ ерітіндіде болған кезде, кейбір хондроциттер коллагенді алмастырды.
- Содан кейін құлақ терісінің астына егеуқұйрықтың артқы жағына салынған.
- Үш айдан кейін құлақтағы коллаген шеміршекке толығымен ауыстырылды және құлақ өзінің пішіні мен қоршаған егеуқұйрық жасушаларынан айырмашылығын сақтап қалды.
Зең мен орман арасындағы айырмашылық
Жоғарыда сипатталған құлақ құру процесінде пластикалық құлақ инертті қалып болды. Оның жалғыз қызметі құлақтың дұрыс формасын қамтамасыз ету болды. Пішінде пайда болған коллаген құлағы хондроциттер үшін тірек қызметін атқарды. Тіндік инженерияда тіреуіш - бұл белгілі пішіні бар және онда жасушалар өсетін био-үйлесімді материал. Орган тек дұрыс пішінге ғана емес, сонымен қатар жасушалардың тіршілігін қамтамасыз ететін қасиеттерге ие.
Бастапқы құлақ құрау процесі жүргізілгеннен бері, Корнелл зерттеушілері коллагендік орманды құлақ жасау үшін қажетті формамен басып шығарудың әдісін тауып, пластмассадан жасалған қалыпқа деген қажеттілікті жоққа шығарды.
Басылған құлақтың әлеуетті артықшылықтары
Принтерлердің көмегімен жасалған құлақтар жарақат немесе ауру салдарынан өз құлағынан айырылған адамдарға пайдалы болуы мүмкін. Олар сондай-ақ туа біткен немесе дұрыс дамымаған адамдарға көмектесуі мүмкін.
Қазіргі уақытта құлақты ауыстыру кейде науқастың қабырғасындағы шеміршектен жасалады. Шеміршек алу науқасқа жағымсыз әсер етеді және қабырғаға зақым келтіруі мүмкін. Сонымен қатар, пайда болған құлақ өте табиғи көрінбеуі мүмкін. Құлақ жасанды материалдан да жасалады, бірақ нәтиже тағы да қанағаттанарлық болмауы мүмкін. Басып шығарылған құлақтардың табиғи құлақтарға көбірек ұқсауы және тиімді жұмыс жасау мүмкіндігі бар.
2013 жылы наурызда Oxford Performance Materials деп аталатын компания ер адамның бас сүйегінің 75% -ын басылған полимерлі бас сүйегіне ауыстырғанын хабарлады. Сондай-ақ, 3D-принтерлер протездік аяқ-қолдар, есту аппараттары, тіс импланттары сияқты денсаулық сақтау құралдарын жасау үшін қолданылады.
Төменгі иекті басып шығару
2012 жылдың ақпанында голландиялық ғалымдар 3D принтермен жасанды төменгі жақ құрып, оны 83 жастағы әйелдің бетіне салғанын хабарлады. Жақ титанды металдан жасалған ұнтақ қабаттарынан жасалған, олар биосерамикалық жабынмен жабылған. Биокерамикалық материалдар адам тінімен үйлесімді.
Әйел жасанды жақты өзінің төменгі жақ сүйегінде созылмалы сүйек инфекциясы болғандықтан алған. Дәрігерлер дәстүрлі тұлғаны қалпына келтіру хирургиясы әйел үшін оның жасына байланысты өте қауіпті деп санайды.
Иектің қозғалуы үшін буындары, сонымен қатар бұлшық еттерін бекітуге арналған қуыстар және қан тамырлары мен нервтердің ойықтары болған. Әйел анестезиядан оянған бойда бірнеше сөз айта алды. Келесі күні ол жұтып үлгерді. Төрт күннен кейін ол үйіне кетті. Жалған тістерді жаққа кейінірек қою жоспарланған.
Басып шығарылған құрылымдар медициналық дайындықта және хирургияға дейінгі жоспарлауда қолданылады. Пациенттің медициналық сканерлеуінен жасалған үш өлшемді модель хирургтар үшін өте пайдалы болуы мүмкін, өйткені ол пациенттің ағзасындағы нақты жағдайларды көрсете алады. Бұл күрделі хирургияны жеңілдетуі мүмкін.
Протездеу және имплантацияланатын заттар
Жоғарыда сипатталған металл жақ - протездеудің немесе жасанды дене мүшелерінің бір түрі. Протездеу өндірісі - бұл 3D принтерлерінің маңызы артып отырған бағыт. Қазір кейбір ауруханалардың жеке принтері бар немесе принтері бар медициналық жабдықтау компаниясымен ынтымақтастықта жұмыс істейді.
Протезді 3D басып шығару арқылы жасау әдеттегі өндіріс әдістеріне қарағанда тезірек және арзанырақ процесс болып табылады. Бұған қоса, құрылғы адамға арнайы жасалып, басып шығарылған кезде пациентке арнайы бейімделуді жасау оңайырақ. Аурухананы сканерлеу арқылы арнайы құрылғыларды жасауға болады.
Ауыстырылатын аяқ-қолдар бүгінде, ең болмағанда, әлемнің кейбір бөліктерінде 3D форматында басылып шығады. Басып шығарылған қолдар мен қолдар әдеттегі әдіспен шығарылғаннан гөрі едәуір арзан. Бір 3D баспа компаниясы балаларға арналған түрлі-түсті және көңілді протездік қолдар жасау үшін Уолт Диснеймен жұмыс істейді. Қолжетімді болатын арзан өнімді жасаудан басқа, бұл бастама «балаларға протездеуді ұялу немесе шектеу емес, қозу көзі ретінде қарастыруға көмектесу» мақсатын көздейді.
Қосымша мысалдар
- 2015 жылдың соңында басылған омыртқалар науқасқа сәтті орналастырылды. Пациенттер басылған төс сүйегі мен қабырға төсін алды.
- 3D басып шығару жетілдірілген тіс импланттарын шығару үшін қолданылады.
- Ауыстырылатын жамбас буындары жиі басылады.
- Жақында пациенттің денесіндегі өтудің нақты өлшемі мен формасына сәйкес келетін катетер кең таралуы мүмкін.
- 3D басып шығару көбінесе есту аппараттарын жасауға қатысады.
Биопринтер тірі жасушалармен: болашақ
Тірі жасушалармен басып шығару немесе биопринтерлеу бүгінгі күні болып жатыр. Бұл нәзік процесс. Ұяшықтар қатты қызып кетпеуі керек. 3D басып шығару әдістерінің көпшілігі жасушаларды өлтіретін жоғары температураны қамтиды. Сонымен қатар, жасушаларға арналған сұйықтық тасымалдаушы оларға зиян тигізбеуі керек. Құрамындағы сұйықтық пен жасушалар био-сия (немесе биоинк) деп аталады.
Органдар мен тіндерді ауыстыру
Зақымдалған мүшелерді 3D принтерлерден жасалған мүшелермен ауыстыру медицинада керемет төңкеріс болар еді. Қазіргі уақытта көмекке мұқтаж барлық адамдар үшін қол жетімді органдар жоқ.
Жоспар - пациенттің өз денесінен жасушаларды алу, олар қажет органды басып шығару. Бұл процесс органдардың қабылдамауына жол бермеуі керек. Жасушалар, мүмкін, дұрыс қоздырылған кезде басқа жасуша түрлерін шығаруға қабілетті мамандандырылмаған жасушалар болатын бағаналы жасушалар болуы мүмкін. Әр түрлі ұяшық типтерін принтер дұрыс тәртіпте сақтайтын болады. Зерттеушілер адамның жасушаларының, ең болмағанда, кейбір түрлерінің шөгінділер кезінде өзін-өзі ұйымдастырудың керемет қабілеті бар екенін анықтайды, бұл орган құру процесінде өте пайдалы болар еді.
Биопринтер деп аталатын 3D-принтердің ерекше түрі тірі ұлпаларды жасау үшін қолданылады. Тіндерді жасаудың кең тараған әдісінде гидрогель баспалдақтың бір басынан басылып, тіреуішті құрайды. Әрқайсысында мыңдаған ұяшықтар бар ұсақ сұйық тамшылар басқа принтердің бастарынан тіреуішке басып шығарылады. Көп ұзамай тамшылар қосылып, жасушалар бір-біріне жабысып қалады. Қажетті құрылым пайда болған кезде, гидрогель тірегі алынып тасталады.Мүмкін, оны қабығынан алып тастауға немесе суда еритін болса жууға болады. Сондай-ақ биологиялық ыдырайтын ормандарды қолдануға болады. Бұлар тірі дененің ішінде біртіндеп ыдырайды.
Медицинада трансплантация - бұл ағзаның немесе тіннің донордан реципиентке ауысуы. Имплант дегеніміз - пациенттің денесіне жасанды қондырғыны енгізу. 3 өлшемді биопринтерлеу осы екі экстремалдың арасына түседі. «Трансплантация» және «имплант» биопринтер шығаратын заттарға қатысты қолданылады.
Биопринтердің кейбір жетістіктері
Адамдарда қазірдің өзінде 3D принтерлер жасаған тірі емес имплантаттар мен протездеу қолданылады. Тірі жасушалары бар имплантанттарды қолдану көп зерттеулерді қажет етеді, ол жүргізіліп жатыр. Барлық органдарды 3D басып шығару арқылы жасау мүмкін емес, бірақ органдардың бөлімдері жасай алады. Көптеген әртүрлі құрылымдар, соның ішінде соғуға қабілетті жүрек бұлшықеттері, тері жамылғылары, қан тамырлары сегменттері және тізе шеміршектері басып шығарылды. Бұлар әлі адамға сіңірілмеген. 2017 жылы ғалымдар имплантация үшін адамның терісін жасай алатын принтердің прототипін ұсынды, алайда 2018 жылы басқа ғалымдар көздің зақымдануын қалпына келтіру үшін қолданылуы мүмкін роговиктерді басып шығарды.
2016 жылы үміт күттіретін жаңалықтар туралы хабарланды. Ғалымдар тобы биопринттелген құрылымдардың үш түрін тышқандардың терісіне имплантациялады. Оларға баланың өлшеміндегі адам құлағының пиннасы, бұлшықет бөлігі және адамның жақ сүйегінің бөлігі кірді. Тышқандар денесінде болған кезде айналадағы қан тамырлары осы құрылымдардың барлығына таралды. Бұл өте қызықты оқиға болды, өйткені тіндердің тіршілігін сақтау үшін қанмен қамтамасыз ету қажет. Қан қоректік заттарды тірі ұлпаларға жеткізіп, олардың қалдықтарын алып кетеді.
Сондай-ақ, имплантацияланған құрылымдардың қан тамырлары дамығанға дейін тіршілік ете алатындығын атап өту өте қызықты болды. Бұл ерлік құрылымдарда қоректік заттардың енуіне мүмкіндік беретін ұсақ тесіктердің болуымен жүзеге асты.
Жүрек бөліктерін басып шығару
Роговица жасау
Ұлыбританиядағы Ньюкасл Университетінің ғалымдары 3 өлшемді баспа қабықтарын жасады. Роговица - бұл біздің көзіміздің мөлдір, сыртқы жабыны. Бұл жабынның елеулі зақымдануы соқырлықты тудыруы мүмкін. Роговицы трансплантациясы көбінесе мәселені шешеді, бірақ мұқтаждардың барлығына көмектесетін мүйіз қабығы жеткіліксіз.
Ғалымдар адамның сау қабығынан дің жасушаларын алды. Содан кейін жасушалар альгинат пен коллагеннен жасалған гельге орналастырылды. Принтердің бір шүмегімен өтіп бара жатқанда, гель жасушаларды қорғады. Гель мен ұяшықтарды дұрыс пішінде басып шығару үшін он минуттан аз уақыт қажет болды. Пішін адамның көзін сканерлеу арқылы алынған. (Медициналық жағдайда пациенттің көзі сканерленетін еді.) Гель мен жасуша қоспасы басылғаннан кейін, дің жасушаларында толық қабық пайда болды.
Басып шығару процесінде жасалған роговица әлі күнге дейін адамның көзіне салынбаған. Оларға дейін біраз уақыт болуы мүмкін. Алайда олардың көптеген адамдарға көмектесу мүмкіндігі бар.
Адам денесінің белгілі бір бөлігін дұрыс уақытта жасау үшін қажетті мамандандырылған жасушаларды жасау үшін бағаналы жасушаларды ынталандыру өз алдына бір мәселе. Алайда бұл бізге керемет пайда әкелуі мүмкін процесс.
Мини органдардың, органоидтардың немесе чиптегі мүшелердің пайдасы
Ғалымдар мини органдарды 3D басып шығару арқылы (және басқа әдістермен) жасай алды. «Мини органдар» дегеніміз - бұл органдардың миниатюралық нұсқалары, органдар бөлімдері немесе белгілі бір органдардан шыққан тіндік дақтар. Олар мини орган терминінен басқа әр түрлі атаулармен аталады. Басылған туындыларда толық өлшемді органда кездесетін құрылымның кез-келген түрі болмауы мүмкін, бірақ олар жақсы жуықтаулар болып табылады. Зерттеулер олардың имплантацияланбағанына қарамастан, маңызды қолданылуы мүмкін екенін көрсетеді.
Мини органдар әрдайым кездейсоқ донор жеткізетін жасушалардан жасалмайды. Оның орнына олар көбінесе ауруы бар адамның жасушаларынан жасалады. Зерттеушілер дәрі-дәрмектердің мини органға әсерін тексере алады. Егер дәрі-дәрмектің пайдалы және зиянсыз екендігі анықталса, оны науқасқа беруі мүмкін. Бұл процестің бірнеше артықшылығы бар. Біреуі - пациенттің аурудың нақты нұсқасы үшін және олардың геномы үшін пайдалы болуы мүмкін дәрі-дәрмектерді қолдануға болады, бұл табысты емдеу ықтималдығын арттырады. Тағы біреуі - дәрігерлер пациентке әдеттен тыс немесе әдеттегідей қымбат тұратын дәрі-дәрмектерді ала алады, егер олар дәрі-дәрмектің тиімді болатындығын көрсете алса. Сонымен қатар, дәрі-дәрмектерді мини мүшелерде тексеру зертханалық жануарларға деген қажеттілікті төмендетуі мүмкін.
Өкпені имитациялайтын құрылым
2019 жылы Райс университеті мен Вашингтон университетінің ғалымдары адамның өкпесін іс-әрекетке еліктейтін мини орган құруды көрсетті. Шағын өкпе гидрогельден жасалған. Оның құрамында кішкене өкпе тәрізді құрылым бар, ол белгілі бір уақыт аралығында ауамен толтырылған. Құрылымды қанмен толтырылған тамырлар жүйесі қоршап тұр.
Стимуляцияланған кезде имитацияланған өкпе және оның тамырлары ырғақты түрде кеңейіп, қысылады. Бейнеде құрылымның қалай жұмыс істейтіні көрсетілген. Органоид толық көлемде болмаса да, адамның өкпесіндегі барлық тіндерді имитацияламаса да, оның өкпе тәрізді қозғалу қабілеті өте маңызды.
Биопринтингтің кейбір қиындықтары
Имплантациялауға жарамды органды құру қиын мәселе. Орган - бұл белгілі бір қалыпта орналасқан әр түрлі жасуша типтері мен ұлпаларын қамтитын күрделі құрылым. Сонымен қатар, эмбрионалды даму кезінде органдар дамып келе жатқанда, олардың жақсы құрылымы мен күрделі мінез-құлқының дұрыс дамуына мүмкіндік беретін химиялық сигналдар түседі. Біз органды жасанды түрде құруға тырысқанда, бұл сигналдар жетіспейді.
Кейбір ғалымдар, алдымен, мүмкін, біраз уақыттан кейін біз барлық функциялардың орнына органның бір функциясын орындай алатын имплантацияланатын құрылымдарды басып шығарамыз деп ойлайды. Бұл қарапайым құрылымдар ағзадағы елеулі ақауларды өтейтін болса, өте пайдалы болуы мүмкін.
Имплантантқа биопринтерленген органдар қол жетімді болатынына бірнеше жыл болғанымен, біз оған технологияның жаңа артықшылықтарын көре аламыз. Зерттеу қарқыны артып келе жатқан сияқты. Медицинаға қатысты 3D басып шығарудың болашағы өте қызықты және қызықты болуы керек.
Әдебиеттер тізімі
- Смитсон журналынан алынған 3D принтер мен тірі шеміршек жасушалары жасаған жасанды құлақ.
- Би-би-си (Британдық хабар тарату корпорациясы) 3D принтері жасаған жақ трансплантациялау.
- Американдық механикалық инженерлер қоғамының түрлі-түсті 3D баспа қолдары
- Биопринтер Guardian-дан трансплантациялау үшін арнайы зертханада өсірілген дене мүшелерін жасайды
- EurekAlert жаңалықтар қызметінен алғашқы 3D-басып шығарылған адамның мүйіз қабығы
- 3D принтер New Scientist-тен адамның ең кішкентай бауырын жасайды
- Mini 3D баспа органдары New Scientist-тің соғып тұрған жүрегі мен бауырын имитациялайды
- Popular Механикадан өкпені имитациялайтын орган
- Жаңа 3D принтері Science Alert-тен тірі жасушалардан құлақ, бұлшықет және сүйек тіндерін жасайды
- Phys.org жаңа сервисінен адам терісін басып шығаруға арналған 3-өлшемді биопринтер
Бұл мақала автордың біліміне сай дәл және шынайы. Мазмұн тек ақпараттық немесе ойын-сауық мақсаттарына арналған және іскери, қаржылық, заңгерлік немесе техникалық мәселелерде жеке кеңес немесе кәсіби кеңес алмастырмайды.
