เทคโนโลยี 3D

โลกนิยายวิทยาศาสตร์ของอวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติ

โลกนิยายวิทยาศาสตร์ของอวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติ

กลับมาอีกครั้งด้วยการพิมพ์สามมิติ ดังที่เราได้กล่าวไว้ในบทความก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการผลิตแบบเติมแต่งการพิมพ์ 3 มิติจะส่งผลกระทบต่ออุตสาหกรรมหลัก ๆ ทั่วโลกรวมถึงการดูแลสุขภาพ เราได้เห็นแล้วว่าการพิมพ์ 3 มิติมีประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพอย่างไรจากการแพร่ระบาดของไวรัสโคโรนาเมื่อเร็ว ๆ นี้

บริษัท การพิมพ์ 3 มิติชั้นนำเช่น Carbon, Prusa Research และ Formlabs กำลังพิมพ์แผ่นป้องกันใบหน้าหน้ากากและเครื่องมือโรงพยาบาลที่สำคัญสำหรับบุคลากรทางการแพทย์ ชุมชนการพิมพ์สามมิติโดยรวมทำงานอย่างหนักเพื่อลดความกดดันในห่วงโซ่อุปทานและรัฐบาล

การพิมพ์ 3 มิติถือเป็นคำมั่นสัญญาในการเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพเพื่อให้ผู้ป่วยได้รับสิ่งต่างๆที่ดีขึ้นเช่นยาที่ฉลาดขึ้นและขาเทียมที่ปรับแต่งได้มากเกินไป อย่างไรก็ตามเช่นเดียวกับบางเรื่องจากภาพยนตร์เรื่อง Dark Man ในปี 1990 อาจกลายเป็นเรื่องธรรมดาที่แพทย์จะพิมพ์อวัยวะเพื่อรักษาผู้ป่วย ในความเป็นจริงมันเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นแล้ว นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยชั้นนำหลายแห่งได้พิมพ์อวัยวะของมนุษย์ที่ทำงานหลักแบบ 3 มิติ ปัจจุบันทั่วโลกและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสหรัฐอเมริกาการขาดแคลนอวัยวะเป็นปัญหาด้านสุขภาพที่เพิ่มมากขึ้น

อวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยชีวิตผู้คนได้

เนื่องจากมีความต้องการอวัยวะอย่างมากจึงมีการประมาณการว่า900,000 การเสียชีวิตในแต่ละปีสามารถป้องกันได้โดยใช้อวัยวะที่ออกแบบ ปัจจุบันในสหรัฐอเมริกามี 113,000 ผู้ชายผู้หญิงและเด็กที่อยู่ในรายชื่อรอการปลูกถ่ายแห่งชาติ ณ เดือนกรกฎาคม 2019 น่าเศร้าที่โดยเฉลี่ยมีผู้เสียชีวิต 20 คน ในแต่ละวันรอการปลูกถ่ายในขณะที่ทุกๆ 10 นาทีจะมีคนใหม่เข้ามาในรายชื่อผู้รอ อวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติเป็นทางออกที่ทำงานได้ ยิ่งไปกว่านั้นอวัยวะที่ได้รับการออกแบบเหล่านี้ยังไปไกลกว่าประโยชน์ในทางปฏิบัติเนื่องจากอวัยวะที่ออกแบบใหม่เหล่านี้มีความคุ้มทุนมาก

ตัวอย่างเช่นตาม National Foundation for Transplants การปลูกถ่ายไตแบบมาตรฐานอาจมีค่าใช้จ่ายโดยเฉลี่ยสูงกว่า $300,000ในขณะที่เครื่องพิมพ์ไบโอปรินเตอร์ 3 มิติซึ่งเป็นเครื่องพิมพ์ที่ใช้สร้างอวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติมีราคาเพียงเล็กน้อย $10,000 โดยคาดว่าค่าใช้จ่ายจะลดลงเนื่องจากเทคโนโลยีมีการพัฒนาในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ผู้เชี่ยวชาญด้านการแพทย์และนักวิจัยต่างตื่นเต้นกับยุคของอวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติที่กำลังจะมาถึง

วันนี้เราจะมาสำรวจเพิ่มเติมถึงผลกระทบของการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติความท้าทายประโยชน์และปัญหาที่อาจเกิดขึ้นของผลิตภัณฑ์ใหม่ที่ปฏิวัติวงการนี้ ในอีกสองสามปีข้างหน้าความต้องการพิมพ์ไบโอพรินต์คาดว่าจะเพิ่มขึ้นเท่านั้น

พื้นฐาน: 3D Bioprinting คืออะไร?

คุณอาจได้ยินกระบวนการของอวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติซึ่งอธิบายว่าเป็นการพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิติโดยผลิตภัณฑ์สุดท้าย (อวัยวะ) ถูกเรียกว่าอวัยวะที่ออกแบบ กล่าวโดยย่อคือกระบวนการ Bioprinting คล้ายกับกระบวนการผลิตแบบเติมแต่งหลายอย่างที่คุณคุ้นเคย อย่างไรก็ตามในกรณีนี้การผลิตสารเติมแต่งกระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการรวมเซลล์และปัจจัยการเจริญเติบโตเพื่อสร้างโครงสร้างคล้ายเนื้อเยื่อและในที่สุดอวัยวะ นึกถึงเครื่องพิมพ์ FDM มาตรฐานของคุณ มีโอกาสที่คุณจะมีหนึ่งเครื่องบนเดสก์ท็อปของคุณในขณะนี้หรือได้เห็นการใช้งานจริง กระบวนการคล้ายกันมาก

เมื่อคุณต้องการพิมพ์ 3D สิ่งแรกที่คุณต้องทำคือสร้างแบบจำลองดิจิทัลซึ่งจะพิมพ์เป็นวัตถุ 3 มิติทางกายภาพโดยใช้เทอร์โมพลาสติกทีละชั้น Bioprinting ทำงานในทำนองเดียวกันโดยนักวิจัยได้สร้างแบบจำลองของเนื้อเยื่อที่ต้องการสร้างตามด้วยขั้นตอนการพิมพ์ซึ่งเป็นวัตถุขั้นสุดท้ายทีละชั้น อย่างไรก็ตามเนื่องจากเครื่องพิมพ์ใช้เซลล์ที่ปราศจากเชื้อความละเอียดของการพิมพ์ (ความสูงของเลเยอร์) และโครงสร้างเมทริกซ์จึงจำเป็นต้องเตรียมให้เหมาะสมสำหรับการพิมพ์

การแยกย่อยออกไปให้ใกล้เคียงกับการพิมพ์ SLA ก่อนและหลังการผลิตมีขั้นตอนเฉพาะที่นักวิจัยดำเนินการเพื่อให้แน่ใจว่าอวัยวะต่างๆได้รับการพิมพ์อย่างถูกต้อง ก่อนอื่นในช่วงก่อนการผลิตแพทย์ผู้เชี่ยวชาญจะสร้างแบบจำลองดิจิทัลสำหรับการพิมพ์โดยใช้เทคโนโลยีเช่นการสแกนเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์และการสแกนภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก จากนั้นเครื่องพิมพ์จะถูกเตรียมและฆ่าเชื้อก่อนการพิมพ์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการมีชีวิตของเซลล์

จากนั้นโมเดลจะถูกส่งไปยังเครื่องพิมพ์ แทนที่จะใช้เทอร์โมพลาสติกนักวิจัยใช้ไบโอลิงค์เพื่อพิมพ์โครงสร้างของพวกเขา หมึก Bioink ถูกอัดขึ้นมาทีละชั้นโดยมีความหนาเฉลี่ยประมาณ 0.5 มม. หรือน้อยกว่า แต่เช่นเดียวกับฟิลาเมนต์ไบโอลิงค์จะอยู่ในตลับเครื่องพิมพ์และใช้ในการสร้างแบบจำลอง 3 มิติทางกายภาพ สุดท้ายในระหว่างขั้นตอนหลังการผลิตหลังจากการพิมพ์เสร็จสิ้นนักวิจัยจะกระตุ้นชิ้นส่วนทั้งทางกลไกและทางเคมีเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสร้างโครงสร้างที่มั่นคง กระบวนการแข็งตัวของอวัยวะมักได้รับความช่วยเหลือจากแสง UV สารเคมีเฉพาะหรือแม้กระทั่งความร้อนในบางครั้ง

Bioink คือ“ เส้นใย” ที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ไบโอลิงค์

ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว Bioink ถูกใช้เพื่อสร้างเนื้อเยื่อเทียมที่จำลองขึ้นในระหว่างกระบวนการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ คุณสมบัติที่แตกต่างกันหลายประการทำให้ Bioink สมบูรณ์แบบสำหรับงานที่แม่นยำในมือ เมื่อตรวจสอบเพิ่มเติมคุณจะทราบว่าไบโอลิงค์นี้ประกอบด้วยเซลล์และสารพาหะซึ่งโดยปกติจะเป็นเจลไบโอโพลิเมอร์

แม้ว่าไบโอลิงค์สามารถสร้างขึ้นจากเซลล์ได้อย่างสมบูรณ์ แต่เจลไบโอพอลิเมอร์นี้ก็มีความจำเป็นในการยึดเซลล์ให้เข้าที่ช่วยให้เซลล์เหล่านี้เติบโตแพร่กระจายและเพิ่มจำนวนมากขึ้นปกป้องเซลล์ในระหว่างกระบวนการพิมพ์ 3 มิติ หากไม่มีเจลไบโอโพลิเมอร์นี้กระบวนการของเนื้อเยื่อการพิมพ์ 3 มิติจะยากขึ้นมาก

เมื่อพิมพ์โดยใช้เครื่องพิมพ์ FDM หัวฉีดที่ใช้สำหรับกระบวนการพิมพ์จะถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อหลอมพลาสติกและสร้างชิ้นส่วนที่ต้องการ เมื่อใช้ไบโอปรินเตอร์ 3 มิติกระบวนการจะเหมือนกันและเน้นย้ำความสำคัญของพอลิเมอร์อีกครั้ง เมื่อไบโอลิงค์ผ่านหัวฉีดของเครื่องพิมพ์ความร้อนจะต้องไม่ "ปรุง" เซลล์

เจลไบโอพอลิเมอร์ช่วยไม่ให้เซลล์ร้อนเกินไปในระหว่างกระบวนการพิมพ์ ยิ่งไปกว่านั้นในระหว่างกระบวนการเดียวกันนี้คุณสมบัติความยืดหยุ่นของเจลจะช่วยป้องกันไม่ให้เซลล์เสียหายในระหว่างกระบวนการอัดขึ้นรูปออกจากหัวฉีดระหว่างการพิมพ์

ตอนนี้หากคุณสงสัยว่ามีอะไรอีกบ้างที่คุณอาจพบในซุปมินิเซลลูลาร์ของไบโอลิงค์วันนี้คุณโชคดี ตามที่ทีมงานของ All3DP กล่าวไว้ว่า“ ... ไบโอลิงค์อาศัยการรวมกันของโพลีเมอร์หลายชนิดเพื่อให้ได้พื้นกลางบางประเภทที่คำนึงถึงข้อ จำกัด ทางเคมีกายภาพและชีวภาพ” โดยปกติ Bioink อาจรวมถึงอะไรก็ได้ตั้งแต่กรดไฮยาลูโรนิกไปจนถึงคอลลาเจนอัลจิเนตเซลลูโลสและแม้แต่ไหม

คนมีอวัยวะที่พิมพ์ 3 มิติหรือยัง?

คำตอบสั้น ๆ ใช่ ย้อนกลับไปในปี 2560 ทีมวิศวกรจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโปฮังได้พัฒนาและพิมพ์ 3 มิติสิ่งที่พวกเขาขนานนามว่า "หลอดเลือดชีวภาพ" โดยใช้วัสดุจากร่างกายมนุษย์เป็นแม่แบบสำหรับกระบวนการ หลอดเลือดทำงานได้อย่างสวยงามโดยไม่มีปัญหาเลย ในขณะที่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดเพียงหนึ่งปีก่อนหน้านี้ได้พัฒนาไบโอลิงค์ชนิดใหม่สำหรับไตโดยเฉพาะทำให้ทีมนักวิจัยสามารถสร้างส่วนที่สำคัญของไตได้

ในขณะที่ทีมงานจาก Organovo ซึ่งเป็น บริษัท เริ่มต้นการพิมพ์ไบโอพรินต์ในซานดิเอโกได้แสดงให้เห็นแล้วว่าสามารถพิมพ์แผ่นแปะตับของมนุษย์และฝังเข้าไปในหนูได้ อย่างไรก็ตามเป้าหมายของทีม Organovo ไม่ได้หยุดเพียงแค่นั้น ดังที่ได้กล่าวไว้ในเว็บไซต์ของพวกเขาว่า“ เรากำลังบุกเบิกชุดความสามารถในการทำโปรไฟล์การรักษาและยาที่ไม่เหมือนใครโดยอาศัยความสามารถในการปฏิวัติของเราในการพิมพ์เนื้อเยื่อชีวภาพ 3D sd ซึ่งเลียนแบบลักษณะสำคัญของชีววิทยาและโรคของมนุษย์ เรามุ่งมั่นที่จะเปลี่ยนโฉมหน้าของการแพทย์ด้วยการพัฒนาทางคลินิกของการบำบัดด้วยยาปฏิรูปเพื่อรักษาโรคและโดยการเปิดใช้งานการค้นพบยาที่แปลได้”

การทดลองในมนุษย์สำหรับการปลูกถ่ายตับอาจเริ่มได้ในต้นปีนี้ ความคิดในการพิมพ์อวัยวะของมนุษย์ไม่ใช่แนวคิดในนิยายวิทยาศาสตร์อีกต่อไป นักวิจัยจาก บริษัท เอกชนและมหาวิทยาลัยชั้นนำได้พิมพ์หูปอดและแม้กระทั่งหัวใจ

เทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ

ใช่มีความพยายามที่ประสบความสำเร็จหลายครั้งในการสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะที่ออกแบบมา อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีนี้ยังมีหนทางที่จะต้องดำเนินการก่อนที่จะนำไปปรับใช้ในโรงพยาบาลใกล้บ้านคุณ มีอุปสรรคที่ชัดเจนบางอย่างที่เราต้องเอาชนะ

ประการแรกการพิมพ์ทางชีวภาพจะต้องเร็วขึ้นและสามารถผลิตเนื้อเยื่อที่มีความละเอียดสูงขึ้นได้ ความสามารถในการพิมพ์อวัยวะ 3 มิติภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงหรือหลายนาทีอาจทำให้การพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิติเป็นที่น่าสนใจในเชิงพาณิชย์มากขึ้น ในขณะที่ความละเอียดที่สูงขึ้นจะช่วยให้สามารถโต้ตอบและควบคุมได้ดีขึ้นในสภาพแวดล้อมขนาดเล็ก 3 มิติ

ประการที่สองเราต้องการวัสดุชีวภาพมากขึ้น ในขณะนี้เหมือนกับการพิมพ์ด้วยเส้นใยเพียงไม่กี่เส้น เช่นเดียวกับเครื่องพิมพ์ FDM หรือ SLA คุณใช้วัสดุการพิมพ์ที่แตกต่างกันเพื่อจัดการกับงานต่างๆ

เช่นเดียวกันกับโลกของไบโอลิงค์และการรักษาเนื้อเยื่อทางการแพทย์ที่ซับซ้อนและหลากหลายประเภทที่มนุษย์อาจต้องการ อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีนี้น่าตื่นเต้นและดังที่ได้กล่าวมาแล้วสามารถช่วยชีวิตคนนับล้านได้ในไม่ช้า การแข่งขันที่เพิ่มขึ้นในภาคเอกชนสามารถช่วยให้เกิดนวัตกรรมที่รวดเร็วที่จำเป็นในการทำให้การพิมพ์สามมิติเป็นไปได้

คุณคิดอย่างไรเกี่ยวกับโลกของการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ เทคโนโลยีนี้จะปฏิวัติอุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพหรือไม่?