Narzędzia drukowane w technologii 3D przy użyciu innowacyjnych, antybakteryjnych materiałów, mogą być wykorzystywane w diagnostyce chorób nowotworowych. Jednym z nich jest opracowany przez śląskich naukowców uchwyt do diagnozy nowotworów górnych dróg oddechowych.
Bakteriostatyczne materiały stosowane w druku przestrzennym, czyli w drukarkach 3D, to wynalazek naukowców z Uniwersytetu Śląskiego. Zbudowana z nich aparatura medyczna może być wykorzystana w diagnostyce chorób nowotworowych, a wytworzone z nich sztuczne tkanki, narządy bądź protezy mogą znaleźć zastosowanie w implantologii.
Kontynuację badań nad możliwościami łączenia inżynierii materiałowej z nowoczesną medycyną, w tym nad materiałami przeznaczonymi do druku przestrzennego głównie na rynek medyczny, prowadzi zespół dr. Andrzeja Swinarewa z Instytutu Nauki o Materiałach UŚ.
Jak podało biuro prasowe UŚ, jednym z narzędzi wydrukowanych z tych nowych materiałów jest specjalny uchwyt wykorzystywany w diagnozowaniu chorób nowotworowych górnych dróg oddechowych na podstawie analizy wydychanego przez pacjenta powietrza.
Swinarew wyjaśnił, że analitycy medyczni potrafią wyizolować związki świadczące o obecności komórek nowotworowych w wydychanym przez pacjenta powietrzu, jeśli w organizmie człowieka zaszły jakiekolwiek zmiany o charakterze nowotworowym.
"Uchwyt wykonany z naszego materiału służy do pobierania próbek wydychanego przez pacjenta powietrza, które następnie będą analizowane pod kątem obecności śladów potencjalnych zmian nowotworowych. Co ważne, możemy je wykryć we wczesnej fazie choroby, co zwiększa skuteczność zastosowanych metod leczniczych. Dzięki temu znamy również typ nowotworu, stopień zaawansowania choroby oraz miejsce, w którym niepożądane zmiany są zlokalizowane" – tłumaczył naukowiec, cytowany przez biuro prasowe uczelni.
Materiał, z którego wykonany został uchwyt, ma właściwości antybakteryjne; jest również odporny na działania wysokich temperatur i promieniowanie UV. Dzięki niemu aparatura medyczna nie wymaga regularnego czyszczenia czy sterylizacji, ponieważ na jej powierzchni w ogóle nie dojdzie do rozwoju bakterii – niezależnie od stopnia zniszczenia powierzchni sprzętu czy upływu czasu.
Jak wyjaśnił naukowiec, opatentowane przez jego zespół materiały wykazują ponadto biozgodność, co oznacza, że mogą być bezpiecznie wprowadzone do organizmu człowieka.
Korzystając z tych doświadczeń, naukowcy z UŚ rozpoczęli badania właściwości wydrukowanych z tych materiałów sztucznych tkanek, narządów oraz protez. Na ich podstawie opracowali m.in. materiał, którego struktura jest zbliżona do tkanki kostnej człowieka – zgodne są parametry gęstości oraz odporności mechanicznej.
Otrzymali również sztuczny odpowiednik ludzkiej chrząstki, który może znaleźć zastosowanie w leczeniu osób będących po zabiegu całkowitego lub częściowego usunięcia krtani. "Jest to materiał utworzony na bazie związków przeciwzapalnych o powierzchni, która umożliwi późniejszy wzrost komórek własnych człowieka" – podkreślił Swinarew.
Naukowiec tłumaczył, że stworzony w drukarce 3D model krtani powinien być nieco cieńszym odpowiednikiem rekonstruowanego narządu. Następnie lekarze muszą pobrać fragment naturalnej chrząstki pacjenta, aby wprowadzić ją do organizmu razem z implantem; można też pobrać fragment przegrody nosowej.
Pobrany naturalny materiał pozwala wyhodować komórki macierzyste na powierzchni sztucznego modelu krtani, który następnie zostaje wprowadzony do organizmu pacjenta. Jak wyjaśnił Swinarew, jeśli zabieg laryngektomii był częściowy, model krtani można poddać dodatkowo procesowi karbonizacji; komórki w wyniku angiogenezy, czyli procesu tworzenia się naczyń włosowatych, będą sukcesywnie absorbować węgiel zawarty w implancie.
Po kilku latach sztuczna konstrukcja zostanie całkowicie wchłonięta, a w ciele pacjenta pozostanie jedynie jego naturalna chrząstka. Swinarew dodał, że jeśli w wyniku choroby nowotworowej zbyt duża część krtani została usunięta, wówczas implant zostanie zbudowany z materiału o zmodyfikowanych właściwościach, a ten pozostanie w organizmie człowieka na stałe.
Badania nad implantami krtani prowadzone są przez zespół dr. Swinarewa we współpracy z naukowcami z Samodzielnego Publicznego Szpitala Klinicznego im. Andrzeja Mielęckiego w Katowicach.
Z kolei kontynuację badań nad możliwościami łączenia inżynierii materiałowej z nowoczesną medycyną zespół dr. Swinarewa prowadzi również we współpracy z naukowcami z innych uczelni.
Zespół Swinarewa ma na swym koncie już niejeden patent w tym zakresie. Jesienią ub. r. na Międzynarodowej Warszawskiej Wystawie Wynalazków IWIS 2016 naukowcy otrzymali Złoty Medal za patent na otrzymywanie modyfikowanych poliestrów, zwłaszcza poliwęglanu, o właściwościach antybakteryjnych, wykorzystywanych w druku przestrzennym.
Pod koniec marca badacze (tym razem we współpracy z Politechniką Łódzką) otrzymali kolejny patent - tym razem na modyfikowane włókna na bazie polimerów syntetycznych i/lub naturalnych oraz sposób ich otrzymywania. Materiały te mogą posłużyć do opracowania specjalistycznych włókien antybakteryjnych do zastosowań medycznych.
Komentarze
[ z 4]
Najnowsze osiągnięcia to nie tylko leki, urządzenia medyczne, ale przede wszystkim procedury medyczne, strategie, czyli wszystkie sposoby postępowania z pacjentem. Druk trójwymiarowy z pewnością odegra dużą rolę w rozwoju i usprawnianiu obecnych oraz innowacyjnych metod terapii.
Nowotwory nadal są jedną z najczęstszych przyczyn zgonów jeśli chodzi o jednostki chorobowe. Każda informacja o postępach w diagnostyce i leczeniu nowotworów bardzo cieszy. Doganiajmy zachód pod tym względem. Wciąż rozwijamy nowe metody takie jak te opisane w artykule dzięki czemu zwiększamy swoje szanse w walce z nowotworami.
Po raz kolejny możemy być dumni z dokonań naszych naukowców. Takie doniesienia potwierdzają, że jesteśmy w czołówce światowej jeżeli chodzi o rozwiązania w medycynie, które wcześniej nie zostały przez nikogo użyte. Szczególnie, że poczynione przez nich działania będą umożliwiały szybką diagnostykę w przypadku bardzo dużego problemu dzisiejszych czasów czyli chorób nowotworowych. Jak dowiadujemy się, pozwalają one na rozpoznanie nowotworów układu oddechowego na wczesnych etapach ich rozwoju. Co prawda w dzisiejszych czasach coraz częściej ludzie rezygnują z palenia, po pierwsze z uwagi na wciąż rosnące ceny papierosów, a po drugie dlatego, że świadomość odnośnie szkodliwości palenia powoli, ale jednak systematycznie wzrasta. Innym problemem dzisiejszych czasach jest smog, który pojawia się w coraz większej ilości miast i bardzo trudno wciąż jest z nim sobie poradzić. Według badań to właśnie on w dużej mierze może przyczyniać się do rozwoju np. nowotworu płuc. Dane uzyskane na podstawie wydychanego powietrza są zdumiewające. Nie dość, że możliwe będzie określenie typu nowotworu to jeszcze będzie istniała możliwość określenia jego lokalizacji. W dużej mierze zmniejszy to konieczność wykonywania bardziej rozległych metod obrazowania, co może wiązać się chociażby ze zmniejszoną dawką promieniowania oraz pozwoli na pewne oszczędności w systemie ochrony zdrowia. Wydaje mi się, że w niedalekiej przyszłości przedmioty drukowane dzięki drukarkom 3D całkowicie zrewolucjonizują medycynę. Jestem również pewna tego, że bardzo dużą rolę odegrają w tym polscy naukowcy.
Na początku pandemii wywołanej koronawirusem okazało się, że szpitalom i innym placówkom medycznym nie tylko w naszym kraju brakuje odzieży ochronnej i innego wyposażenia. Prawie połowa lekarzy w Wielkiej Brytanii przyznawała, że jest zmuszona sama zaopatrywać się w odzież ochronną. W tej sytuacji społeczność zajmująca się drukiem trójwymiarowym włączyła się do produkcji takich urządzeń jak : ochronne maski, zawory tlenowe do wentylatorów, rozdzielacze do wentylatorów i respiratorów pozwalające na ich stosowanie dla kilku pacjentów, pałeczki do wymazów testów na koronawirusa, przyłbice, kabiny do kwarantanny, prowizoryczne respiratory utworzone z wyposażenia do nurkowania z akwalungiem, a nawet dźwignie pozwalające otworzyć drzwi łokciem. Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest wytwarzanie w druku 3D łączników, pozwalających na podłączenie nawet czterech pacjentów do jednego respiratora. Ograniczenia dla urządzeń medycznych do walki z pandemią związane są najczęściej, ale nie jedynie, z brakiem możliwości ich dezynfekcji. Przykładowo, amatorskie drukarki 3D korzystające z ekstrudera wytwarzają przedmioty, które są porowate i mają bardziej szorstką powierzchnię. Nie da się ich w odpowiedni sposób zdezynfekować. Po sukcesie przy przygotowaniu specjalnego modelu 3D żyły zaatakowanej nowotworem, naukowcy z Politechniki Opolskiej planują szerszą współpracę z lekarzami. W planach jest stworzenie m.in. fantomów układu kostnego okolic miednicy i modeli tętnic przed zabiegami. Padła propozycja, żeby opracować formy, na których można by planować operacje wprowadzania stent-graftów do naczyń krwionośnych, w których zlokalizowany jest tętniak. Wprowadzenie stent-graftu do tętnicy lub żyły jest sposobem na jego zoperowanie. W tym przypadku, na podstawie przekrojów uzyskanych z rezonansu magnetycznego lub z tomografu komputerowego tworzy się model trójwymiarowy w którym można umieścić stent-graft, który później można wykorzystać w trakcie zabiegu. Kolejnym założeniem jest stworzenie fantomu układu kostnego okolic miednicy. To będzie model, na którym będą prowadzone badania ukierunkowane na zastosowania radioterapii nowotworów ginekologicznych. Fantom umożliwi badanie efektywności naświetlania radioterapeutycznego. Obecnie fantom jest w trakcie drukowania, praca nad nim wygląda inaczej niż praca nad żyłą. W przypadku żyły model, który opracowaliśmy odzwierciedlał tkanki miękkie, tutaj skupiam się na drukowaniu modelu, który odzwierciedla tkanki kostne. Po wydrukowaniu fantom będzie uzupełniony specjalnym żelem, który będzie reprezentował tkanki miękkie. W wielu przypadkach, gdy na skutek np. choroby nowotworowej fragment kości musi zostać usunięty, wykonuje się przeszczep z innej części ciała i uzupełnia brakujący fragment np. żuchwy czy kości czaszki.Technologia druku 3D daje nam możliwość stworzenia różnych kształtów w zależności od konkretnej sytuacji, np. określonej kości. Jeżeli wydrukuje się fragment ubytku kości po resekcji nowotworowej i chcemy wszczepić materiał, który zintegruje się z tkanką kostną, a następnie odbudują się nad nim komórki, musi najpierw zostać wysterylizowany, żeby nie wprowadzać do organizmu niepotrzebnych mikrobów. Wyzwaniem dla medycyny i bioinżynierii jest odbudowa całej krtani, ponieważ przeszczepienie jej od dawcy jest procedurą obarczoną wysokim ryzykiem, biorąc pod uwagę biozgodność i możliwą akceptację narządu. Istnieje wiele możliwości przezwyciężenia tych trudności. Jednym z najnowszych i najskuteczniejszych rozwiązań jest sztuczna krtań. Odpowiedni implant powinien być biokompatybilny i spersonalizowany dla każdego pacjenta. Do wykonania takiego implantu wykorzystuje się sztuczną porowatą krtań rusztowania pokrytą kolagenem i chondrocytami. Porowate rusztowania polimerowe są używane do imitowania struktury narządów i stały się kluczowym elementem trójwymiarowej hodowli komórek. Analiza obrazów pochodzących z nowoczesnych metod tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z możliwością rekonstrukcji trójwymiarowej umożliwia bardzo precyzyjne zaplanowanie allogenicznego podłoża rekonstrukcji. Spełnia ona warunek zabiegu ''spersonalizowanego''. Anatomia i fizjologia krtani determinują parametry fizykochemiczne materiałów użytych do allogenicznej budowy tego narządu. Stosowanie metalicznych pierwiastków takich jak tytan nie jest wskazane, ze względu na brak stabilności tak ciężkiej konstrukcji oraz niski stopień adhezji komórek. Wykorzystanie materiałów ceramicznych, np. apatytu, jest ryzykowne ze względu na mikrośrodowisko śluzu, które może powodować ich degradację. Innowacyjna metoda drukowania części ciała może być przełomem w rekonstrukcji twarzy i pourazowej chirurgii plastycznej.Nad drukarką 3D, która byłaby w stanie tworzyć chrząstki uszu czy nosa pracują walijscy naukowcy. Obecnie do pourazowych rekonstrukcji twarzy na przykład po wypadkach, oparzeniach, nowotworach skóry i wadach wrodzonych, wykorzystuje się tkankę chrząstki pacjenta, najczęściej pobieraną z żeber. Niestety, zabieg ten wiąże się z bliznowaceniem w miejscu pobrania i innymi powikłaniami. Zespół z sukcesem wyizolował ludzkie komórki macierzyste pochodzące z chrząstki nosowo-przegrodowej i wykazał, że mogą one wytwarzać macierz chrząstki poza organizmem człowieka. Co ważne, ta metoda nie wymaga przeprowadzania operacji w celu pobierania chrząstek z innych części ciała pacjenta, a zabieg jest niemal nieinwazyjny.Naukowcy z powodzeniem radzą sobie z drukowaniem komórek i biomateriałów, z których są zbudowane ludzkie tkanki, ale wciąż są dalecy od stworzenia całych funkcjonalnych narządów. Druk trójwymiarowy co prawda jest coraz częściej wykorzystywany w medycynie, np. do produkcji implantów stomatologicznych lub modeli wykorzystywanych przez chirurgów do symulowania przeprowadzanych operacji. Ponadto technologia pozwala na wykorzystanie biotuszu do produkcji komórek, które pozwoliłyby opracować w pełni funkcjonujące narządy. Aby go stworzyć, należy w pierwszej kolejności stworzyć przestrzenne rusztowanie, na którym można by osadzić komórki macierzyste różnicujące się i rozrastające w konkretne tkanki. Niestety, w tym momencie nie ma możliwości aby to zrobić metodami laboratoryjnymi, bo dostępne protokoły biologiczne nie pozwalają na organizację różnych gradientów i wzorców strukturalnych w tkankach, które nie są jednorodne. Dzieje się tak ponieważ nie ma kontroli nad tym, w które miejsce tkanki trafiają właściwe komórki. Takie możliwości oferuje natomiast druk w technice trójwymiarowej, który pozwala bioinżynierom na precyzyjne kierowanie komórek. To z kolei przekłada się na lepsze organoidy, a w końcu może i umożliwić tworzenie organów. Naukowcom z Teksasu udało się wydrukować sztuczny organ, który gdy pojawia się taka konieczność uwalnia odpowiednią ilość hormonu regulującego poziom cukru we krwi. Na dodatek nowy wynalazek jest skuteczniejszy niż prototypy podobnych urządzeń, które powstały na świecie do tej pory. Choć postęp badań nad cukrzycą we współczesnej medycynie jest znaczący, a nawet inteligentne plastry dostarczające pacjentom insulinę nie są dużym zaskoczeniem, to sztuczna trzustka zdolna do wytwarzania insuliny stanowi dużo większe wyzwanie. Pionierami w tej dziedzinie są naukowcy z naszego kraju, którym już kilka lat temu jako pierwszym na świecie udało się wydrukować za pomocą technologii trójwymiarowej bioniczny odpowiednik tego organu. Bioinżynierom z Teksasu za pomocą druku 3D udało się opracować urządzenie imitujące działanie naturalnej trzustki, a także specjalny materiał hydrożelowy stanowiący osłonę dla sprzętu. Dzięki temu praca sprzętu nie zostaje zakłócona, a organizm nie odrzuca sztucznego organu. W ramach trzyletniego projektu naukowego badacze z Teksasu skupią się na tym, aby sztuczna trzustka we właściwym momencie reagowała na różny poziom cukru we krwi i w razie potrzeby uwalniała insulinę w idealnym momencie, w taki sposób, by było to najkorzystniejsze dla pacjenta. Technologia biodruku posłużyła naukowcom do opracowania techniki wytwarzania trójwymiarowych rusztowań wspomagających leczenie złamanych kości u pacjentów z cukrzycą. Rusztowanie to zbudowane jest z komórek macierzystych szpiku kostnego, morfogenicznego białka kości i makrofagów. Cukrzyca może zwiększać ryzyko złamań kości nawet o 300 procent. Wysoki poziom glukozy we krwi utrudnia też proces gojenia. Biodruk trójwymiarowy pozwoli więc usprawnić proces leczenia i ułatwić dostęp do skutecznych terapii.