Na Politechnice Rzeszowskiej powstał model żuchwy wykonany techniką druku 3D. Jego zastosowanie znacznie skraca czas chirurgicznego zabiegu wszczepienia implantu i minimalizuje wystąpienie komplikacji śródoperacyjnych.
Wydrukowany medyczny model żuchwy może posłużyć chirurgowi do tego, aby dopasować wszczepiany implant do konkretnego pacjenta, ale jeszcze przed zabiegiem. "Zostaje uszyty na miarę" – mówi twórca modelu, dr inż. Paweł Turek z Politechniki Rzeszowskiej. Badania i proces powstawania modelu żuchwy stały się tematem jego przewodu doktorskiego pt. "Metodyka projektowania oraz wytwarzania modeli medycznych żuchwy".
Dr Turek w rozmowie z PAP powiedział, że w trakcie badań konsultował się ze specjalistami z Kliniki Chirurgii Szczękowo-Twarzowej w Rzeszowie, modyfikował i udoskonalał opracowane rozwiązania, dobierał odpowiednie parametry, aż do osiągnięcia gotowego modelu medycznego żuchwy.
W czasie badań udało mu się opracować procedurę, która umożliwia komputerowe odtworzenie geometrii żuchwy sprzed wystąpienia uszkodzenia, oraz ocenić stopień uszkodzenia żuchwy. Oznacza to, że wydrukowany model jest niemal identyczny z "oryginalną" anatomiczną żuchwą konkretnego pacjenta.
"Trójwymiarowe modele struktur kostnych pozwalają na lepsze przygotowanie chirurga do zabiegu chirurgicznego i zwiększenie precyzji, a to prowadzi do znacznego skrócenia czasu operacji i zminimalizowania wystąpienia komplikacji śródoperacyjnych. Ponadto użycie takiego modelu przyczynia się do zmniejszenia utraty krwi podczas zabiegu" – mówił dr Turek.
Wydrukowany model, który jest indywidualny dla każdego pacjenta, pozwala chirurgowi na dopasowanie do konkretnej osoby implantu, który ma zostać wszczepiony. Dzieje się to jeszcze przed zabiegiem. Natomiast przy zastosowaniu tradycyjnej procedury chirurg dopasowuje, "przymierza" implant do pacjenta w trakcie zabiegu, przez co o wiele wydłuża się czas operacji.
Ponadto pacjent, po wykonaniu zabiegu z użyciem wydrukowanego modelu, szybciej przechodzi okres rekonwalescencji i – w zależności od stopnia uszkodzenia żuchwy – może wrócić do normalnego funkcjonowania.
Kolejną zaletą trójwymiarowego modelu jest to, że pacjent, widząc go przed zabiegiem, łatwiej może sobie wyobrazić działania chirurga, gdy ten wyjaśnia mu przebieg całego procesu.
Twórca modelu żuchwy wykonanego techniką druku 3D zastrzegł jednak, że zaprojektowanie i wykonanie dokładnego modelu medycznego na potrzeby przeprowadzenia zabiegu chirurgicznego nie było prostym zadaniem. Chodzi o to, że żuchwa jest tkanką kostną o bardzo złożonej geometrii.
"Potrzeba odpowiedniej wiedzy i umiejętności z zakresu medycyny i nauk technicznych, które pozwolą w pełni wykorzystać narzędzia do przeprowadzenie takiej czynności" – podkreślił naukowiec. Dodał, że stąd właśnie konieczność ścisłej współpracy i konsultacji ze specjalistami.
Jak wyjaśnił, wybrał żuchwę, ponieważ jest ona jedyną ruchomą kością twarzoczaszki i jest poddawana wielokierunkowym obciążeniom dynamicznym podczas gryzienia czy żucia.
Proces badawczy dr. Turka został dofinansowany w ramach działalności Inkubatora Innowacyjności "Metodyka projektowania i wytwarzania modeli medycznych twarzoczaszki o wysokiej dokładności".
Naukowiec zamierza w niedługim czasie opatentować opracowany przez siebie model żuchwy.
Obecnie prowadzi badania dotyczące sklepienia czaszki (chodzi o usprawnienie procesu jego segmentacji i rekonstrukcji) oraz dotyczące dokładnego wykonania małych i skomplikowanych obiektów, takich jak np. trzony i korony zębów.
"Inżynieria rekonstrukcyjna jest dzisiaj stosowana w wielu dziedzinach, jak chociażby w medycynie, gdzie może być wykorzystywana np. w procesie odtwarzania geometrii wewnętrznych struktur anatomicznych oraz wytwarzania implantów" – zauważył dr Turek.
Prowadzi też badania w ramach Stowarzyszenia Klastra "Technologia w Medycynie" – TECHNOMED, gdzie wykonuje modele i szablony chirurgiczne technikami druku 3D m.in. miednicy, kości udowej, które w znaczący sposób ułatwią zaplanowanie i przeprowadzenie zabiegu chirurgicznego.
Zapewnił, że w ramach działalności klastra planuje rozszerzyć swoje badania o inne struktury kostne. "Ich wybór będzie zależeć od zapotrzebowania" – zauważył. (PAP)
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl | Agnieszka Pipała
Komentarze
[ z 5]
Technologia 3D nie przestaje zaskakiwać. Możliwości jakie się przed nami otwierają są ogromne. Mam nadzieję, że wszelkie plany związane z technikami druku 3D zostaną zrealizowane. Już jest to duże osiągnięcie, ale pewne możliwości odpowiednio wykorzystane będą stanowiły kamień milowy w dzisiejszej medycynie.
Wciąż nie przestaje mnie zadziwiać, że druk trójwymiarowy jest już niemal codziennością. Zewsząd dochodzą nas informacje o jego różnych zastosowaniach. Ostatnio czytałam o drukowanych domach. Dzisiejsze osiągnięcia nie przestają mnie zadziwiać.
Jak czytamy w artykule dzisiejsze możliwości medycyny są dużo większe niż jeszcze kilka, kilkanaście lat temu. Kto by pomyślał, że za pomocą tak zaawansowanych urządzeń będzie można w programie komputerowym odtwarzać struktury organizmu, które zostały zniszczone na przykład podczas wypadku czy innego urazu. Pamiętajmy o tym, że w dzisiejszych czasach bardzo ważne poza funkcjonalnością, jest również estetyka. Drukowanie w technologii 3D zapewnia nam obie te rzeczy. Idealne dopasowanie do struktur kostnych organizmu sprawia, że odtworzone struktury pełnią w pewnym sensie funkcję kości. Z drugiej strony stanowią one podparcie dla tkanek miękkich, co zapewnia bardzo dobrą estetykę. Nowoczesne rozwiązanie całkowicie zdominowały dzisiejszą medycynę. Moim zdaniem należy w jak największym stopniu korzystać z rzeczy, które dawniej były wykorzystywane do zupełnie innych celów, a aktualnie z powodzeniem znalazły zastosowanie w niesieniu pomocy pacjentom. Pierwotne zastosowania drukarek 3D nie było tak ważne, jaką ma rolę w dzisiejszych czasach.. Warto zaznaczyć, że druk w technologii 3D póki co jest w dużej części dopracowywany przez młodych naukowców. Zdarzają się sytuacje, że młodym ludziom zwyczajnie brakuje pieniędzy na rozpoczęcie lub kontynuację pewnych projektów, które mogą odgrywać ważną rolę w całej medycynie. Bardzo ważne jest również to aby duże jednostki naukowe, tak jak w tym przypadku politechnika, nawiązała współpracę z licznymi klinikami, które zajmują się chociażby rekonstrukcjami w obrębie kości. Tak jak wspomniano w artykule coraz częściej słyszy się o tym, że duże zastosowanie w tego typu implantach znajduje się w chirurgii szczękowo-twarzowej. Bardzo często w wyniku wypadków, czy po operacjach, których celem było usunięcie zmian nowotworowych zostaje zniszczona znaczna część struktury kostnej w obrębie twarzoczaszki. Wielu pacjentom, a także specjalistom bardzo zależy na tym aby twarzoczaszka po operacji wyglądała możliwie najbardziej estetycznie, a pacjent po niej mógł się komfortowo czuć. W artykule poruszono bardzo ciekawą kwestię. Mianowicie przedstawienie pacjentowi, tego co zostaje mu wszczepione wydaje mi się, że będzie bardziej spokojny o cały zabieg. Bardzo często zdarza się, że pacjenci nie wiedzą, czego mogą się spodziewać po przeprowadzonej operacji. Jeżeli krok po kroku objaśni się pacjentowi co zostanie wykonane, a dodatkowo pokażę się implant, to wydaje mi się, że bardzo rozjaśni to całą sytuację. Jest to jak najbardziej zrozumiałe. Jeszcze jakiś czas temu jedynym rozwiązaniem były chociażby przeszczepy z kości strzałkowej lub talerza kości biodrowej. To wiązało się jednak z dodatkowymi ranami na ciele pacjenta, przez co operacja stawała się dużo większym obciążeniem, zwłaszcza jeżeli chodzi o osoby starsze. Pacjenci zdając sobie sprawę z tego, że uzyskany efekt estetyczny będzie dobry są dużo lepiej nastawieni do operacji oraz całej terapii co jest konieczne w osiągnięciu sukcesu.
Z danych o rynku 3D, branża medyczna stanowi ok. 1/4 całego rynku stosowania drukarek 3D. Źródła podają również, że ok. 20% komponentów kostnych pacjenta jest teraz drukowana lub frezowana przy użyciu CNC. Tak dynamiczny rozwój wymuszony jest potrzebą wytwarzania spersonalizowanych „części zastępczych” dla chorego bez podnoszenia kosztów. Współczesny pacjent to człowiek aktywny fizycznie, często uprawiający sporty ekstremalne. Wiąże się to ze zwiększoną liczbą kontuzji oraz potrzebą rehabilitacji. Aplikacje druku 3D w medycynie stosowane są w: ortopedii, otolaryngologii, stomatologii jak i kardiologii. Codziennością staje się stosowanie druku 3D w diagnostyce przedoperacyjnej i planowaniu zabiegów oraz pomocy dydaktycznych dla studentów. Druk 3D niweluje niedoskonałości, jakie napotykano przy produkcji indywidualnej. Ważnym czynnikiem ograniczającym produkcję spersonalizowaną były wysokie koszty przygotowania produkcji, czasem za wysokie, aby wykonać jeden produkt. Dlatego nowa epoka oparta na technologiach przyrostowych przede wszystkim skraca czas produkcji, obniża koszty prototypowania i wdrożenia, minimalizuje koszty materiałowe, ogranicza ilość odpadów. Pierwszy wydruk 3D na potrzeby medycyny został wykonany w 1999 roku do zbudowania rusztowania, który pokryto komórkami własnymi pacjenta, posłużył on w terapii przerostu pęcherza moczowego. W roku 2002 badacze opracowali miniaturową nerkę, która miała zdolność filtracji krwi i produkowania rozcieńczonego moczu u zwierząt. Wraz z postępem technologii druku 3D medycyna ewoluuje, lekarze mogą wszczepiać indywidualnie zaprojektowane implanty, a w laboratoriach hodowane są tkanki i ludzkie narządy. Zaprojektowano nowoczesne biozgodne materiały, które wspomagają organizm w odbudowie tkanek na skafoldzie wydrukowanym na urządzeniach 3D, co daje szanse dla regeneracji tkanek i uzupełnienie ubytków. Obecnie ubytki kości można wypełnić indywidualnie zaprojektowanym wszczepem, a tradycyjne protezy są zastępowane przez drukowane. Możliwe jest zastosowanie technik druku przestrzennego w wytwarzaniu implantów, protez czy też egzoszkieletów, tych prostych jak też dalece zaawansowanych. Medycyna korzysta z zalet technik przyrostowych także do budowania modeli narządów, za pomocą których staje się możliwe precyzyjne zaplanowanie operacji, co zmniejsza ryzyko błędów i usprawnia jej przebieg. Największe możliwości wykorzystywania druku 3D w medycynie związane są ze sztucznymi narządami. Wyhodowanie tkanek w laboratoriach jest mocno skomplikowane. Drukarki 3D, które używają jako budulca ludzkich komórek, dały nadzieję na powodzenie projektu, dzięki którym chorzy potrzebujący transplantacji, nie będą czekać na dawcę narządu. Wytwarzanie addytywne prócz tego, że jest ułatwieniem życia codziennego i bywa świetną rozrywką, może również ratować ludzkie życie. Stomatologii i ortodoncja jest podatnym gruntem dla druku przestrzennego. Za pomocą drukarek 3D można produkować implanty zębów jak także wypełnienia ze skanów 3D lub fotografii uzębienia pacjenta, a ich wykonanie nie trwa całych tygodni jak tradycyjnych implantów, ale zaledwie godziny. Rozwój technik szybkiego prototypowania i wytwarzania znacząco obniżył koszty produkcji jednostkowej przy jednoczesnym wzroście jakości. W medycynie coraz częściej stawia się na personalizację wytwarzanych produktów, w szczególności implantów i modeli przedoperacyjnych. Tematyka wspomagania przedoperacyjnego jest relatywnie nowa, ze względu na znikomą ilość odpowiednich narzędzi do produkcji modeli pomocniczych. Do niedawna pomoc taka dotyczyła jedynie diagnostyki i analizy obrazowania medycznego. Złożona budowa narządów oraz różnorodność anatomiczna człowieka powodują, że wytworzenie modeli anatomicznych, pomocnych do planowania zabiegu, nie jest produkcją małoseryjną, a jedynie jednostkową. Jednakże zapotrzebowanie na modele istnieje i staje się coraz częściej podstawą w przygotowaniu lekarza/lekarza rezydenta oraz studenta (aspekt edukacyjny). Dlatego pojawia się potrzeba tworzenia i realizowania projektów ułatwiających produkcji modeli przedoperacyjnych gwarantujących zachowanie najwyższej dokładności i odwzorowania anatomii . Odpowiedzią na tą potrzebę jest szybkie prototypowanie i wytwarzanie, które za pomocą przyrostowego budowaniu modeli, daje możliwość otrzymania skomplikowanych kształtów, niemożliwych do otrzymania przy stosowaniu metod ubytkowych. Oprócz tego wprowadzenie technik addytywnych umożliwia zmniejszenie czasu procesu wytwórczego i maksymalne obniżenie kosztów. Obecnie modele przedoperacyjne czy też szablony wspomagające zabiegi wykonywane są w formie zlecenia do firm wyspecjalizowanych w wytwarzaniu addytywnym takich modeli. Związane jest to przede wszystkim z nietypowym charakterem zamówień, wymagającym wiedzy z zakresu inżynierii jak i medycyny, a także wciąż małą popularnością stosowania modeli anatomicznych w szpitalach. Stwarza to konieczność stosowania rozbudowanych konsultacji lekarza i inżyniera, co prowadzi do spowolnienia wytworzenia modelu. Jednakże stanowi ważny element procesu produkcyjnego, niemożliwy do pominięcia. Drogą generowania przyrostowego produktu, nakładając kolejne płaskie przekroje modelu, możliwe staje się otrzymanie obiektów o skomplikowanej budowie i złożoności kształtów niż jest to możliwe do osiągnięcia w przypadku technik ubytkowych. Przekłada się to na wykorzystanie tej technologii w wytwarzaniu modeli medycznych wspomagających planowanie przedoperacyjne, szablonów wykorzystywanych w czasie operacji jak i spersonalizowanych implantów lub protez zewnętrznych. Medycyna chętniej i częściej korzysta z możliwości szybkiego wytwarzania dla modeli anatomicznych, najczęściej wykorzystywane jest drukowanie uplastycznionym tworzywem sztucznym – FDM (Fused Deposition Modeling). Powszechność metody wynika z szerokiej dostępności do urządzeń niskobudżetowych oraz bogatej gamy materiałów wykorzystywanej tej technologii. Dodatkowo technologia jest dynamicznie rozwijana, co skutkuje poprawieniem dokładności odwzorowania wytwarzanych modeli przy jednoczesnym zachowaniu niskiej ceny i krótkiego czasu wydruku. Technologię FDM wykorzystuje się w przypadku modeli poglądowych za pomocą których przedstawiane są zależności struktur w modelowanym narządzie, umożliwiające usprawnienie przygotowania przedoperacyjnego, stanowią również element dydaktyczny dla młodych lekarzy, studentów i samych pacjentów. W przypadku wykonywania symulacji operacji bądź wytwarzania skomplikowanej patologii, wymagającej wysokiej dokładności elementów modele wykonane w technologii FDM nie do końca spełniają swoje role. W związku z tym przy wytwarzaniu fantomów, sięga się po inne technologie m.in. stereolitografie – SLA lub PolyJet. Największymi ich zaletami są: precyzyjne odwzorowanie kształtu, wysoka dokładność wytwarzanych elementów oraz mniejsze wartości grubości warstwy. Modele wydrukowane tymi technologiami są bardziej szczegółowe, dlatego w przypadku wysoce skomplikowanych operacji np. kardiochirurgicznych, gdzie konieczne jest również zamodelowanie sieci naczyń krwionośnych, sięga się do tych metod. Należy również wspomnieć, że z uwagi na sposób pracy drukarek SLA i PolyJet, mamy możliwość wykorzystania żywic oraz innych materiałów o obniżonej twardości, a to przekłada się na możliwości wyprodukowania modeli imitujących żywe tkanki miękkie. Dzięki temu wydrukowane modele mogą zostać wykorzystane do przeprowadzenia symulacji operacji, nawet wielokrotnie, tak jak ma to miejsce w IPCZD. Technologie te są droższe i bardziej czasochłonne w przeciwieństwie do metody FDM. Decyzja o doborze technologii związana jest z konkretnym przypadkiem, czasem i budżetem jakimi dysponuje szpital oraz wymaganiami jakie ma spełniać model . W produkcji implantów czy też protezoplastyki dominują technologie selektywnego spiekania laserowego proszków metali – DMLS (Direct Metal Laser Sintering), stosujące proszki tytanowe, wykorzystywane również w klasycznej produkcji endoprotez. Z powodu dużych obciążeń występujących w obszarach zastosowania endoprotez czy też niektórych płytek tytanowych, niemożliwy jest wydruk w innych technologiach, bazujących na wytwarzaniu z tworzyw sztucznych. Przygotowanie spersonalizowanego modelu anatomicznego, musi uwzględniać specyficzny charakter danych będących źródłem informacji dla dalszych etapów produkcji. Obiekt wejściowy stanowi organizm ludzki, a dokładniej wybrany organ lub grupa narządów i struktur anatomicznych. Z powodu tego, że należy odwzorować już istniejący obiekt fizyczny, konieczne jest zastosowanie metod inżynierii odwrotnej, digitalizacji oraz segmentacji, które posłużą do uzyskania trójwymiarowego obrazu geometrycznego . Algorytm umożliwiający uzyskanie modelu anatomicznego przedstawia schemat poniżej Zdjęcia diagnostyczne w formacie DICOM są importowane do oprogramowania umożliwiającego segmentację obrazu (np. MIMICS, IntelliSpace Portal czy też inne bezpłatne narzędzia). Określając konkretny zakres odcieni szarości dla wybranej tkanki (skala Hounsfielda), możliwe jest wygenerowanie modelu trójwymiarowego i jego eksport do formatu STL. Ten etap wymaga ścisłej współpracy inżyniera z lekarzem w celu zatwierdzenia poprawności anatomicznej modelu i jego relacji z innymi strukturami. Pozyskany model cyfrowy poddawany jest dalszym obróbkom, mającymi na celu usunięcie artefaktów (wszelkie braki, pozostałości tkanek przylegających) oraz wygładzeniu, z uwzględnieniem wymagań wynikających ze stosowanej technologii wytwórczej (druk 3D). Na tym etapie stosowane są programy z możliwością pracy na siatce trójkątów, np. GOM Inspect, MeshLab czy MeshMixer. Zaakceptowany model cyfrowy przesyłany jest do systemów (slicer dedykowany do drukarki) gdzie dzielony jest na warstwy i zapisywany w postaci komend w formacie G-Code, ten natomiast odczytywany przez drukarkę steruje zespołem drukującym. Ostatnim etapem pracy jest postprocessing uzyskanego wydruku w celu usunięcia podpór poprawy jego wyglądu. Przezroczystość modelu można uzyskać poprzez dobór technologii druku przyrostowego, w zależ ności od budżetu jakim dysponuje szpital. W przypadku technologii FDM, dostępne są na rynku materiały półprzezroczyste, dające znaczną widoczność struktur wewnętrznych, ale podstawową wadą jest wysoka twardość materiału. Alternatywnym wyjściem dla tego rozwiązania, jeśli nie mamy dostępu do technologii Poly-Jet jest wykonanie odlewu silikonowego danego narządu, dzięki czemu model wykazuje zarówno właściwości transparentne jak i niską twardość. Biodruk 3D to wielka szansa dla innowacyjnej medycyny – wymaga czasu i dużego nakładu pracy. Wyprodukowanie choćby małych fragmentów tkanek jest dużym sukcesem dla naukowców, a wydrukowanie w technice 3D narządu spełniającego fizjologiczne funkcje to ogromne osiągnięcie, lecz, które wymaga pokonania wielu problemów. Wyróżniemy dwie metody wytwarzania tkanek technikami druku 3D: drukując rusztowanie, stanowiące dla komórek konstrukcje do prawidłowego wzrostu. Na taką strukturę (biodegradowalną) po wydrukowaniu 3D zasiedla się komórkami, które dalej udują prawidłową tkankę, osadzając komórki zawieszone w hydrożelu do zbudowania zadanego kształtu – rozdzielczość wydruków zależna jest od gęstości i konsystencji biotuszu. Wykorzystanie pneumatycznego ekstrudera materiału redukuje ryzyko uszkadzania nanoszonych komórek zawieszonych w matrycy hydrożelowej. Aby komórki miały warunki do odpowiedniego wzrostu tkanka biodrukowana jest inkubowana w optymalnych warunkach. Największą zaletą w ten sposób budowanych tkanek jest znikome ryzyko odrzucenia wszczepu, który wydrukowany jest z tkanek organizmu. jest dość proste, większym problemem jest stworzenie komórkom odpowiednich warunków, aby zapewnić najwyższą przeżywalność, czyli zapewnienie stałej i odpowiedniej temperatury, sterylnego środowiska o znikomej ekspozycji na promieniowanie UV. Aby komórki w trójwymiarowej strukturze wzrastały prawidłowo należy również zagwarantować możliwość dyfuzji składników odżywczych i dostęp do tlenu. W ciele człowieka te funkcje spełnia sieć kapilarnych naczyń krwionośnych, dostarczające komórkom niezbędne składniki i odbierające zbędne produkty przemiany materii. Do tej pory maksymalna grubość wydrukowanej struktury, gwarantująca odpowiednią przeżywalność to 200 µm, dlatego też badacze poszukują innych lepszych komponentów. Najwięcej doniesień o biodruku 3D informuje o wytwarzania skóry, pełni jednak ona zazwyczaj jedną rolę z wielu funkcji owej tkanki. Oczywiście cały organ wydrukowany w 3D zrobiłby większe wrażenie niż pojedyncze tkanki. Biodruk 3D staje się technologią pomagającą przy testowaniu nowych leków dla konkretnych grup chorych jak również indywidualnych pacjentów. Obecnie leki są testowane na pojedynczych komórkach, natomiast możliwość testów specyfików na komórkach o odpowiedniej strukturze wskaże odpowiedź zbliżoną do odpowiedzi organizmu na lek. Biodruk z komórek pacjenta umożliwia nie tylko przetestowanie leku ale także daje możliwość uniknięcia badań na zwierzętach. Właściwie wykorzystana technologia biodruku 3D to ogromna szansa dla nowoczesnej medycyny, obojętnie czy dla transplantologii czy farmacji. Nie wolno jednak już teraz uważać jej za powszechnie wykorzystywaną w codziennej pracy szpitala. Biodrukowane 3D narządy tak samo obecnie funkcjonujące procedury, będą stanowić opcję dla organów do przeszczepu, których brak jest dużym problemem dla osób borykających się na przykład z niewydolnością nerek. Etyczny aspekt pełnego procesu może także budzić zastrzeżenia, w jakim stopniu badacze mogą ingerować w ludzkie ciało? Jak widać, możliwości druku 3D są nieograniczone. Możemy wykonywać najbardziej skomplikowane formy bez obaw, czy nasza maszyna sprosta zadaniu. Możemy wykonywać krótkie serie bez konieczności inwestowania w oprzyrządowanie. Jednak głównym przesłaniem jest potrzeba wytwarzania produktów indywidualnych i spersonalizowanych. ( publikacja p. Katarzyny Ciemny)
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.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.