תוֹכֶן
- שינוי רפואה עם מדפסות תלת מימד
- כיצד עובדת מדפסת תלת מימד?
- עושה אוזן
- ההבדל בין תבנית לפיגום
- יתרונות פוטנציאליים של אוזניים מודפסות
- הדפסת לסת תחתונה
- תותבות ופריטים מושתלים
- דוגמאות נוספות
- הדפסה ביולוגית עם תאים חיים: עתיד אפשרי
- החלפת איברים ורקמות
- כמה הצלחות ביו-דפוס
- הדפסת חלקי לב
- יצירת קרנית
- היתרונות של מיני איברים, אורגנואידים או איברים על שבב
- מבנה שמחקה את הריאה
- כמה אתגרים להדפסה ביולוגית
- הפניות
לינדה קרמפטון לימדה מדעים וטכנולוגיות מידע לתלמידי תיכון במשך שנים רבות. היא נהנית ללמוד על טכנולוגיה חדשה.
שינוי רפואה עם מדפסות תלת מימד
הדפסת תלת מימד היא היבט מרגש בטכנולוגיה שיש בו יישומים שימושיים רבים. יישום מרתק וחשוב מאוד של מדפסות תלת מימד הוא יצירת חומרים שניתן להשתמש בהם ברפואה. חומרים אלה כוללים מכשירים רפואיים מושתלים, חלקי גוף מלאכותיים או תותבות ומכשירים רפואיים מותאמים אישית. הם כוללים גם טלאים מודפסים של רקמות אנושיות חיות וכן מיני איברים. בעתיד עשויים להיות מודפסים איברים מושתלים.
למדפסות תלת מימד יש אפשרות להדפיס עצמים תלת מימדיים מלאים המבוססים על מודל דיגיטלי המאוחסן בזיכרון המחשב. אמצעי הדפסה נפוץ הוא פלסטיק נוזלי שמתמצק לאחר ההדפסה, אך אמצעי מדיה אחרים זמינים. אלה כוללים אבקת מתכת ו"דיו "המכילים תאים חיים.
יכולתם של מדפסות לייצר חומרים התואמים לגוף האדם משתפרת במהירות. חלק מהחומרים כבר משמשים ברפואה בעוד שאחרים עדיין נמצאים בשלב הניסוי. חוקרים רבים מעורבים בחקירה. להדפסת תלת מימד פוטנציאל מפתה להפוך את הטיפול הרפואי.
כיצד עובדת מדפסת תלת מימד?
השלב הראשון ביצירת אובייקט תלת מימדי על ידי מדפסת הוא עיצוב האובייקט. זה נעשה בתכנית CAD (Computer-Aided Design). לאחר סיום התכנון, תוכנית אחרת יוצרת הוראות לייצור האובייקט בסדרת שכבות. תוכנית שנייה זו מכונה לעיתים תוכנית חיתוך או כתוכנת חיתוך, מכיוון שהיא ממירה את קוד ה- CAD עבור האובייקט כולו לקוד עבור סדרת פרוסות או שכבות אופקיות. השכבות עשויות להיות במאות ואף באלפים.
המדפסת יוצרת את האובייקט על ידי הפקדת שכבות חומר על פי הוראות תוכנית החיתוך, החל בתחתית האובייקט ועובד כלפי מעלה. שכבות עוקבות מתמזגות זו בזו. התהליך מכונה ייצור תוספים.
נימה מפלסטיק משמשת לעתים קרובות כמדיום להדפסת תלת מימד, במיוחד במדפסות המכוונות לצרכן. המדפסת ממיסה את הנימה ואז מוחצת פלסטיק חם דרך זרבובית. הזרבובית נעה בכל הממדים כשהיא משחררת את הפלסטיק הנוזלי על מנת ליצור אובייקט. תנועת הזרבובית וכמות הפלסטיק המוחדרת נשלטות על ידי תוכנית החיתוך. הפלסטיק החם מתמצק כמעט מיד לאחר שחרורו מהזרבובית. סוגים אחרים של אמצעי הדפסה זמינים למטרות מיוחדות.
החלק של האוזן שנראה מבחוץ של הגוף מכונה הפינה או האוזן. שאר האוזן ממוקמת בגולגולת. תפקידו של הפינה הוא לאסוף גלי קול ולשלוח אותם לחלק הבא של האוזן.
עושה אוזן
בפברואר 2013, מדענים מאוניברסיטת קורנל בארצות הברית הודיעו כי הם הצליחו לעשות פינת אוזניים בעזרת הדפסת תלת מימד. הצעדים שאחריהם הגיעו מדעני קורנל היו כדלקמן.
- מודל של אוזן נוצר בתוכנית CAD. החוקרים השתמשו בתצלומים של אוזניים אמיתיות כבסיס למודל זה.
- דגם האוזן הודפס על ידי מדפסת תלת מימד, תוך שימוש בפלסטיק ליצירת תבנית עם צורת האוזן.
- בתוך התבנית הונח הידרוג המכיל חלבון הנקרא קולגן. הידרוג'ל הוא ג'ל המכיל מים.
- כונדרוציטים (תאים המייצרים סחוס) הושגו מאוזן הפרה והוסיפו לקולגן.
- אוזן הקולגן הונחה בתמיסת תזונה בצלחת מעבדה. בזמן שהאוזן הייתה בתמיסה, חלק מהכונדרוציטים החליף את הקולגן.
- אז הושתלה האוזן בגב חולדה מתחת לעורה.
- לאחר שלושה חודשים הוחלף לחלוטין הקולגן באוזן בסחוס והאוזן שמרה על צורתה והבחנתה מתאי החולדה שמסביב.
ההבדל בין תבנית לפיגום
בתהליך יצירת האוזניים שתואר לעיל, אוזן הפלסטיק הייתה תבנית אינרטית. תפקידה היחיד היה לספק את הצורה הנכונה לאוזן. אוזן הקולגן שנוצרה בתוך התבנית שימשה פיגום עבור הכונדרוציטים. בהנדסת רקמות, פיגום הוא חומר תואם ביולוגי בעל צורה ספציפית ועליו צומחים תאים. הפיגום לא רק בעל צורה נכונה אלא גם בעל תכונות התומכות בחיי התאים.
מאז שבוצע תהליך יצירת האוזניים המקורי, חוקרי קורנל מצאו דרך להדפיס פיגום קולגן עם הצורה הנכונה הדרושה ליצירת אוזן, מה שמבטל את הדרישה לתבנית פלסטיק.
יתרונות פוטנציאליים של אוזניים מודפסות
אוזניים שנעשו בעזרת מדפסות עשויות להועיל לאנשים שאיבדו את אוזניהם בגלל פציעה או מחלה. הם יכולים גם לעזור לאנשים שנולדו ללא אוזניים או שיש להם כאלה שלא התפתחו כראוי.
כרגע, אוזניים חלופיות עשויות לפעמים מסחוס בצלע המטופל. השגת הסחוס היא חוויה לא נעימה עבור המטופל ועלולה לפגוע בצלע. בנוסף, האוזן המתקבלת עשויה שלא להיראות טבעית במיוחד. אוזניים מיוצרות גם מחומר מלאכותי, אך שוב התוצאה עשויה שלא להיות מספקת לחלוטין. לאוזניים מודפסות יש פוטנציאל להיראות יותר כמו אוזניים טבעיות ולעבוד בצורה יעילה יותר.
במרץ 2013, חברה בשם Oxford Performance Materials דיווחה כי החליפה 75% מגולגולת הגבר בגולגולת פולימר מודפסת. מדפסות תלת מימד משמשות גם לייצור מכשירי בריאות, כגון גפיים תותבות, מכשירי שמיעה והשתלות שיניים.
הדפסת לסת תחתונה
בפברואר 2012 דיווחו מדענים הולנדים כי הם יצרו לסת תחתונה מלאכותית עם מדפסת תלת מימד והשתילו אותה בפניה של אישה בת 83. הלסת נעשתה משכבות של אבקת מתכת טיטניום שהתמזגה בחום וכוסתה בציפוי ביו קרמי. חומרים ביו קרמיים תואמים לרקמות אנושיות.
האישה קיבלה את הלסת המלאכותית מכיוון שסבלה מדלקת עצם כרונית בלסת התחתונה שלה. הרופאים הרגישו כי ניתוח שחזור פנים מסורתי מסוכן מדי עבור האישה בגלל גילה.
בלסת היו מפרקים כך שניתן היה להזיז אותה, כמו גם חללים להצמדת שרירים וחריצים לכלי הדם ולעצבים. האישה הצליחה לומר כמה מילים ברגע שהתעוררה מחומר ההרדמה. למחרת היא הצליחה לבלוע. היא חזרה הביתה אחרי ארבעה ימים. שיניים מלאכותיות היו אמורות להיות מושתלות בלסת במועד מאוחר יותר.
מבנים מודפסים משמשים גם בהכשרה רפואית ובתכנון טרום ניתוחי. מודל תלת מימדי שנוצר מהסריקות הרפואיות של המטופל יכול להיות שימושי מאוד עבור מנתחים, מכיוון שהוא יכול להראות את התנאים הספציפיים בגוף המטופל. זה עשוי לפשט ניתוח מורכב.
תותבות ופריטים מושתלים
לסת המתכת שתוארה לעיל היא סוג של חלק גוף תותב, או מלאכותי. ייצור תותבות הוא תחום בו מדפסות תלת מימד הופכות להיות חשובות. לחלק מבתי החולים יש כיום מדפסות משלהם או שהם עובדים בשיתוף פעולה עם חברת אספקה רפואית שיש לה מדפסת.
יצירת תותבת באמצעות הדפסת תלת מימד היא לרוב תהליך מהיר וזול יותר מיצירה בשיטות ייצור קונבנציונליות. בנוסף, קל יותר ליצור התאמה אישית לחולה כאשר מכשיר תוכנן ומודפס במיוחד עבור האדם. ניתן להשתמש בסריקות בית חולים ליצירת מכשירים מותאמים.
איברי החלפה מודפסים כיום בתלת מימד, לפחות בחלקים מסוימים של העולם. זרועות וידיים מודפסות לרוב זולות משמעותית מאלו המיוצרות בשיטות קונבנציונליות. חברת דפוס תלת מימד אחת עובדת עם וולט דיסני על מנת ליצור ידיים תותבות צבעוניות וכיפיות לילדים. בנוסף ליצירת מוצר זול יותר ובמחיר משתלם יותר, היוזמה נועדה "לעזור לילדים לראות בתותבות שלהם מקור להתרגשות ולא למבוכה או להגבלה".
דוגמאות נוספות
- בסוף 2015 חוליות מודפסות הונחו בהצלחה אצל מטופל. חולים קיבלו גם עצם חזה מודפסת וחזה.
- הדפסת תלת מימד משמשת לייצור השתלות שיניים משופרות.
- מפרקי הירך ההחלפתיים מודפסים לעיתים קרובות.
- צנתרים המתאימים לגודל ולצורה הספציפיים של מעבר בגוף המטופל עשויים להיות נפוצים בקרוב.
- הדפסת תלת מימד מעורבת לעיתים קרובות בייצור מכשירי שמיעה.
הדפסה ביולוגית עם תאים חיים: עתיד אפשרי
הדפסה עם תאים חיים, או הדפסה ביולוגית, מתרחשת היום. זה תהליך עדין. התאים לא חייבים להתחמם מדי. מרבית שיטות ההדפסה התלת מימד כוללות טמפרטורות גבוהות, אשר יהרוגו תאים. בנוסף, נוזל המוביל של התאים אסור לפגוע בהם. הנוזל והתאים שהוא מכיל מכונה דיו ביו (או ביו-אנק).
החלפת איברים ורקמות
החלפת איברים פגומים באיברים המיוצרים ממדפסות תלת מימד תהיה מהפכה נפלאה ברפואה. נכון לעכשיו, אין מספיק איברים שנתרמו לכל מי שצריך.
התוכנית היא לקחת תאים מגופו של המטופל על מנת להדפיס איבר שהוא זקוק לו. תהליך זה אמור למנוע דחיית איברים. התאים עשויים להיות תאי גזע, שהם תאים לא מתמחים המסוגלים לייצר סוגי תאים אחרים כאשר הם מגורה כהלכה. סוגי התאים השונים יופקדו על ידי המדפסת בסדר הנכון. חוקרים מגלים שלפחות סוגים מסוימים של תאים אנושיים הם בעלי יכולת ארגון עצמית כאשר הם מופקדים, מה שיעזור מאוד בתהליך יצירת איבר.
סוג מיוחד של מדפסת תלת מימד המכונה bioprinter משמש לייצור רקמות חיות. בשיטה נפוצה לייצור הרקמה, הידרוג'ל מודפס מראש מדפסת אחד ליצירת פיגום. טיפות נוזלים זעירות, שכל אחת מהן מכילה אלפי רבים של תאים, מודפסות על הפיגום מראש מדפסת אחר. הטיפות מצטרפות במהרה והתאים נקשרים זה לזה. כאשר נוצר המבנה הרצוי, מסירים את פיגום ההידרוג'ל.זה יכול להיות מקולף או שהוא יכול להישטף אם הוא מסיס במים. ניתן להשתמש גם בפיגומים מתכלים. אלה מתפרקים בהדרגה בתוך גוף חי.
ברפואה, השתלה היא העברת איבר או רקמה מתורם למקבל. שתל הוא החדרת מכשיר מלאכותי לגופו של המטופל. הדפסה ביולוגית תלת ממדית נופלת איפשהו בין שני הקצוות הללו. הן "השתלה" והן "שתל" משמשים כאשר מתייחסים לפריטים המיוצרים על ידי מדפסת ביולוגית.
כמה הצלחות ביו-דפוס
שתלים שאינם חיים ופרוטזה שנוצרו על ידי מדפסות תלת מימד כבר משמשים בבני אדם. השימוש בשתלים המכילים תאים חיים דורש מחקר נוסף, המתבצע. איברים שלמים עדיין לא יכולים להיעשות על ידי הדפסה תלת מימדית, אך חלקים של איברים יכולים. מבנים רבים ושונים הודפסו, כולל כתמי שריר לב המסוגלים לנצח, כתמי עור, קטעי כלי דם וסחוס בברך. אלה עדיין לא הושתלו בבני אדם. בשנת 2017, מדענים הציגו אב טיפוס של מדפסת שיכולה ליצור עור אנושי להשתלה, ובשנת 2018 מדענים אחרים הדפיסו קרניות בתהליך שעשוי לשמש יום אחד לתיקון נזק בעיניים.
דווחו על כמה תגליות מלאות תקווה בשנת 2016. צוות מדענים השתיל שלושה סוגים של מבנים מודפסים ביו מתחת לעור העכברים. אלה כללו פינת אוזן אנושית בגודל תינוק, פיסת שריר וקטע של עצם לסת אנושית. כלי דם מהסביבה התרחבו לכל המבנים הללו בזמן שהם היו בגופם של העכברים. זו הייתה התפתחות מרגשת, שכן אספקת דם נחוצה על מנת לשמור על רקמות בחיים. הדם מביא חומרים מזינים לרקמות חיות ומסלק את הפסולת שלהם.
זה היה מרגש גם לציין כי המבנים המושתלים הצליחו להישאר בחיים עד להתפתחות כלי הדם. הישג זה הושג על ידי קיומם של נקבוביות זעירות במבנים שאיפשרו לחומרים מזינים להיכנס אליהם.
הדפסת חלקי לב
יצירת קרנית
מדענים מאוניברסיטת ניוקאסל בבריטניה יצרו קרניות מודפסות בתלת מימד. הקרנית היא הכיסוי השקוף והחיצוני ביותר של עינינו. נזק חמור לכיסוי זה עלול לגרום לעיוורון. השתלת קרנית פותרת את הבעיה לעיתים קרובות, אך אין מספיק קרניות העומדות לרשות כל מי שזקוק להן.
המדענים השיגו תאי גזע מקרנית אנושית בריאה. לאחר מכן הניחו את התאים בג'ל העשוי מאלגינט וקולגן. הג'ל הגן על התאים בזמן שהם נעו דרך הזרבובית היחידה של המדפסת. פחות מעשר דקות נדרשו להדפסת הג'ל והתאים בצורה הנכונה. הצורה הושגה באמצעות סריקת עין של אדם. (במצב רפואי, עיניו של המטופל ייסרקו.) לאחר הדפסת תערובת הג'ל והתאים, ייצרו תאי הגזע קרנית מלאה.
הקרניות שיוצרו בתהליך ההדפסה טרם הושתלו בעיני האדם. יעבור כנראה זמן מה. יש להם פוטנציאל לעזור לאנשים רבים, עם זאת.
גירוי תאי גזע לייצור התאים המיוחדים הנדרשים לייצור חלק מסוים בגוף האדם בזמן הנכון הוא אתגר בפני עצמו. זה תהליך שיכול להיות עם יתרונות נפלאים עבורנו, עם זאת.
היתרונות של מיני איברים, אורגנואידים או איברים על שבב
מדענים הצליחו ליצור מיני איברים על ידי הדפסת תלת מימד (ועל ידי שיטות אחרות). "מיני איברים" הם גרסאות מיניאטוריות של איברים, קטעי איברים, או כתמי רקמה מאיברים ספציפיים. הם מכונים בשמות שונים בנוסף למונח מיני אורגן. היצירות המודפסות אולי לא מכילות כל סוג של מבנה שנמצא בעוגב בגודל מלא, אך הן קירוב טוב. מחקרים מצביעים על כך שהם עשויים להיות בעלי שימושים חשובים, למרות שאינם ניתנים להשתלה.
איברים מיני לא תמיד מיוצרים מתאים המסופקים על ידי תורם אקראי. במקום זאת, הם עשויים לעיתים קרובות מתאיו של אדם הסובל ממחלה. חוקרים יכולים לבדוק את ההשפעות של תרופות על האיבר המיני. אם נמצא כי תרופה מועילה ואינה מזיקה, היא עשויה להינתן לחולה. לתהליך זה ישנם מספר יתרונות. האחת היא שניתן להשתמש בתרופה שעשויה להועיל לגרסת המחלה הספציפית של המטופל ולגנום הספציפי שלהם, מה שמגדיל את הסבירות לטיפול מוצלח. דבר נוסף הוא שרופאים יוכלו להשיג תרופה חריגה או יקרה בדרך כלל לחולה אם הם יכולים להוכיח כי התרופה עשויה להיות יעילה. בנוסף, בדיקת תרופות על מיני איברים עשויה להפחית את הצורך בחיות מעבדה.
מבנה שמחקה את הריאה
בשנת 2019, מדענים מאוניברסיטת רייס ואוניברסיטת וושינגטון הדגימו את יצירתם של איבר מיני המדמה ריאה אנושית בפעולה. המיני ריאה עשויה מהידרוג'ל. הוא מכיל מבנה קטן דמוי ריאות שמתמלא באוויר בפרקי זמן קבועים. רשת כלי מלאים בדם מקיפה את המבנה.
כאשר מגורה, הריאה המדומה וכלייה מתרחבים ומתכווצים בקצב מבלי להישבר. הסרטון מראה כיצד המבנה עובד. למרות שהאורגנואיד אינו בגודל מלא ואינו מחקה את כל הרקמות בריאה אנושית, יכולתו לנוע כמו ריאה היא התפתחות חשובה מאוד.
כמה אתגרים להדפסה ביולוגית
יצירת איבר שמתאים להשתלה היא משימה קשה. איבר הוא מבנה מורכב המכיל סוגי תאים ורקמות שונות המסודרים בתבנית ספציפית. בנוסף, ככל שאברים מתפתחים במהלך ההתפתחות העוברית, הם מקבלים אותות כימיים המאפשרים להתפתח כראוי למבנה הדק שלהם ולהתנהגות מסובכת. אותות אלה חסרים כאשר אנו מנסים ליצור אורגן באופן מלאכותי.
יש מדענים שחושבים שבהתחלה - ואולי לעוד זמן מה - נדפיס מבנים מושתלים שיכולים לבצע פונקציה אחת של איבר במקום כל תפקידיו. מבנים פשוטים יותר עשויים להיות שימושיים מאוד אם הם מפצים על פגם חמור בגוף.
למרות שעשויים לחלוף שנים עד שאיברים מודפסים ביולוגיים יהיו זמינים להשתלות, ייתכן שנראה יתרונות חדשים של הטכנולוגיה לפני כן. נראה שקצב המחקר עולה. העתיד של הדפסת תלת מימד ביחס לרפואה צריך להיות מעניין מאוד וגם מרגש.
הפניות
- אוזן מלאכותית שנוצרה על ידי מדפסת תלת מימד ותאי סחוס חיים ממגזין Smithsonian.
- לסת השתלה תוצרת מדפסת תלת מימד מבית BBC (תאגיד השידור הבריטי)
- ידיים צבעוניות בתלת מימד מודפסות מטעם האגודה האמריקאית להנדסת מכונות
- Bioprinter יוצר חלקי גוף המותאמים אישית במעבדה להשתלה מ"הגרדיאן "
- הקרנית האנושית הראשונה המודפסת בתלת ממד משירות החדשות EurekAlert
- מדפסת תלת מימד מייצרת כבד אנושי זעיר ביותר אי פעם מ- New Scientist
- איברים מודפסים בתלת מימד מיני מדמים פעימות לב וכבד מ- New Scientist
- איבר המדמה את הריאות ממכניקה פופולרית
- מדפסת תלת מימד חדשה מייצרת רקמות אוזניים, שרירים ועצמות בגודל טבעי מתאים חיים מ- Alert Science
- מדפסת ביולוגית תלת מימד להדפסת עור אנושי מהשירות החדש phys.org
מאמר זה מדויק ונכון למיטב ידיעת המחבר. התוכן מיועד למטרות מידע או בידור ואינו מחליף ייעוץ אישי או ייעוץ מקצועי בעניינים עסקיים, פיננסיים, משפטיים או טכניים.
