История на 3D принтирането в медицината

От 1984г.

Акценти

От началото на своето съществуване 3D принтирането смело навлиза и намира приложение в най-различни индустрии. Най-изненадващо се оказва, че в здравеопазването то става незаменим способ за решаване на сложни медицински казуси и за успешно заменяне на човешки органи и тъкани. С годините все повече се усъвършенства, става икономически по-достъпен и намира разнообразни приложения.

3D принтирането се счита за причина за някои от най-впечатляващите медицински постижения като протезни устройства, 3D отпечатана съдова тъкан, кости, както и различни медицински устройства като пейсмейкъри, хирургически водачи и др.

Хронология на 3D принтирането в медицината

Началото се поставя на 8 август 1984 г., когато Чарлз "Чък" Хъл патентова апарат за производство на триизмерни обекти чрез стереолитография, което на практика го превръща в първия 3D принтер в света. 3D печатът всъщност е механичен процес, при който се създават твърди обекти посредством "отпечатване" на последователни слоеве материал, за да се образува форма, моделирана в компютър.

Една от първите индустрии, които бързо прегърнаха идеята и внедриха технологията за 3D принтирането, е здравната. В края на 90-те и в началото на 2000 години лекарите и специално хирурзите откриват какъв революционен потенциал има новата технология. Дори Чък Хъл е изумен от степента, до която медицинската индустрия възприема неговото изобретение и започва да го прилага на практика. Първите изработки на 3D принтирането са зъбни импланти и персонализирани протези. Но оттогава развитието е значително и вече става въпрос за цели органи.

>>> Разработиха техника за 3D отпечатване на очни протези

Основните етапи в историята на 3D биопринтинга са:

• Заслужено трябва да се спомене, че през 1839 г. учените разбират, че клетките са градивните елементи на живота и тогава е формулирана клетъчната теория.
• Друго откритие, което има отношение към 3D принтирането, е идентифицирането на стволовите клетки, което става през 1978 г.
• Началото е поставено през 1984 г., когато Чарлз "Чък" Хъл изобретява и патентова апарат за производство на триизмерни обекти чрез стереолитография.
• За първи път е демонстриран биопечат чрез 2D микропозициониране на клетки.
• Същата година Чък Хъл разработва и първият търговски 3D принтер.
• През 1996 г. д-р Габор Форгач установява, че отделните клетъчни агрегати могат да бъдат подредени чрез наблюдения на ембрионалното развитие. Когато клетки от един и същ тип се срещат една с друга, те се прилепват и образуват клетъчен агрегат. Колкото повече се присъединяват, толкова по-голям става агрегатът и се превръща в клъстер от клетки.
• Биологът Джеймс Томпсън разработва първите човешки стволови клетъчни линии през 1998 г.
• Изследователски екип от Института за регенеративна медицина "Уейк Форест", САЩ, създава първият в света орган - пикочен мехур, отгледан в лаборатория. Това става през 1999 г., като след това успешно е имплантиран в човек. Става въпрос за заместващи пикочни мехури за деца, родени със спина бифида. Самите изкуствени органи са изработени върху "скеле" от колаген и синтетичен полимер. Седем пациенти получават пикочните мехури. Като вижда, че проектът е успешен, д-р Антъни Атала решава да ползва 3D печат, за да създаде персонализирано "скеле", нужно за поддържане на изкуствени органи.
• 3D печатът започва да се прилага в медицината през 2000 г. На пазара е пуснат първият биопринтер от EnvisionTEC, който е базиран на екструзия.
• През 2001 г. е създадена 3D-принтирана синтетична платформа за култивиране на човешки пикочен мехур.
• Две години по-късно е разработен първият мастилено-струен биопринтер чрез модифициране на стандартен такъв. Същата година е бележита с още един факт - институтът "Уейк Форест" преди всички експериментално създава функционален твърд орган. Това е минибъбрек, който е способен да отделя урина.
• През 2004 г. д-р Габор Форгач създава 3D тъкан само от клетки, без "скеле". Под "скеле" се разбира основа от колаген, алгинат, хиалуронан или желатин и др., която предоставя на клетката място, върху което да расте и от което да се набавя нужните й хранителни вещества. Биопринтерът се зарежда с някой от тези материали и започва да пресъздава желания обект слой по слой.
• През 2006 г. д-р Шиня Яманака е удостоен с Нобелова награда заради откритието, че зрелите специализирани клетки е възможно да бъдат препрограмирани обратно в състояние на стволови клетки. По този начин се потвърждава, че клетъчната диференциация не е еднопосочна.
• През 2008 г. е създадена първата 3D-принтирана протеза за крак.
• Първите 3D-биопринтирани кръвоносни съдове са дело на фирма Organovo и стават факт през 2009 г.
• През 2012 г. е осъществен in situ (процес, който не се разпростира извън мястото на зараждането си) биопечат върху животни. През тази година от LayerWise произвеждат принтирана на 3D принтер челюст.
• Две години по-късно Organovo създава първата налична в търговската мрежа 3D човешка чернодробна тъкан, а Allevi започва да продава първия настолен биопринтер.
• Първата 3D-принтирана таблетка Spritam, дело на Aprecia Pharmaceuticals, е одобрена от Американската агенция по лекарствата и храните (FDA) през 2015 г.
• През 2018 г. на пазара се пуска 3D биопринтираният модел на човешка тъкан Poieskin. Той е дело на производителя Poietis като същата година фирмата стартира и своите 4D биопринтиращи системи.
• През 2019 г. учени от университета в Тел Авив отпечатват първото 3D сърце с мрежа от кръвоносни съдове, способни да се свиват. Същата година е факт и отпечатването на 3D биопринт въздушен сак, доближаващ се до белия дроб, както и принадлежащите му кръвоносни съдове. Това е постигнато от основателя на Volumetric Джордан Милър и неговите колеги.
• През 2020 г. FabRx пуска в търговската мрежа първият 3D принтер за производството на персонализирани лекарства.

Какво бъдеще ни очаква

Едни от големите предимства на 3D печата са, че той е гъвкав, позволява бързи промени и повторения и е подходящ за продукти, които изискват както висока степен на персонализиране, така и производство в малък обем. Историята му в медицината не е много дълга, но води към бъдеще, в което иновациите, които предлага, ще революционизират грижите за пациентите, разработването на медицински изделия и хирургическите техники.

>>> Създадоха 3D принтирана мозъчна тъкан, която разкрива нови възможности за лечение на невродегенеративни заболявания

Биопринтиране и изкуствен интелект

През 2025 г. към 3D печата се присъединява и изкуственият интелект, което води до забележителни резултати в здравеопазването. Той се използва при направата на присадки за съдовата хирургия. Иновациите, основани на изкуствен интелект, са подобрили процента на успех и издръжливост на присадките и те остават ефективни във времето без усложнения.

Нововъведения в денталната грижа

През 2025 г. се наблюдават промени и в денталната индустрия. Комбинацията от 3D печат и изкуствен интелект променя значително начина на предоставяне на дентална грижа. Производството на зъбни реставрации като коронки, мостове и др. вече са с по-голяма прецизност и същевременно много се намаляват времето и разходите за изработването на различните изделия.

Биопечат в космоса

Едно от най-революционните развития от 2025 г. е внедряването на технологията за биопечат в космоса. На борда на Международната космическа станция е поставен биопринтер от Auxilium Biotechnologies за отпечатването на 8 имплантируеми медицински устройства за 2 часа. Става ясно, че медицинските устройства са изключително прецизни и ефективни, когато са направени в условията на микрогравитация.

3D-принтирани сърдечни клапи

Налице е и пробив в разработването на 3D-принтирани сърдечни клапи, които са едновременно биорезорбируеми и създадени от материали с памет на формата. Иновацията е значителен напредък по отношение на лечението на сърдечни клапни заболявания.

Бъдещо решаване на проблема с органите за трансплантация

Бъдещето на биопринтинга е насочено и към създаването на биологични тъкани и органи слой по слой с помощта на биомастила, съставени от живи клетки. Очакванията са, че тази технология има потенциала да премахне глобалния недостиг на органи за трансплантация, като така се премине към производството на функционални тъкани и органи, съобразени с персоналните нужди на пациентите.

Напредък в тъканното инженерство

Също така биопечатът позволява вече направата на тъкани и органоиди, които се използват за научни изследвания и разработване на лекарства. Това би позволило намаляване на необходимостта от тестове върху животни и терапевтични подходи спрямо отделния индивид.