Revolucija medicinske nege na pomolu: Robotička ruka omogućiće 3D bioštampu na ljudskim organima i tkivima

3D bioštampanje predstavlja proces u kome se biomedicinski delovi proizvode od takozvanog biomastila kako bi se stvorile strukture koje liče na prirodno tkivo. Bioštampanje se u velikoj meri primenjuje u razvoju novih lekova i u specifične istraživačke svrhe kao što je inženjering tkiva. S obzirom da ta tehnologija zahteva upotrebu ogromnih mašina za 3D štampanje kako bi se stvorile ćelijske strukture izvan živog tela, uglavnom je ograničena na istraživačke laboratorije. 

Iako je tehnologija 3D bioštampanja olakšavala lečenje niza stanja u poslednjih nekoliko godina, ona ima donosi određene rizike. To uključuje, ali nije ograničeno na, povrede tkiva, infekcije i oštećenja biomaterijala. Naime, budući da su mekani i krhki, biomaterijali su veoma podložni oštećenjima ukoliko se njima ne rukuje pravilno tokom procesa implantacije. 

Još jedan izazov pri implementaciji 3D konstrukcije koja je proizvedena izvan ljudskog tela je potencijalna neusklađenost između njene površine i tkiva u koje bi trebalo da se implantira. Ohrabrujuće rešenje leži u implantaciji biomaterijala direktno na tkivo. To je upravo ono što je tim inženjera na Univerzitetu u Novom Južnom Velsu (UNSV) možda uspeo da razvije. 

Dr Robot  – F3DB

Novo istraživanje sprovedeno je u laboratoriji za medicinsku robotiku UNSW, a vodili su ga dr Thanh Nho Do i njegov doktorant Mai Thanh Thai, u saradnji sa profesorom nauke Nigelom Lowellom, dr Hoang-Phuong Phanom i vanrednom profesorkom Jelenom Rnjak-Kovačinom. Ceo rad je objavljen u časopisu Advanced Science. 

Naučnici su konstruisali novi uređaj, fleksibilnu meku robotsku ruku koja se može umetnuti u ljudsko telo i štampati biomaterijale direktno na površini tkiva ili organa. Prototip uređaja je sličan endoskopu i veličine je oko 11-13 mm. Ovako male dimenzije omogućavaju da se uređaj ubaci u ljudski gastrointestinalni trakt. 

Dr Thanh Nho Do, Univerzitet u Novom Južnom Velsu

F3DB testiran je i na ravnim i zakrivljenim površinama – unutar veštačkog debelog creva i na površini bubrega svinje. Uređaj je precizno štampao različite oblike koristeći biomaterijale, kompozitni gel i čokoladu. Biomaterijali obično uključuju žive ćelije u kombinaciji sa lekovima. 

Istraživački tim je takođe istraživao koliko odštampani živi biomaterijal može da opstane kako bi dodatno ilustrovao održivost tehnologije. Utvrđeno je da je većina ćelija ostala živa nakon štampanja, što pokazuje da ćelije nisu oštećene u toku procesa. Zapravo, većina njih je ostala živa, i što je još interesantnije, nastavile su da rastu u narednih sedam dana. Krajnji rezultat je bio četiri puta više ćelija samo nedelju dana nakon 3D bioštampanja. 

Nakon završetka štampanja na jednoj oblasti, F3DB se može premestiti na drugu kako bi ponovo započeo proces štampe. To podrazumeva da se, suprotno postojećoj tehnologiji bioštampanja, uređaj može primeniti na velikim površinama, uključujući celu površinu organa kao što su debelo crevo, želudac, srce i bešika. 

Meka robotika

Uređaj F3DB je opremljen troosnom glavom za štampanje koja je pričvršćena direktno na kraj fleksibilne robotske ruke. Njegova glava za štampanje funkcioniše veoma slično drugim desktop 3D štampačima jer je napravljena od mekih veštačkih mišica koji joj omogućavaju da se kreće u tri dimenzije. 

Zbog hidraulike, meka robotska ruka se može savijati i uvijati i može se napraviti do bilo koje potrebne dužine. Njena krutost se može precizno podesiti korišćenjem različitih vrsta elastične tkanine i cevi. 

Izvor: Academic Science 

Kada je potrebno sofisticiranije ili proizvoljno bioštampanje, otvorom za štampanje može se manipulisati ručno ili se može programirati za štampanje određenih oblika. Istraživači su takođe koristili kontroler koji je zasnovan na mašinskom učenju i može biti od pomoći pri štampanju. 

Jedan alat za sve 

Inženjeri su takođe pokazali kako se F3DB može primeniti kao višenamenski endoskopski hirurški instrument. Po njima, ovo može biti posebno značajno u operacijama uklanjanja raka, posebno kolorektalnog karcinoma, putem procedure poznate kao endoskopska submukozna disekcija (ESD). 

Na globalnom nivou, kolorektalni rak je treći najčešći uzrok smrti od raka. Međutim, rano uklanjanje kolorektalne neoplazije povećava petogodišnju stopu preživljavanja pacijenata za najmanje 90%. Otvor  na glavi uređaja može se primeniti kao vrsta električnog skalpela za obeležavanje i uklanjanje malignih lezija. 

Pored toga, voda se može prskati kroz otvor da bi se uklonila krv ili dodatno tkivo iz rane. Dok je robotska ruka još uvek na mestu, trenutno 3D štampanje biomaterijala može ubrzati proces zarastanja. 

Trenutno još ne postoje komercijalno dostupni alati koji mogu da štampaju unutrašnje organe i tkiva. Kako navode tvorci F3DB-a, uz dodatni rad i razvoj, uređaj bi trebalo da bude dostupan  stručnjacima na polju medicine i zdravstva za pet do sedam godina. 

Zašto je 3D bioštampanje značajno? 

Kao što je već pomenuto, 3D bioštampanje se odnosi na tehnologiju u kojoj se biomastila mešaju sa živim ćelijama, a zatim štampaju u 3D formatu da bi se formirale strukture koje liče na prirodna tkiva. Biomastila se sastoje od prirodnih ili sintetičkih biomaterijala koji se mogu kombinovati sa živim ćelijama. Trenutno, 3D bioštampanje može da se koristi u oblastima istraživanja kao što je inženjering tkiva, kao i razvoju novih lekova.

Izvor: BIOLIFE4D

Discipline inženjerstva tkiva, bioinženjeringa i nauke o materijalima mogu imati koristi od 3D bioštampanja. Sadašnji fokus istraživanja bioprintinga je na kliničkim primenama, uključujući 3D štampane kožne i koštane transplantate, implantate, pa čak i kompletne organe. Iako se sve više koristi za istraživanje i odobravanje lekova, samo je pitanje vremena kada će 3D bioštampanje biti premešteno u bolnice i klinike za redovno lečenje različitih bolesti i stanja. 

3D bioštampanje je ključno u oblasti inženjeringa tkiva, čiji je cilj stvaranje funkcionalnog tkiva za primenu u testiranju lekova i regenerativnoj medicini. Nadamo se da će lečenje ili potpuna zamena oštećenih tkiva i organa jednog dana biti moguća uz pomoć regeneracije i rekonstrukcije tkiva. 

Prednosti i mane 3D bioštampanja 

Ništa nije savršeno, pa ni 3D bioštampanje. Tehnologija ima svoje prednosti i nedostatke. Iako prednosti nesumnjivo prevazilaze mane, vredi ih uzeti u obzir. 

Prednosti: 

• Omogućava replikaciju prirodne strukture željenih tkiva i organa. 
• Ima potencijal da značajno unapredi medicinske tretmane u budućnosti. 
• Mogao bi da omogući kreiranje personalizovanih tretmana za pojedinačne pacijente i organe. 
• Efekti lekova se mogu preciznije i detaljnije proučavati. 
• Može smanjiti potrebu za testiranjem na životinjama. 

• Biokompatibilan je sa ljudskim ćelijama i tkivima. 
• Može da automatizuje složene procese, što dovodi do veće doslednosti i manje grešaka. 

Nedostaci: 

• Tehnologija je nezamislivo skupa  
• Proces je složen i može biti težak za održavanje u smislu ćelijskog okruženja. 

• To može izazvati etička pitanja i zabrinutost 
• Potrošnja energije može biti zabrinjavajuća. 

3D bioštampanje i budućnost 

Razvoj 3D bioštampanja je još jedan primer koliko se brzo tehnologija razvija. Ova metoda trodimenzionalnog štampanja ima potencijal da reši zdravstvene probleme stvaranjem funkcionalnih organa upotrebom bioštampanog tkiva iz ćelija pacijenta. Uspešne transplantacije bešike korišćenjem bioštampanog tkiva napravljenog od ćelija pacijenata su već ostvarene. Potencijal za štampanje drugih funkcionalnih organa je tema istraživanja koja su u toku.  

U budućnosti, prilagođeni ljudski organi mogli bi da se štampaju koristeći sopstvene ćelije ili matične ćelije pacijenata kao osnovu, potencijalno eliminišući potrebu za donorima organa. Ova tehnologija može potpuno promeniti način na koji se bolesti leče i sprečavaju u budućnosti. Predviđeno je da bi tehnologija bioštampanja na kraju mogla poboljšati i pojednostaviti medicinski tretman.