A 3D nyomtatás használata az állatorvostudományban

Bevezetés

A 3D nyomtatás fogalma, mely lassan két évtizedes múltra nyúlik vissza, olyan műveletre utal, melynek eredménye egy háromdimenziós tárgy. A nyomtatás során egy számítógép által vezérelt, egymásra rakódó rétegekből felépülő tárgyat kapunk. Az így elkészült nyomtatvány szinte bármilyen alakot vagy formát felvehet, illetve jóformán akármilyen alapanyagból elkészíthető, a nyomtató típusától függően. A módszer forradalmiságának köszönhetően mind a hétköznapi, mind a tudományos élet terén nagyon sok területen felhasználható és hatalmas potenciál rejlik benne szinte minden iparágazat számára.

Története

A legelső példány, melynek fejlesztője Hideo Kodama volt, 1980-ban jelent meg. Az általa kifejlesztett eljárás lényege egy fényre keményedő polimer UV-sugárzással való kezelése, melynek két módját fejlesztette ki. Az általa feltalált technikát akkoriban még „rapid prototyping”-nak nevezték. Pár évvel később jelent meg az ún. „sztereolithogáf eljárás”, mely Charles (Chuck) Hull nevéhez fűződik, és amely az egyik legelterjedtebb „AM” (additive manufacturing) eljárás. Itt a fényre keményedő, folyékony halmazállapotú polimer rétegekben kerül egymásra, a rétegeket külön-külön keményíti meg egy UV-fénysugár, keresztkötések kialakításával. Hull 1987-ben mutatta be első „SLA” gépét a nagyközönségnek, majd megalapította a világ első, 3D nyomtatással foglalkozó cégét, a 3D Systems Incorporated-et. A ’90-es évek közepére olyan eljárásokat hoztak létre, melyek képesek voltak egy adott fémtömbből valamilyen formát faragni, ugyanakkor ettől eltérő módszerek tárgyak létrehozására az ezredforulóig nem léteztek. A 3D nyomtatás fogalma mai jelentését már a 2000-es években kapta, addig ez a kifejezés leginkább csak a polimerekkel történő új tárgyak létrehozását jelentette.

Működési alapelve

A 3D-s nyomtatók alkalmazását befolyásolja, hogy a nyomtatott terméknek milyen funkciót kell majd betöltenie, milyen anyagtulajdonságokkal kell rendelkeznie, illetve hogy az alkatrészt mekkora darabszámban kell gyártani. Gyakori elvárás a magas szakítószilárdságú anyag (polikarbonát, vagy valamilyen speciális tulajdonságú polimer) nyomtatása, de a széles anyagválasztéknak köszönhetően olyan speciális igények is kielégíthetők, mint például az átlátszóság vagy az elektrosztatikus feltöltődéstől való mentesség. Ma már olyan hőálló anyag is előállítható, amely nyílt láng hatására sem gyullad meg és nem bocsát ki mérgező gázt. A különböző tulajdonságú alapanyagok keverésével több, mint 1000 anyagtulajdonság érhető el. A mai modern technológiának köszönhetően akár 16–28 mikronos, nagyon vékony rétegek nyomtatása is lehetővé vált, akár 0,1 milliméteres pontossággal. A technológiák átjárhatóságának köszönhetően különböző alapanyagokból készült modellek is összeilleszthetők, és akár 500 darab alkatrészt is le lehet gyártani egy menetben a szerszámozás teljes mellőzésével.
Ezzel párhuzamosan fejlődik az ún. SLS technológia (szelektív lézeres szinterezés). Funkcionális alkatrészek poliamid-, vagy fémporból is előállíthatók szerszámok nélkül. Hőre lágyuló poliamid porból akár egyedi, személyre szabott tárgyak is készíthetők, aminek nagy szerepe lehet majd a versenysportban vagy épp a rehabilitációban.

3D nyomtatók gyógyászati felhasználása és típusai

Hattengelyű nyomtató (six-axis printer): A Louisville-i Egyetem, kardio-vaszkuláris kutatócsoportja használ nyomtatót, mely ahelyett, hogy a formát alulról-felfelé rétegenként építené fel, ahogyan azt a hagyományos 3D-s eljárásoknál megszokhattuk, a nyomtató képes különböző részeket előállítani minden irányból körüljárva a mintát. A nyomtató képest egy teljesen új külső réteget készíteni az addig elkészült minta felületére minden irányból. Ez az eljárás sokat segíthet a szövetekhez, szervekhez csatlakozó különböző erek kialakításához

Bioprinting jelentősége

Az egészségiparban a legsokrétűbb felhasználási alternatívát kínáló, ugyanakkor a hagyományos 3D nyomtatásnál jóval bonyolultabb módszer a Bio-nyomtatás (Bioprinting). Az eljárás lehetőséget kínál ún. Bioanyagok (Biomaterials) nyomtatására az egyszerű szövetektől a bonyolultabb szervekig (lágy szövetek, csontok stb). A különböző csontpótlásoktól, kezdve fémből és különböző polimerek felhasználásával készült a sebészeti kiegészítő eszközön át, az élő sejtek felhasználásával nyomtatott humán szövetekig láthatunk kísérletek, melyek alkalmazhatósága nagyon gyorsan fejlődik. Ahelyett, hogy bonyolult számítástechnikai algoritmusok segítségével tervezzenek szövet modelleket, a kutatók CT és MRI felvételeket használhatnak a nyomtatás tervezésekor. Sok esetben ezek a nyomtatott szervek nem funkcionálisan értékesek, hanem például egy bonyolultabb műtétet megelőzően a képalkotó eljárások segítségével előállított modellt a sebész csoport előre tanulmányozhatja, jóval a beavatkozás előtt. Sok weblap nyújt összefoglalót ezeknek a képalkotó eljárások által szolgáltatott képi információ (Instructables) 3D printelésben történő felhasználására.

Bioprinting sokszínű felhasználhatóságának bizonyítéka

Részletes magyarázatot mutat be az Organovo cég által a 3D bioprinting eljárásról készített videó. Alapvetően a szövet megtervezése után a cég előállítja a szükséges „bio-tintát” ("bio-ink") a szükséges sejtek felhasználásával. A bioprinter segítségével a sejteket speciális vízbázisú rétegek közé rétegzik egymásra, amíg ki nem alakul a kívánt szövet. Ez a hidrogél a sejteket tartalmazó rétegek között tartja a 3D szövetmátrixot és tölti be az esetleges hiányosságokat a szövetben. A sejtek összetartására kollagén is használatos. Ez az ún. „layer by layer” rétegzéses technika nagyon hasonló a normál 3D nyomtatás folyamatához, ahol a tárgyak alulról felfelé haladva épülnek fel. Erre az eljárásra példa az Organovo vállalat által kifejlesztett, speciális bioprinter, amelynek segítségével a vállalat májszövet létrehozásával kísérletezett. Gömbszerű parenchymális (vagy más alapvető) májsejteket töltöttek egy fecskendőbe. Egy másik fecskendőbe nonparenchymális májsejteket valamint hidrogélt töltöttek, ami biztosítja a szövet tartását, fúzionálja sejteket. Ez a biológiai tinta (bio-ink) alakítja ki a térbeli mintát a petricsészében, melyet a sejtek később teljes egészében kitöltenek. Ezek után az inkubátorban a sejtek teljesen összenőnek, kialakítva a májszövetet.
kép
További lehetőségek rejlenek az őssejtek felhasználásában bioprinting folyamatokban. Mivel az őssejtek könnyen adaptálódnak szövetekhez, alkalmazásuk kézenfekvő lehetőséget jelent a különböző szövetek, csontok nyomtatására. A Nottinghami Egyetem kutatói őssejtekkel bevont csontpótlásokat alakítottak ki, mely idővel szövetté fejlődik. Jelenleg nehéz hatékonyan alkalmazni őssejteket bonyolultabb komplex szövetek, szervek mint szív, vagy máj javítására, de a bionyomtatás jelenthet bizonyos új irányokat, lehetőségeket.
Noha legtöbbször az élő sejtek nyomtatásáról és a velük való kísérletezésről olvasunk, sokan alkalmaznak kutatásaik során biodegradábilis vagy biokompatibilis anyagokat, amelyek használhatók különböző testrészek korrekciójára, illetve felépítésére. Az olyan anyagok nyomtatása, amely javíthat a csontok, porcok és a bőr szerkezetén, fontos a jövő technológiájában. Sokféle anyag használatos a felhasználási terület függvényében a rugalmas műanyagtól titán porig, amelyet például állkapocs implantátum kialakítására alkalmaztak már.

Alkalmazási területei az állatorvostudományon belül

Csontreplikációk készítése

Csakúgy, mint az orvostudomány területén belül minden felhasználási lehetőség esetében, rendkívül fontos a precíz nyomtatás. Az ilyen pontosságot megkövetelő műveletekhez egy speciális eljárást, az ún. Fused Deposition Modeling-et (FDM) alkalmaznak, mely akár 20 mikrométeres pontosságú nyomtatványok készítésére is alkalmas. Használata igen széleskörű: diagnosztikai, műtét megtervezési, implantátumkészítési jelentőséggel bír. A műtétet gyorsabbá teszi és megkönnyíti a beavatkozást, segíti az esetleges ilyen helyzetben fellépő krízishelyzetek megoldását, valamint csökkenti a műtét kockázatát – különösen a nagy sebészeti szaktudást igénylő és komplex műtéti eljárások során (mint például állkapcsi- vagy gerincsérülések esetén). Az ilyen esetekben használt implantátumok és segédeszközök anyaga lehet polimetil-metakrilát, különböző fémek vagy hidroxiapatit – ezek kiváltképp hasznosak például csípőtörés vagy csigolyasebészeti eljárások során.
A modellek leképezése CT vagy MRI felvételek alapján készül – így a csontokon túl lehetséges erekről, izmokról, egyéb szövetekről is kópiákat előállítani. Az így létrehozott nyomtatványok alkalmazása sokrétű; a fentebb már említett sebészi beavatkozások szimulálása (ezáltal a műtéti kockázat jóval kisebb, hiszen az adott betegről készített CT alapján pontos másolat készül a problémás területről) mellett alkalmas a tulajdonosok informálására, szemléltető eszköznek illetve az állatorvosképzésben a diákok oktatására, gyakorlási lehetőségként. Bár elméleti síkon jóformán végtelen a felhasználási lehetőségek tárháza, egyelőre csak speciális laborok készítenek ilyen nyomtatványokat, de a jövőben akár minden jelentősebb klinika kellékévé válhat egy 3D nyomtató.

Bioprinting esettanulmény

Öt, mandibulektómián átesett kutya hiányzó csontrészletét pótolták egy speciális titánium vázzal, melyet egy speciális anyaggal, rhBMP-2-vel vontak be, és figyelték a szövetek regenerálódását az értintett területen.
A kiterjedt mandibuláris károsodás kialakulásának hátterében állhat például tumor eltávolítás, valamilyen traumás sérülés, illetve különféle veleszületett rendellenességek. Ezek a degradációk azért veszélyesek, mert a rágás nehézségéhez, elmozdulásokhoz, végül pedig a temporomandibuláris ízület deformációjához vezetnek. Ha a károsodás túlságosan kiterjedt ahhoz, hogy az állat élete során magától regenerálódjanak az ottani károsult szövetek, implantátum beültetésére van szükség. Ezek leggyakrabban az adott állat valamely egyéb testtájából vett csont, vagy annak valamely helyettesítőanyaga. Ugyanakkor ezek a módszerek sokszor a beültetésre használt csontdarab eredeti helyén okoznak károsodást, emellett a felhasználható maximális méret is korlátozott és meglehetősen nehéz a megfelelő formát előállítani. Ezért forradalmi újítás a különböző nyomásnak ellenálló mátrixba foglalt, a BMP-k közé tartozó rhBMP-2-vel bevont titániumvázak használata, mert itt minden fentebbi kockázat megszüntethető és elérhető vele a tökéletes biológiai funkció visszaállítása és a fájdalommentes rágás. Mindezen eredmények a BMP-knek köszönhetőek, melyek olyan exogén bioaktív anyagok, melyekkel a szervezet önregeneráló folyamatai serkenthetők, méghozzá egy előre meghatározott formára. Emellett ők a felelősek azon folyamat beindításáért, mely a progenitorsejteket csontszövet formálására késztetik. Mindenen tulajdonságok miatt klinikai felhasználásuk meglehetősen széleskörű, alkalmazzák például a fogászatban, vagy gerincproblémák orvoslásában is. Az implantátum beültetéséhez elengedhetetlenül fontos az előretervezés, így a modellezéshez 3D nyomtatványokat használnak.
Mind az öt esetben valamilyen tumor okozta a károsodást, ami mandibulektómiához vezetett. A műtéti beavatkozás előtt mindegyik állat előzetes vizsgálatoknak lett alávetve, így többek között hasi ultrahang és CT készült róluk, utóbbit a műtét után is megismételték. Az implantátum behelyezése előtt az ezen képek alapján készült kinyomtatott másolatot használták három állat esetében, hogy szimulálják a beavatkozást, végül pedig a képeken látható szövetek denzitásának mérésével megállapították azok regenerálódásának mértékét. Egy esetben szükség volt egy kétlepcsős operációra, azért, hogy minden tumorsejtet eltávolíthassanak a kérdéses területen.
Az implantátum előkészítése és a harapásnyom felvétele után a mandibulektómia, majd az implantátum beültetése következett; először a titánium váz, majd pedig az rhBMP2-vel átitatott CRM került a mandibula eltávolított része helyére, majd a környező lágy szövetekkel borították a beültetett fémet és mátrixot. Az operáció után 2 hétig tartó utókezelést biztosítottak az állatok számára, majd 2-24 hónapig figyelemmel követték felépülésüket. Minden esetben az állat normális rágásra lett képes és minden esetben tumorsejtek nélküli, ép kemény szövetek fejlődtek. Az egyik állatnál a titánium lemez mucosa-n való áttüremkedése, egy másiknál pedig a műtéti heg felrepedése és a CMR elmozdulása következett be, előbbit egy mucosa-szövet beültetéssel, utóbbit pedig egy korrigáló műtéti eljárással küszöbölték ki. Utóbbi után 8 héttel újabb CT-felvételek készültek, melyek a CMR felszívódását és a szövetfejlődést mutattak. A posztoperációs CT-felvételekből megállapították, hogy enyhén rendellenes csontszövet-fejlődést tapasztalható az implantátum axiális, ventrális és dorzális felszínén. A műtét után 6 hónappal az eredeti állkapocscsont és az implantátum axiális és ventrális felülete között új, összekötő csontszövet jelent meg. Abban a két állatban, ahol nem léptek fel komplikációk, elmondható, hogy a regenerálódó szövet emelkedő ásványianyag-tartalmú és porozitású, ugyanakkor csökkenő átlagsűrűségű.
Összegzésként elmondható, hogy bár sok esetben igen, mégsem mindig van lehetőség a teljes alsó állkapocs regenerációjára, mivel a környező lágy szövetek az amputáció után nem elég hosszúak az implantátum befedéséhez. Fontos továbbá, hogy az rhBMP-2 elősegítheti bizonyos tumorsejtek fejlődését és ezáltal a daganat kiújúlását. Megemlítendő ezen kívül, hogy a 3D nyomtatványok használata jobb rálátást ad a rendellenesség megvizsgálására és megkönnyíti és a gazdaságosabbá teszi a műtéti beavatkozás elvégzését azáltal, hogy a sebész gyakorolhat a nyomtatványon.

Egyéb Szövetek és szervek nyomtatása

Mivel a kutatások ilyen téren még meglehetősen gyerekcipőben járnak, az ilyen módszerrel létrehozott szövetek használata szélesebb körű; például a fentebb említett módon gyógyszerfejlesztési kísérletekhez használhatók fel. Noha kutatók már évtizedek óta tenyésztenek különböző szövetekből származó sejteket, szöveteket illetve különböző ereket in vitro körülmények között és ezek továbbtenyésztése régóta rutin eljárásnak számít a biológiai kutatások során, a 3D nyomtatás – a nagyon pontos sejtrétegzés miatt – itt is kínál további lehetőségeket, mellyel bonyolultabb struktúrák kialakítására lesz lehetőség. Ugyanakkor működőképes szervek előállításával hatalmas áttörést lehetne elérni az orvostudományban (hiszen nem kellene hónapokig donorra várni szervátültetés esetén, és a saját szervezetből vett sejtminta miatt a szerv kilökődésétől sem kellene tartani), így a területen nagyon sok kutatást végeznek.
kép
A szervek 3D nyomtatásának jelenleg legnagyobb gátja a szükséges érhálózat kialakításának nehézsége, mivel a szervek igényelnek egy bonyolult vénákból kapillárisokból és artériákból álló táplálékot és sok más összetevőt szállító rendszert. Az egyik lehetőség szerint a sejtek nyomtatása során helyet alakítanak ki a később beültetésre kerülő, ugyancsak 3D nyomtatással előállított vénák számára. A kutatók most a vénák hatékony és megbízható nyomtatásának lehetőségeit kutatják. A területen igen figyelemreméltó eredményeket értek ez ai Iowai Egyetem kutatólaobatóriumának munkatársai.
A Pennsylvaniai Egyetemen az ún. RepRap nyomtató segítségével cukor felhasználásával kialakították az érhálózat vázát, mely utána feloldódva alakította ki a hálózathoz szükséges helyet és formát. Harvardi kutatók ugyancsak elkezdtek ebben a témában dolgozni, úgy, hogy 3D nyomtatott ereket kívánnak bőrsejtekbe integrálni.

Szívbillentyűk

Alginát, simaizomsejtek és a szívbillentyűkben található intersticiális sejtek kombinálásával kapott „tintával” létrehozott szívbillentyűt hoztak létre, melynek funkcionális hatékonyságát egy birkába beültetve fogják tesztelni.

Szintetikus bőr

Ez a fejlesztés egy olyan nyomtatónak köszönhető, ami képes felmérni a sérült terület nagyságát és pontos alakját és a begyűjtött információknak megfelelően ott helyben, a seb felett kezdi el létrehozni a bőrt, melyben a sejtek rétegszámát szintén az előzetesen felvett adatok határozzák meg. Egyelőre ezt még csak sertésen tesztelték, de az USA hadserege már élénken érdeklődik a nyomtató iránt és a témával kapcsolatos további kutatásokhoz is anyagi támogatást nyújt.

Gyógyszerfejlesztés

Annak ellenére, hogy a mai technológia nem annyira fejlett még, hogy teljes, működésre képes szerveket legyünk képesek létrehozni, az előállítható szövetminták kiválóan alkalmasak gyógyszerek és egyéb klinika kezelések tesztelésére. Anélkül, hogy korai fázisú humán vagy állatkísérleteket végeznénk, a bionyomtatás sokkal költséghatékonyabb és etikusabb és hasonlóan pontos alternatívát kínál a gyógyszerkutatásban. Emellett a 3D nyomtatás a jövőben a gyógyszerszállítást is forradalmasíthatja.

Protézisek gyártása

A 3D nyomtatóval létrehozott protézisek gyorsan elkészülnek, könnyen személyre szabhatók és igen olcsóak, így könnyen elérhetők mindazok számára, akik szerény anyagi forrásokkal rendelkeznek. Ez leginkább a fejlődő országokban jelent nagy segítséget, ahol az átlagos életszínvonal meglehetősen alacsony, ugyanakkor a még most is dúló háborúk miatt magas az igény a végtagpótlásra. Az ilyen jellegű fejlesztésekben úttörő az e-NABLE nevű szervezet.

Testreszabott szenzorok

Egyelőre kísérletek folynak, melyek lényege, hogy előzetesen elkészített felvételek alapján a személy szívéről egy 3D-s modell készül, amelyet egy szilikonba ágyazott, parányi, nyújtható elektronikus szerkezetekből álló burokkal vesznek körül. Ezt lehámozva a szívmodellről az ember szívére rögzítve a szenzorok képesek többek között az oxigén parciális nyomását és a szívizomzat feszülését detektálni.

Oktatási jelentősége

A háromdimenziós nyomtatás szerepe az orvos képzésekben

Ezek az eszközök forradalmasíthatják a gyakorlati oktatást, és bár Európában ez még a jövő zenéje, az USA-ban már kezd elterjedté válni a módszer. Ennek az alkalmazási lehetőségnek jelentőségére világít rá a következő kiemelt cikkrészlet:

„Most már 24 órán belül képesek vagyunk egy CT kép alapján elkészíteni egy nyomatott csontot” – állította Dr. Motta, az Ohio State University Department of Veterinary College klinikai professzora.

Ezek az eszközök megváltoztatják az eddigi tanulási módszereket; a diákok törött csontok összeillesztését is tudják gyakorolni a műcsontokon.

Ezáltal a diákok hatalmas gyakorlati előnyre és magabiztosságra tesznek szert, mielőtt még élő állathoz érnének – magyarázta Dr. Motta. A nyomtatót használva a hallgatók eredeti állapotában láthatják a csontot, úgy ahogy az a valóságban is előfordul az állati szervezetben.

„Ohio állam sebészeti oktatása mély történelmi múlttal rendelkezik, amely elősegítette ennek az új módszernek a kifejlesztéséhez” – fejtette ki a professzor.