A 3D-nyomtatásnak sokáig csak azok a tervezők örültek, akik a módszer segítségével lényegesen könnyebben és olcsóbban tudtak különleges formájú prototípusokat legyártani. Őket később az űrhajósok követték, a módszernek köszönhetően ugyanis ma már akár egy email-csatolmányaként is fel lehet küldeni egy-egy hiányzó eszközt a nemzetközi űrállomásra, ahol egy 3D-nyomtató segítségével létrehoznak például egy speciális szerszámot.
Idővel a divattervezők is felfedezték maguknak a 3D-nyomtatást, jöttek az otthoni barkácsolók, közben pedig az orvoslás területéről is megérkeztek a kutatók, hogy tanulmányozzák a módszert és megmutassák, hogyan lehet még tovább fejleszteni.
Mi is írtunk korábban egy igen szimpatikus kezdeményezésről, amely már közelít a testrészek nyomtatásához: az önkéntesekből álló e-NABLE szerveződés ingyen készít 3D-nyomtatott protéziseket rászoruló gyerekeknek. Ezek azonban még mindig protézisek, vagyis jól láthatóan nem emberi testrészeket imitálnak. De létezik már olyan 3D-nyomtatott „szerv” is, amely megszólalásig hasonlít a valódira – még vér is folyik belőle, ha megvágják –, az orvostanhallgatók képzését segíti, az alábbi videón is látható módon.
De a testrészeink nem műanyagból vannak!
A „hagyományos” 3D-nyomtatás lényege, hogy hőre keményedő műanyagot tud a nyomtatófej vékony rétegekben kinyomni, így hozza létre a különféle térbeli struktúrákat. Ez eddig rendben is lenne, de hogyan lehet ugyanezt a technológiát emberi testrészek vagy akár szervek létrehozására felhasználni?
A választ a bioprintingnek nevezett, korántsem új módszer adja meg: a kezdeti technikákat 20 évvel ezelőtt Anthony Atala és kutatócsoportja fejlesztette ki, akik a Boston Children’s Hospital laboratóriumában próbáltak meg először mesterségesen létrehozni olyan szöveteket, amelyeket a regeneratív orvoslás területén lehet alkalmazni. Ehhez a páciensektől vett sejt- és szövetmintákat tenyésztették ki, majd lassú és bonyolult folyamat során rétegezték egymásra. Ha sikerrel jártak, a sejtek lassan szaporodásnak indultak, amíg ki nem alakultak az olyan funkcionális szövetek, mint a bőr, a porcok vagy az erek. Ez a folyamat azonban túl lassú és komplikált volt, így Atala és csapata tovább folytatta a kutatást, immár a Wake Forest Institute for Regenerative Medicine berkein belül. Ekkor jött az ötlet, hogy hagyományos, tintasugaras nyomtatókat alakítsanak át, úgy, hogy azok sejteket tudjanak „kilövellni”. Persze ehhez rendkívül kisméretű nyomtatófejre volt szükség, hogy a szerves anyagokat kellően precízen lehessen rétegezni, hogy ezáltal létrejöhessen egy olyan struktúra, amely kelően stabil, ugyanakkor lehetővé teszi, hogy a különféle tápanyagok eljussanak az egyes sejtekhez.
A biológiai 3D-nyomtatáshoz speciális nyomtatófejre van szükség (Fotó: University of Southerrn California)
Ez elsőre egyszerűen hangzik, de a szövetek sokkal bonyolultabb struktúrák, mint egy egyszerű, műanyagból álló váz. A „tintaként” használt sejtkultúráknak egyszerre kell tartalmaznia a sejteket, illetve az olyan biológiai vázakat alkotó anyagokat, mint például a kollagén. Utóbbinak ráadásul azonnal fel kell vennie a megfelelő állagot, miután a nyomtatófejen át elérte a célterületet. Ezt úgy oldják meg, hogy az efféle nyomtatók egyszerre több fejet használnak, amelyekből különböző típusú sejteket, a már említett, szerves „építőanyagokat” vagy más vegyületeket is tudnak fecskendezni. Ahhoz pedig, hogy ebből ne csak egy nagy halom trutymó legyen, rendkívül precíz számításokra van szükség, amely figyelembe veszi a szövetekben lévő sejtek arányát, méretét, formáját és egy sor egyéb tulajdonságot. Ezt a páciens eredeti sejtjeinek elemzésével kezdik, és így állítják fel azt a modellt, amely alapján már a rendelkezésre álló anyagokból létre lehet hozni a beültetésre szánt szervet vagy testrészt.
Az összetett szervekkel még akadnak problémák, de az egyszerűbb porcos képletek és a bőr már nem okoz gondot (Fotó: Wake Forest University)
Ez még viszonylag kezdetleges megoldásnak számított, azóta – szintén a Wake Forest kutatói – olyan integrált szövetnyomtató fejlesztésén dolgoznak, amely képes stabil, emberi szervezetben használható (magyarul nem sejtrétegenként összetákolt) szövetállományokat létrehozni, gyakorlatilag bármilyen formában. Természetesen biológiailag pontosnak kell lennie, ezért klinikai képalkotó eszközökkel készült fotókat és ezekhez kapcsolódó adatokat töltenek fel egy számítógépes modellbe, amely ennek alapján ki tudja számolni, hogy mennyi és milyen minőségű szövetre lesz szükség, például egy seb kezeléséhez. Az így készülő szövetekben a nyomtatók hajszálérhez hasonló csatornákat is kialakítanak, amelyeken keresztül tápanyagokkal lehet ellátni a sejteket, ezáltal fenntartva működésüket.
A módszer legnagyobb előnye, hogy viszonylag gyorsan és hatékonyan létre lehet vele hozni a szöveteket, akár komplexebb struktúrákat is.
„Klinikai környezetben, valós pácienseknél rendkívül összetett szövetekre és precizitásra van szükség” – mondta Sang Jin Lee, aki kutatócsoportjával kifejlesztette a fenti eszközt. A 3D-nyomtatás mindezt lehetővé teszi.
Csontoktól a szemgolyókig – mi minden készülhet 3D-nyomtatással
Lee és csapata sikeresen alkalmazták a módszert például állkapocscsont vagy az úgynevezett koponyaboltozat (a koponya tetejét alkotó, 3 csontból álló képlet) létrehozására, de nyomtattak már porcokat és vázizmokat is. A következő 3-5 évben pedig további klinikai kísérleteken keresztül szeretnék bemutatni a módszer hatékonyságát.
Ezzel egy időben egy Long Island-i kutatócsoport már a kereskedelmi forgalomban kapható, viszonylag olcsó 3D-nyomtatók felhasználásával volt képes a csontok és a porcok mellett például gégecsöveket nyomtatni. Ugyanez Todd Goldsteinnek, a Northwell Ventures 3D Printing Laboratory vezetőjének is sikerült már, egy 2000 dollárba (körülbelül 537 ezer forintba) kerülő Makerbot Replicator 2 típusú 3D-nyomtatóval. Egyelőre ilyen jellegű testrészek, szervek nyomtatása megoldható a legkönnyebben. Az ennél összetettebb szövetekre még valószínűleg éveket kell várni, a szerveket összefogó hártya és kötőszövetek 3D-nyomtatása ugyanis egyelőre komoly kihívások elé állítja a kutatókat.
„A legnagyobb probléma a vérellátás – magyarázta Goldstein. – Nem lehet túl nagy állományokat létrehozni, mert ha nem megfelelő a vérellátás, elhalnak a sejtek a szövetréteg közepén.”
Egyelőre tehát maradnak a csontoknál és a porcoknál. Előbbi főleg azért jó „alany” a 3D-nyomtatásra, mert minden embernek egyedi méretű és formájú csontokra van szüksége, míg a porcoknak vagy a szalagoknak pedig nincs szükségük vérellátásra, és nagy biztonsággal be lehet őket ültetni az emberi testbe, a kilökődés veszélye nélkül.
„A többire egyelőre nincs még megoldás, ezért zajlik jelenleg is rengeteg kutatás, amely a kisméretű hajszálerek és érrendszerek 3D-nyomtatására irányul, hogy végül nagyobb, háromdimenziós struktúrákat, akár májat, vesét vagy szívet is lehessen nyomtatni” – tette hozzá a szakember.
A fül szerkezetét 3D-nyomtatóval hozzák létre, ezután növesztik rá a bőrsejteket (Fotó: Wake Forest University)
A nehézségek azért nem veszik el a kedvét a tudósoknak: Adam Feinberg, a Carnegie Mellon egyetem mérnöki karának anyagtudománnyal foglalkozó professzora például új módszerrel kísérletezik, amellyel akár koszorúereket vagy embriókba beültethető szívet lehet nyomtatni. Feinberg szintén kereskedelmi forgalomban kapható nyomtatókat, valamint nyílt forráskódú szoftvert használ. A kutató ráadásul egy speciális módszert is megalkotott, amely lehetővé teszi az erekhez hasonlóan „puha” szövetek létrehozását. Az egyik komoly kihívás ugyanis az volt, hogy nyomtatás közben a készülő szervet vagy szövetet meg kellett valahogyan támasztani. Feinbergék azonban egy speciális zselébe merítik a nyomtatófejet, amely így képes megtartani a nyomtatott ereket.
„Megtöltünk egy tartályt a zselével, majd a közepébe szúrjuk a nyomtatófejet, és így egyik zselészerű anyagot a másik segítségével hozzuk létre – magyarázta a kutató. – Fontos azonban, hogy amit így létrehozunk, még nem úgy néz ki, mint a végleges változat. Az így kinyomtatott élő szövetet ugyanis még táplálni kell, és bele kell növeszteni abba a végleges formába, amelyet már be lehet ültetni egy emberi szervezetbe. Ez pedig jelenleg még komoly kihívás, mivel erre a növekedési folyamatra még nincsenek megbízható számítógépes modelljeink.”
Világszerte bejárták a médiát azok a képek, amelyek laboratóriumi körülmények között növesztett füleket ábrázolnak. A Cornell egyetem kutatói 2013 óta képesek létrehozni mesterséges fülkagylókat, sőt, egy speciális 3D-nyomtató segítségével olyan, élő sejtekből álló, zselészerű anyagot is létrehoztak, amely teljesen élethűvé teszik az így létrehozott protéziseket. A Princeton kutatói pedig szintén ebben az évben fedezték fel, hogy a fülekhez használt anyagba olyan elektronikai alkatrészeket is be tudnak juttatni, amely a jövőben akár azt is lehetővé teheti, hogy a fülünkkel halljuk a rádióadásokat.
A Cornell egyetem híres fotója a 3D-nyomtatott fülről (Fotó: Cornell University)
A krómvérű cyberpunkoknak ez bizonyára megdobogtatja a 3D-nyomtatott szívét, azonban a brit Fripp Design and Research 2014-es bejelentése még erre is rátett egy lapáttal. A cég ugyanis szinte teljesen valósághű szintetikus szemek létrehozásával foglalkozik, amelyből 3D-nyomtató segítségével egy óra alatt 150 darabot is el tudnak készíteni. Erre kontráztak rá az olasz MHOX kutatói, akik szerint 2027-re olyan, mesterségesen létrehozott szemgolyókat tudnak már készíteni, amelyekben beépített nagyító vagy távcső és wifi-csatlakozás is van.
Az ausztrál kormány által létrehozott ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science kutatóközpont tudósai már a koponyán belülre tekintenek, ők ugyanis egy kézi 3D-nyomtató segítségével, ha nem is emberi agyat hoztak létre, de kidolgoztak egy módszert, amelynek segítségével már az agykéreg felépítésére emlékeztető biológiai struktúrákat lehet egymásra rétegezni.
„Még messze vagyunk attól, hogy emberi agyat tudjunk nyomtatni, de már képesek vagyunk úgy elrendezni a sejteket, hogy azok idegi hálózatot tudjanak képezni, ez pedig hatalmas lépés a jó irányba” – írta ezzel kapcsolatban Gordon Wallace professzor, az ARC munkatársa.
Ha pedig már az agynál járunk, beszélnünk kell a gerincről is: tavaly nyáron a német Joimax nevű cég engedélyt kapott az amerikai Élelmiszer-, és gyógyszerfelügyelettől, EndoLIF On-Cage nevű termékük forgalomba hozatalára. Ez, a 3D-nyomtatott implantátum a gerincsérültek kezeléséhez kínál a korábbi műtéti beavatkozásoknál kímélőbb és egyszerűbb lehetőséget.
Mivel 3D-nyomtatott művégtagokkal kezdtünk, nézzük meg, mi a helyzet a hasonló módszerrel létrehozhat végtagokkal, amelyek valóságos szuperhőssé változtatják a viselőjüket. Bár az olyan megoldások, mint az Open Bionics Hero Arm nevű fejlesztése ugyan még nem hasonlít a valódi végtagokra, de olyan különlegességekkel lehet felszerelni, mint a paypass-funkciós bankkártyákból ismert NFC (Near Field Communication) vezeték nélküli adatátviteli szabvány.
Mit hoz a jövő?
Látható, hogy még számos kihívásra kell választ találnia a kutatóknak, ráadásul egy sor biztonsági és etikai kérdést is meg kell majd válaszolni, hogy a fentiekhez hasonló implantátumok vagy nyomtatott szervek megjelenhessenek a hétköznapokban. A legtöbb kutató szerint kulcsfontosságú, hogy megfelelő minőségbiztosítási szabványok jöjjenek létre, elvégre itt mégiscsak emberek életéről, egészségéről van szó.
„Sok az összetett kérdés a bio-nyomtatást illetően – mondta Feinberg. – Rengeteg sejtre van szükségünk, bizonyos sejtekhez pedig egyszerűen nehéz hozzáférni, vagy rendkívül sokba kerül. A szívizomsejtek például nem osztódnak maguktól, ezért nincs is megfelelő módszer ezek szaporítására. Bár ott van az embriókból nyert őssejtek alkalmazásának lehetősége, ez azonban nagyon költséges.”
Kollégájával egyetért Lee is, aki szerint a legfőbb kihívásokkal az összetett szervek nyomtatásakor kell majd szembenéznünk.
„Igyekszünk minél jobban leutánozni az eredeti szöveteket – magyarázta. –, egy olyan összetett szervhez azonban, mint egy vese vagy egy szív, sokkal jobb képalkotó eljárásokra és többféle sejtre lesz majd szükségünk. A csontokkal és porcokkal ellentétben ugyanis egy veséhez például több mint harmincféle sejtre van szükség.”
