Jak działają drukarki trójwymiarowe i jakie są ich możliwości? Niemal każdego dnia docierają do nas nowe informacje.
Domy ze stopionego piasku, wymyślne odwzorowania młodej pary na tortach weselnych i drobne części niezbędne do naprawy różnorakiego sprzętu elektronicznego ? to tylko ułamek tego, co oferuje druk 3D. A co z medycyną i farmacją? Naukowcy nie próżnują. W ostatnich latach obserwuje się rosnące zainteresowanie wykorzystaniem tej nowatorskiej technologii w służbie pacjentom.
Rewolucja
Początki drukowania przestrzennego sięgają 1984 roku. Wtedy to, amerykański naukowiec Charles Hull, opracował metodę znaną szeroko pod nazwą stereolitografia, którą opatentował dwa lata później. Technika umożliwia produkcję litych obiektów poprzez zestalenie się wielu warstw materiału. Wrażliwa na promieniowanie UV substancja zostaje poddana działaniu lasera, który ?rysuje? pożądany wzór. Urządzenie zestala powierzchniową warstwę wanny wypełnionej wspomnianym materiałem. Po utworzeniu litej warstwy, dno wanny odpowiednio się obniża, tak, że kolejna może zostać nadbudowana. Firma 3D Systems, założona przez Hull?a w 1986 roku, stała się pionierem specjalizującym się w produkcji urządzeń do drukowania przestrzennego.
Drukarki trójwymiarowe mają szerokie możliwości
Drukowanie trójwymiarowe jest jedną z metod szybkiego prototypowania (rapid prototyping) umożliwiającego zbudowanie w krótkim czasie pojedynczych modeli i prototypów, które mogą zostać dalej poddane testom. Początkowo w ten sposób miały też postawać drobne elementy, np. do naprawy sprzętu elektronicznego, jak śruby czy uszczelki.
Obecnie na rynku dostępne są urządzenia pozwalające drukować z użyciem najróżniejszych materiałów ? od tworzyw sztucznych, poprzez stopy metali, piasek, silikon, na polimerach biodegradowalnych kończąc. Co interesujące, drukarki Fab@Home umożliwiają nawet drukowanie żywności ? jak lukrowane ozdoby na torty, figury czekoladowe lub pasty marchewkowo-groszkowe.
Ceny popularnych drukarek stają się coraz bardziej przystępne. Flagowy model firmy MakerBot wyposażony w dwie wytłaczaki ? Replicator 2X kosztuje około 8 500 zł, zestaw umożliwiający złożenie własnej drukarki Ormerod 2 (firmy RepRap) ? około 3 000 zł, natomiast model AW3D V.5 (firmy Airwolf 3D) to koszt około 6 000 zł.
Zasada działania
?Drukowanie przestrzenne? jest swoistym pojęciem parasolem dla wielu innowacyjnych technik. Do głównych zaliczamy wspomnianą wcześniej stereolitografię (SLA, stereolithography), a także osadzanie stopionego materiału (FDM, fused deposition modelling), bezpośrednie spiekanie laserowe metalu (DMLS, direct metal laser sintering) i drukowanie przestrzenne z wykorzystaniem materiału w postaci proszku (powder based 3D printing). Ze względu na szybki rozwój dziedziny, a także przepisy prawa patentowego strzegące nazw poszczególnych technik, usystematyzowanie dostępnych metod jest bardzo problematyczne.
Pomimo różnic pomiędzy poszczególnymi technikami, można wyodrębnić pewne wspólne elementy. Projekt obiektu w formacie STL (STereoLithography) może być modyfikowany dzięki specjalnemu oprogramowaniu. Instrukcje drukowania są wysyłane z komputera do połączonej do niego drukarki jako seria cienkich warstw przekrojów poprzecznych, na które jest dzielony obiekt. Głowica drukująca ma zdolność poruszania się w dwóch płaszczyznach, trzeci wymiar zapewnia platforma budująca, która w miarę tworzenia kolejnych warstw obiektu, obniża się. Pierwsza, bardzo cienka warstwa, jest tworzona poprzez stopienie materiału, jego sprasowanie lub zestalenie. Po ukończeniu pierwszego etapu, kolejna warstwa nabudowywana na poprzednią i proces powtarzany jest aż do otrzymania finalnego produktu. W zależności od techniki, wydrukowane obiekty mogą wymagać obróbki końcowej ? np. suszenia lub podgrzewania.
Medycyna dzisiaj
Bardzo intensywny rozwój modelowania trójwymiarowego spowodował, że drukarki znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, także w medycynie i farmacji.
Zaletą modelowania przestrzennego wykorzystywaną w naukach o człowieku jest ogromna dowolność i elastyczność przy tworzeniu obiektów. Wydrukowane narządy i organy ludzkie mogą z powodzeniem służyć za materiał do ćwiczeń i nauki anatomii. Rozwiązuje to wiele problematycznych kwestii, między innymi finansowych i logistycznych, związanych z magazynowaniem i utrzymywaniem w odpowiednim stanie zwłok. Doskonalenie umiejętności na trudno dostępnych przypadkach czy problemy etyczne nie stałyby już na przeszkodzie studentom.
Badaczom ze Stanów Zjednoczonych udało się stworzyć model anatomiczny naczyń pacjenta służący do testowania przyrządów medycznych, a także ewaluacji stanu zdrowia w warunkach jak najbardziej zbliżonych do fizjologicznych. Przestrzenny model zaprojektowano bazując na obrazach uzyskanych dzięki tomografii komputerowej i cyfrowej angiografii komputerowej.
Rusztowania o porowatej strukturze zbliżonej do struktur nosa i ucha zostały wydrukowane, a następnie zaszczepione komórkami tkanek charakterystycznymi dla tych struktur. Komórki hodowano z hormonem wzrostu przez dwa miesiące, a następnie wykonano analizę histologiczną. Hodowle cechował zadowalający wzrost w obrębie granic wyznaczonych przez rusztowanie. Zastosowanie takich struktur umożliwia ukierunkowaną proliferację komórek i wpisuje się w trend medycyny regeneracyjnej.
Rewolucję na rynku protez wprowadziła firma Can Touch zajmująca się drukowaniem spersonalizowanych protez ? np. dłoni. Niższa cena, elastyczność w projektowaniu kształtu dopasowanego do każdego pacjenta, a także krótszy czas wykonania, stanowią niepodważalne zalety metody.
Pacjenci cierpiący na mikrozję, czyli częściowy brak małżowiny usznej, często decydują się na chirurgiczne odtworzenie ucha. Dzięki zastosowaniu techniki modelowania przestrzennego udało się zaprojektować i wydrukować model małżowiny usznej. Obiekt został wykonany w ciągu 90 minut i kosztował 0,57 dolara. Był on identyczny ze zdrowym uchem pacjentki i posłużył za matrycę do produkcji implantu, dzięki czemu znacząco zmniejszył czas i koszt zabiegu.
Ponadto, drukowanie przestrzenne coraz szerzej stosuje się do projektowania spersonalizowanych aparatów słuchowych.
Przyszłość farmacji
Mimo iż leki lub nośniki leków wyprodukowane przy pomocy drukowania przestrzennego nie są dostępne w tym momencie na rynku, przewiduje się, że zmieni się to na przełomie kilkunastu-kilkudziesięciu lat. Coraz częściej spotyka się doniesienia o potencjalnym wykorzystaniu urządzeń w farmacji. Zainteresowanie naukowców skupia się głównie wokół trzech typów drukarek. Możemy do nich zaliczyć drukarki wykorzystujące do wytwarzania obiektów prasę, strzykawki lub wytłaczarki.
Drukarki wykorzystujące prasę
W drukarkach pierwszego typu znajduje zastosowanie prasa ubijająca mieszaninę sproszkowanych substancji. Głowica drukująca zawiera zbiornik z lepiszczem, które zostaje naniesione na powierzchnie platformy budującej zgodnie z instrukcją. Platforma pokryta jest sypką substancją. Pod wpływem ciśnienia wywieranego przez walec, kolejne bardzo cienkie warstwy substancji trwale się ze sobą łączą. Platforma budująca jest obniżana, warstwa sypkiego materiału jest nanoszona na obiekt, a proces się powtarza. Stała obecność proszku na powierzchni platformy budującej zapewnia stabilizację drukowanego obiektu i tym samym umożliwia wytwarzanie form ze złożoną strukturą wewnętrzną. Substancja lecznicza może zostać rozpuszczona w lepiszczu bądź znajdować się w formie proszku na platformie. Równocześnie może powstawać wiele obiektów, w zależności od powierzchni platformy. Po zakończeniu wydruku, modele często wymagają długotrwałej obróbki ? np. suszenia w podwyższonej temperaturze, co stanowi ograniczenie metody. Badania potwierdzają, że istnieje możliwość precyzyjnej kontroli bardzo małych dawek leku.
Huang wraz z zespołem zaprojektowali implanty z polimeru kwasu mlekowego zawierające lewofloksacynę jako substancję modelową. Trzy projekty różniły się miedzy sobą zawartością i rozmieszczeniem leku w matrycy, by osiągnąć różne profile uwalniania. Porównano je z profilami implantów wykonanych konwencjonalną metodą wykazując duże podobieństwo obu metod wytwarzania. Rezultaty badania pozwalają stwierdzić, że drukowanie trójwymiarowe może znaleźć zastosowanie do szybkiej produkcji nośników leków o dowolnie zaprojektowanej, rozbudowanej strukturze.
Wydruk tabletek zawierających luźną substancję pomiędzy litymi rejonami pozwoliło zespołowi badawczemu z Chin uzyskać szybko rozpadające się tabletki. Badania uwalniania substancji leczniczej wykazały, że 98,5 proc. paracetamolu (lek badany) zostało uwolnione w ciągu pierwszych dwóch minut. W ramach innego eksperymentu badacze potwierdzili także możliwość wytworzenia wielowarstwowych nośników leku, z których substancja uwalniania będzie w sposób liniowy.
Drukarki wykorzystujące strzykawki
Zasada działania drukarki wykorzystującej strzykawkę polega na wyciskaniu substancji w formie pasty lub żelu na platformę budującą. Obecność dwóch strzykawek pozwala na równoczesne drukowanie dwoma różnymi substancjami, które mogą różnić się właściwościami, a także zawierać różne leki. Podobnie jak w poprzednim modelu drukarki, końcowy produkt może wymagać czasochłonnej obróbki. Rozdzielczość wydruku można łatwo modyfikować poprzez zmianę średnicy otworu dozującego.
Komercyjnie dostępne tabletki z guajazylem porównano z produktem wytworzonym metodą druku przestrzennego. Dzięki zastosowaniu dwóch różnych warstw modyfikujących uwalnianie leku, udało się uzyskać kontrolowane uwalnianie substancji leczniczej. Uzyskane wyniki wskazują na zadowalające podobieństwo w zakresie profilu uwalniania i mechanicznych właściwości tabletek, dorównując części wymagań stawianym przy rejestracji leków.
Drukarki wykorzystujące wytłaczarki
W metodzie osadzania stopionego materiału wykorzystuje się urządzenia wyposażone w wytłaczarki. W odróżnieniu od urządzeń ze strzykawką, materiałem stosowanym do drukowania jest stały polimer w formie nitki, który jest zaciągany do wnętrza wytłaczarki. Jest on następnie podgrzewany do odpowiedniej temperatury, by uzyskać półpłynną konsystencję. Tak jak w poprzednim typie drukarek ? substancja nanoszona jest na platformę budującą według specjalnych instrukcji, a kolejne warstwy ogrzanego polimeru łączą się tworząc stały produkt, który nie wymaga dalszej obróbki.
Australijscy badacze oceniali wpływ parametrów drukowania (jak grubość i kąt pomiędzy kolejnymi warstwami polimeru) na profil uwalniania substancji leczniczej z porowatych nośników. Modyfikacje struktury umożliwiają modelowanie i kontrolowanie uwalniania leku. Niski koszt wytworzenia, precyzja wykonania, a także duża dowolność w budowie obiektu stanowią przewagę nad konwencjonalnym sposobem wytwarzania nośników.
Szanse rozwoju
Rozwój nowoczesnych technologii drukowania przestrzennego dostarcza innowacyjnego narzędzia, które w rękach naukowców nabiera zupełnie innego wymiaru. Jeszcze kilka lat temu drukowanie spersonalizowanych protez ręki wydawałoby się abstrakcją. Dzisiaj ? to rzeczywistość.
Czy farmacja także zostanie zrewolucjonizowana? Ze względu na dużą różnorodność możliwych do uzyskania kształtów, krótki czas produkcji i stosunkowo niski koszt wytworzenia pojedynczych prototypów, wydaje się, że ta technologia może wprowadzić wiele zmian. Nie tylko do produkcji nośników substancji leczniczych, ale także postaci leków o modyfikowanym uwalnianiu. W obliczu masowej produkcji leków przez wielkie koncerny farmaceutyczne tylko w kilku najpowszechniejszych dawkach spersonalizowana medycyna pozostaje tylko pojęciem teoretycznym. Drukowanie przestrzenne umożliwia nie tylko dowolność formy, ale także wydrukowanych dawek. Przewiduje się, że ta elastyczność pomoże usprawnić farmakoterapię osób przyjmujących leki oddziałujące na OUN, dzieci oraz osób starszych. Być może niebawem w każdej aptece znajdziemy drukarkę, wspomagającą recepturę. Istnieje wiele niewiadomych, ale jedna rzecz pozostaje pewna ? rozwój tej technologii zrewolucjonizuje świat, który znamy.
Bibliografia:
1. Chua C.K., Leong K.F., Lim C.S. Rapid Prototyping: Principles and Applications (3rd edition).Singapur: World Scientific Publication Co. Pte. Ltd., 2010.
2. Vaccarezza M., Papa V. 3D printing: a valuable resource in human anatomy education. Anatomical Science International. 2014.
3. Ionita C.N., Mokin M., Varble N., Bednarek D.R., Xiang J., Snyder K.V., Siddiqui A.H., Levy E.I., Meng H., Rudina S. Challenges and limitations of patient-specific vascular phantom fabrication using 3D Polyjet printing. Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. 2014.
4. Zopf D.A., Mitsak A.G., Flanagan C.L., Wheeler M., Green G.E., Hollister S.J. Computer Aided-Designed, 3-Dimensionally Printed Porous Tissue Bioscaffolds for Craniofacial Soft Tissue Reconstruction. Journal of Otolaryngology – Head & Neck Surgery. 2014.
5. Rankin T., Mailey B., Cuche D., Giovinco N., Armstrong D., Gosman A. Use of 3D Printing for Auricular Template Molds in First Stage Microtia. Plastic & Reconstructive Surgery. 2011.
6. Tognola G., Parazzini M., Svelto C., Galli M., Ravazzani P., Grandori F. Design of hearing aid shells by three dimensional laser scanning and mesh reconstruction. Journal of Biomedical Optics. 2004.
7. Yu D.G., Yang X.L., Huang W.D., Liu J., Wang Y.G., Xu H. Tablets with Material Gradients Fabricated by Three-Dimensional Printing. Journal of Pharmaceutical Sciences. 2007.
8. Katstra W.E., Palazzolo R.D., Rowe C.W., Giirtlioglu B., Teung P. Oral dosage forlms fabricated by Three Dimensional Printing. Journal of Controlled Release. 2000.
9. Huang W., Zheng Q., Sun W., Xu H., Yang X. Levofloxacin implants with predefinied microstructure fabricated by three-dimenasional printing technique. International Journal of Pharmaceutics. 2007.
10. Sachs E.M., Haggerty J.W., Cima M.J., Williams P.A. Three-dimensional printing techniques. 5 204 055 Stany Zjednoczone, 20 kwiecień 1993.
11. Yu D.G., Shen X.X., Branford-White C., Zhu L.M., White K., Yang X.L. Novel oral fast-disintergating drug delivery devices with predefined inner structure fabricated by Three-Dimensional Printing. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 2008.
12. Yu D.G., Branford-White C., Ma Z.H., Zhu L.M. Novel drug delivery devices for providing linear release profiles fabricated by 3DP. International Journal of Pharmaceutics. 2009.
13. Rattanakit P., Moulton S.E., Santiago K.S., Liawruangrath S., Wallace G.C. Extrusion printed polymer structures: A fabile and versatile approach to tailored drug delivery platforms. International Journal of Pharmaceutics. 2012.
14. Khaled S.A., Burley J.C., Alexander M.R., Roberts C.J. Desktop 3D printing of controlled release pharmaceutical bilayer tablets. International Journal of Pharmaceutics. 2014.
15. Fab@Home:Using Model 1, User Manual. http://www.fabathome.org/wiki/index.php?title=Main_Page. [Online] 14 czerwiec 2014.
16. MakerBot Replicator 2x: User manual. http://www.makerbot.com/. [Online] 14 czerwiec 2014.
17. SH, Masood. Application of fused deposition modelling in controlled drug delivery devices. Assembly Automation. 2007.
