Bioprinting to tworzenie, budowanie przestrzennych obiektów z materiałów biologicznych. W przeciwieństwie do druku trójwymiarowego, materiałem są tu żywe komórki. Choć jest to stosunkowo nowy trend w nauce, może niebawem zagościć w praktyce lekarskiej. Dlaczego wielu naukowców i klinicystów wiąże tak duże nadzieje z biodrukiem i medycyną regeneracyjną?

Z tematem bioprintingu wiele osób mogło się spotkać po raz pierwszy w 2009 roku po obejrzeniu nagrań z konferencji TEDMED w San Diego. Pierwsze badania prowadzone były jednak już wcześniej. Prof. Anthony Atala (dyrektor Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) opowiadał o wydrukowanym przez siebie pęcherzu moczowym, który został wszczepiony pacjentowi. Sam biorca, który w momencie wykładu był już kilka lat po operacji, pojawił się na scenie. Przewiduje się, że medycyna regeneracyjna i biodruk, będzie źródłem narządów do transplantacji, których tak dziś potrzebujemy.

Według danych z organdonor.gov (portal US Department of Health & Human Services) za 2013 r., tylko około 23 proc. pacjentów otrzymuje potrzebny organ. Liczba ta cały czas maleje, ze względu na zwiększającą się listę osób czekających na przeszczep.

Mimo, iż od wspomnianego wykładu, upłynęło kilka lat, bioprinting nie jest standardową praktyką. Jak wyglądają postępy w tej dziedzinie i co dziś jest już osiągalne? Aby kompleksowo przedstawić zagadnienie, należy najpierw zapoznać się z podstawami tej metody oraz jej ograniczeniami.

Bioprinting jako proces

Idea ?produkcji? ludzkich narządów czy tkanek powstała jako modyfikacja znanych nam metod druku trójwymiarowego. Drukowany narząd czy tkanka powstaje poprzez nakładanie na siebie kolejnych warstw bio-materiału lub żywych komórek, które są ze sobą zestalane różnymi metodami. Ze względu na konieczność pracy w warunkach umożliwiających komórkom przeżycie, metoda ta wymaga uwzględnienia kilku istotnych czynników przy jej wdrażaniu. Wybór materiału, który będzie stanowił ?środowisko? dla żywych komórek, jak i sam typ komórek, czynniki wzrostu i różnicowania oraz aspekty technologiczne (związane z toksycznością czy temperaturą procesu) należą do głównych z nich. Tak jak wyróżniamy wiele metod druku 3D, tak i w przypadku bioprintingu możemy opisać trzy główne techniki.

Metoda inkjet (drop-on-demand)

Inkjet stanowi modyfikację drukarek atramentowych, które wykorzystujemy w biurach czy w domach. Tusz ze zbiornika zastąpiony jest przez materiał biologiczny (żywe komórki w postaci płynnego materiału), a papier przez ruchomą platformę. Głowica wykonuje ruchy w osi x i y rysując pożądany kształt, a następnie platforma się obniża (trzeci wymiar, z) i kolejna mikro-warstwa komórek w postaci kropli materiału może zostać nałożona.

Mikrowytłaczanie

Ta najbardziej popularna metoda biodruku pozwala na operowanie gęstszym materiałem, zawierającym dużo większe stężenie żywych komórek. Są one zamknięte w specjalnym zbiorniku, z którego są następnie wytłaczane, tworząc obiekt na podobnej zasadzie jak w inkjet.

Bioprinting z wykorzystaniem lasera

Materiał zawierający żywe komórki znajduje się na szklanej ?wstążce?, która pod wpływem lasera formuje pęcherz. Z jego powierzchni odrywa się fragment hydrożelu z żywymi komórkami. Materiał umieszczany jest w odpowiednim miejscu na podłożu i formuje na powierzchni platformy pożądany wzór.

Biodruk krok po kroku

1. Model 3D. Pierwszym etapem biodruku jest stworzenie przestrzennego modelu np. organu czy tkanki, odpowiadającego potrzebom konkretnego pacjenta. Wykorzystuje się zdjęcia z tomografii komputerowej lub jądrowego rezonansu magnetycznego, które po odpowiedniej obróbce pozwalają na stworzenie modelu gotowego do druku.
2. Wybór odpowiedniego podejścia do uzyskania docelowego obiektu. Następnie wybierane jest jedno z trzech głównych podejść:
a) drukowanie różnymi materiałami i komórkami, by idealnie odtworzyć strukturę poszczególnych elementów tkanki (biomimikra);
b) budowanie całych narządów z najmniejszych jego funkcjonalnych elementów (mini-tkanki);
c) wydruk większej struktury za pomocą komórek macierzystych, która uformuje ostateczny, pożądany przez nas kształt wykorzystując zdolność komórek do histogenezy.
3.    Wybór materiału (medium). Odpowiada on za takie właściwości wydruku, jak wytrzymałość, elastyczność.
4.    Wybór odpowiednich komórek. Aby wyeliminować ryzyko odrzutu, podbiera się w wyniku biopsji komórki pacjenta, a następnie je namnaża.
5.    Wybór metody druku.
6.    Ostateczne zastosowanie komórek (np. testy in vitro, implantacja czy ich dalsze namnażanie i powierzchniowe działanie).

Obecnie do druku używa się różnych materiałów. Zgodność z żywymi organizmami wykazują materiały pochodzenia naturalnego ? żelatyna, kolagen, kwas hialuronowy czy fibryna, choć sztuczne surowce (np. glikol polietylenowy) także znajdują zastosowanie.

Pierwszy wydrukowany pęcherz moczowy (2006 r.)

Pionierskie prace prof. Atali, które prezentował w czasie konferencji TEDMED pozwoliły mu na ?wydrukowanie? pęcherza. Prace prowadzone były na grupie pacjentów w wielu 4-19 lat. Każdemu badanemu wykonano biopsję, a następnie namnażano komórki nabłonkowe oraz mięśniowe, by później zaszczepić je na specjalnym rusztowaniu z kwasu poliglikolowego i kolagenu. Po 7 tygodniach od biopsji wyhodowane pęcherze wszczepiono pacjentom. Stan badanych został sprawdzony po około 46 miesiącach. Stwierdzono przyjęcie narządu oraz brak powikłań po interwencji.

Przedkliniczne testy leków

Jednym z liderów działających w obszarze bioprintingu jest firma Organovo ze Stanów Zjednoczonych. Firma, która powstała w 2009 roku, obecnie oferuje biodrukarkę NovoGen MMX oraz gotowe rozwiązania z tego obszaru. Obecnie Organaovo z wykorzystaniem swoich tkanek chce wypełnić lukę między badaniami na zwierzętach i testami klinicznymi. Docelowo firma chce drukować całe narządy, dziś oferuje m.in. tkanki wątroby. Keith Murphy, CEO Organovo uważa, że wykorzystywanie dostępnych dzięki biodrukowi tkanek można znacząco skrócić czas do wprowadzenia leku na rynek, a także przewidzieć ryzyko powikłań, które nie jest możliwe do zaobserwowania w badaniach na zwierzętach. Na potwierdzenie tej tezy firma zbadała toksyczność na wątrobę leku troglitazon na cukrzycę. Lek przeszedł bez zastrzeżeń szereg wymagań nakładanych na producentów przez FDA (Food and Drug Administration) i został wprowadzony na rynek w USA w 1998 roku. Już dwa lata później, ze względu na liczne przypadki ostrej niewydolności wątroby został wycofany. Badania wykonane na tkankach wątroby Organovo już po 7 dniach potwierdziły toksyczność leku. Według Murphy?ego, mimo iż długoterminowym celem jest wydruk funkcjonalnych narządów, już dziś powinniśmy wykorzystywać możliwości, jakie stwarza technologia.

Nowa skóra z drukarki

Bioprinting znajduje także swoje zastosowanie w leczeniu różnych schorzeń skórnych oraz w kosmetologii. Biologicznie zgodne komórki (razem z czynnikami wzrostu i macierzą pozakomórkową) mogą zostać zasymilowane przez tkankę i wspomóc proces jej regeneracji. Użyta biomatryca musi ulegać rozkładowi bez wydzielania toksycznych substancji, posiadać odpowiednie właściwości fizyczne i mechaniczne, by wytworzyć pożądaną formę wydruku, a co najważniejsze ? stanowić środowisko, w którym komórki będą mogły się dalej namnażać. Stosuje się tutaj kolagen, celulozę, alginat, agarozę czy kwas hialuronowy. Naukowcy z Wake Forest School of Medicine dostrzegają duży potencjał tego zastosowania w regeneracji ran odnoszonych przez żołnierzy. Planują oni rozwinąć technologie w ciągu pięciu lat, tak, by była dostępna dla wojska w miejscu operacji militarnych, gdzie utrudniony jest dostęp do ośrodków medycznych.

W zeszłym roku Organovo dostarczyło swoich rozwiązań także znanemu producentowi kosmetyków L?Oreal, do prowadzenia testów bezpieczeństwa i skuteczności ich produktów. Połączenie dwóch gigantów ma znacząco skrócić czas do uzyskania (w porównaniu do klasycznych metod namnażania) tkanek skóry, na których mogą być prowadzane testy środków pielęgnacyjnych. Dodatkowo, laboratorium będzie mogło prowadzić badania na różnych typach skóry ? np. atopowej czy skórze mężczyzn. W kosmetologii mówi się także o zastosowaniu komórek melanocytów w leczeniu bielactwa nabytego oraz melanocytów razem z komórkami macierzystymi w leczeniu niedobarwionych blizn w obrębie których zaburzona jest pigmentacja. Duże nadzieje wiązane są z regeneracją mieszków włosowych z wykorzystaniem komórek macierzystych ? aczkolwiek niezbędne tu są dalsze badania.

Wyścig laboratoriów

Bioprinting jest na tyle młodą i szybko rozwijającą się dziedziną, że niemal codziennie pojawiają się doniesienia dotyczące pracy naukowców czy nowych rozwiązań dostarczanych przez firmy.
Niezbędnym elementem każdego wydrukowanego w przyszłości narządu będą naczynia krwionośne. Obecnie są one drukowane np. w Lawrence Livermore National Laboratory. Wytworzone z biomateriału tuby z czasem łączą się z prawdziwymi naczyniami i wykazują bardzo zbliżoną do nich funkcjonalność.

W zeszłym roku rosyjska firma 3D Bioprinting Solutions wydrukowała pierwszy na świecie gruczoł tarczowy (tarczycę) i wszczepiła go żyjącej myszy. Po 11 tygodniach od wszczepienia, gruczoł uzyskał swoją pełną funkcję, wydzielając hormony. Naukowcy weryfikują obecnie różne podejścia, pozwalające na przeprowadzenie analogicznej operacji na organizmie ludzkim.

Współpraca między Australian Research Council Centre of Excellence for Electromaterials Science (ACES) oraz chirurgami i ortopedami z St. Vincent?s Hospital Melbourne zaowocowała powstaniem 3Doodlera. Urządzenie-długopis ma pomóc lekarzom naprawić uszkodzoną kość lub chrząstkę poprzez ?rysowanie? żywymi komórkami na powierzchni kości w czasie operacji. Wkład urządzenia stanowią komórki macierzyste wraz z biopolimerem, które po nałożeniu, ulegają proliferacji w ciele pacjenta, a także różnicowaniu w komórki nerwowe, kości lub mięśnia. Do tej pory naukowcom udało się uzyskać 97 proc. wskaźnik przeżycia komórek.

Z kolei 5-letnie badania na Griffith University?s Menzies Institute w Australii pozwoliły na opracowanie metody pozwalającej drukować fragmenty szczęki oraz dziąseł pacjentów. Jak twierdzi twórca, prof. Saso Ivanovski, technologia ma być dużo szybsza i o wiele tańsza od klasycznych metod leczenia. Testy przedkliniczne planowane są na przyszły rok.

Jednym z głośniejszych odkryć ostatniego czasu są badania na Northwestern University. Udało się wyhodować, a także wszczepić do organizmu myszy funkcjonalny jajnik. Przewiduje się, że przeniesienie tej technologii na organizm ludzki pozwoli leczyć z bezpłodności szczególnie młode pacjentki, które w wyniku przebiegu nowotworu, utraciły płodność.

Bioprinting potrzebuje jeszcze dekady

O ile wydruk tkanek o niewielkiej grubości, struktur podobnych do naczyń krwionośnych (pustych w środku) czy nawet pęcherza moczowego jest już możliwy ? to większe narządy stanowią wyzwanie. Jednym z głównych problemów, z którymi spotykają się biotechnolodzy jest unaczynienie i utrzymanie przy życiu większych, bardziej skomplikowanych organów. Narządy takie jak nerki czy wątroba, składają się z wielu różnych typów komórek. Aby z sukcesem wydrukować cały narząd należało by dysponować drukarką, która będzie w stanie operować bardzo szerokim wachlarzem materiałów-komórek. Ponadto niezbędnym jest tworzenie struktur o różnych właściwościach mechanicznych, np. miękka część miąższowa wątroby oraz dużo bardziej elastyczne naczynia krwionośne. Wszystkie problemy sukcesywnie rozwiązywane są przez badaczy na całym świecie. W styczniu tego roku zespół z Carnegie Mellon University (USA) opublikował artykuł, w którym proponuje modyfikację metody druku zapewniającą większą efektywność, a przede wszystkim wyższe bezpieczeństwo dla żywych komórek poddawanych drukowi.

Obecnie, wszystkie spółki biotechnologiczne pracujące nad rozwiązaniami z zakresu bioprintignu obserwują spadek swoich akcji. Nie jest to zaskakujące, biorąc pod uwagę niesamowity skok ich wartości w 2012 roku związany z optymizmem na giełdzie oraz dzisiejszemu, bardziej realnemu podejściu do rozwoju tej gałęzi nauki. Pomimo przedstawionych spektakularnych przykładów, szacuje się, że biodruk potrzebuje jeszcze około dekady, zanim będzie mógł być szeroko stosowany. Wynika to zarówno z wyzwań, jakie nadal stoją przed naukowcami, jak i samej procedury zatwierdzania innowacji przez amerykańską Food and Drug Administration (FDA) oraz europejską European Medicine Agency (EMA). Wszyscy jednak są jednego zdania ? jeśli uda się nam wydrukować funkcjonalne narządy do przeszczepu, będzie to przełom w medycynie.

Źródła:

1.    Siemiński P, Budzik G. Techniki przyrostowe. Druk 3D. Drukarki 3D. Oficyna Wydawniczna Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2015.
2.    Velasuillo C, Gaule EA, Rodriquez L, Ibarra C, Ibarra-Ibarra LG. Skin 3D Bioprinting. Applications in Cosmetology. Journal of Cosmetics, Dermatological Sciences and Applications. 2015.
3.    Murphy SV, Atala A. 3D bioprintign of tissues and organs. Nature America. 2014.
4.    Henmi C, Nakamura M, Nishiyama Y, Yamaguchi K, Mochizuki S, Takiura K, Nagakawa H. Development of an effective three dimensional fabrication technique using inkjet technology for tissue model samples. Japanese Society for Alternatives to Animal Experiments. 2008.
5.    Bakhshinejad A, D?Souza RM. A brief comparison between available bio-printing methods. Great lakes Biomedical Conference. 2015.
6.    Faulkner-Jones A, Fyfe C, Cornelissen DJ, Gardner J, King J, Courtney A, Shu W. Bioprinting of human pluripotent stem cells and their directed differentiation into hepatocyte-like cells for the generation of mini-livers in 3D. Biofabrication. 2015.
7.    http://www.explainingthefuture.com/bioprinting.html [online] 30 kwietnia 2016.
8.    http://organovo.com/science-technology/bioprinted-human-tissue/ [online] 30 kwietnia 2016.
9.    http://www.impactlab.net/2008/11/09/emerging-field-of-organ-printing/ [online] 30 kwietnia 2016.
10.    http://pse.eng.u-toyama.ac.jp/bio7A/english/greeting/index.html [online] 30 kwietnia 2016.
11.    http://www.huffingtonpost.com/2015/03/01/3d-printed-organs-regenerative-medicine_n_6698606.html [online] 30 kwietnia 2016.
12.    http://www.ibtimes.co.uk/organovo-ceo-3d-bioprinting-organs-will-help-us-get-people-off-transplant-waiting-lists-1509076 [online] 30 kwietnia 2016.
13.    http://www.fool.com/investing/general/2015/12/02/where-will-organovo-holdings-be-in-ten-years.aspx [online] 30 kwietnia 2016.
14.    http://money.cnn.com/2015/06/17/technology/3d-bioprinting-skin/ [online] 30 kwietnia 2016.
15.    https://3dprint.com/127916/biopen-3d-bioprinting-pen/ [online] 30 kwietnia 2016.
16.    https://3dprint.com/127758/dentistry-bioprinting/ [online] 30 kwietnia 2016.
17.    https://3dprint.com/116801/bioprinting-acoustic-tweezers/ [online] 30 kwietnia 2016.
18.    https://3dprint.com/109265/llnl-bioprinting-blood-vessels/ [online] 30 kwietnia 2016.
19.    https://www.rt.com/news/323494-russian-3d-printed-thyroid/ [online] 30 kwietnia 2016.

Artykuł Kiedy wydrukujemy wątrobę? pochodzi z serwisu Świat Lekarza.

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.

Artykuł Drukarki trójwymiarowe pochodzi z serwisu Świat Lekarza.