Kandungan
- Mengubah Perubatan Dengan Pencetak 3D
- Bagaimana Pencetak 3D Berfungsi?
- Membuat Telinga
- Perbezaan Antara Acuan dan Perancah
- Potensi Manfaat Telinga Bercetak
- Mencetak rahang bawah
- Item Prostetik dan Implan
- Lebih Banyak Contoh
- Pencetakan Bio dengan Sel Hidup: Masa Depan yang Mungkin
- Penggantian Organ dan Tisu
- Beberapa Kejayaan Pencetakan Bio
- Mencetak Bahagian Jantung
- Membuat Kornea
- Manfaat Organ Mini, Organoid, atau Organ pada Cip
- Struktur yang Meniru Paru
- Beberapa Cabaran untuk Pencetakan Bio
- Rujukan
Linda Crampton mengajar sains dan teknologi maklumat kepada pelajar sekolah menengah selama bertahun-tahun. Dia senang belajar mengenai teknologi baru.
Mengubah Perubatan Dengan Pencetak 3D
Percetakan 3D adalah aspek teknologi yang menarik yang mempunyai banyak aplikasi berguna. Salah satu aplikasi pencetak 3D yang menarik dan berpotensi sangat penting adalah penciptaan bahan yang boleh digunakan dalam perubatan. Bahan-bahan ini merangkumi alat perubatan yang dapat ditanam, bahagian tubuh tiruan atau prostetik, dan alat perubatan yang disesuaikan. Mereka juga merangkumi cetakan tisu manusia hidup dan organ mini. Pada masa akan datang, organ yang boleh ditanam boleh dicetak.
Pencetak 3D mempunyai kemampuan untuk mencetak objek tiga dimensi padat berdasarkan model digital yang tersimpan dalam memori komputer. Media percetakan yang biasa digunakan ialah plastik cair yang padat setelah dicetak, tetapi media lain ada. Ini termasuk logam serbuk dan "dakwat" yang mengandungi sel hidup.
Keupayaan pencetak untuk menghasilkan bahan yang sesuai dengan tubuh manusia bertambah baik dengan cepat. Sebilangan bahan telah digunakan dalam perubatan sementara yang lain masih dalam peringkat eksperimen. Ramai penyelidik terlibat dalam penyelidikan. Percetakan 3D mempunyai potensi yang menggoda untuk mengubah rawatan perubatan.
Bagaimana Pencetak 3D Berfungsi?
Langkah pertama dalam penciptaan objek tiga dimensi oleh pencetak adalah merancang objek. Ini dilakukan dalam program CAD (Computer-Aided Design). Setelah reka bentuk selesai, program lain membuat arahan untuk menghasilkan objek dalam rangkaian lapisan. Program kedua ini kadang-kadang dikenali sebagai program slicing atau sebagai perisian slicer, kerana ia menukar kod CAD untuk keseluruhan objek menjadi kod untuk rangkaian kepingan atau lapisan mendatar. Lapisan boleh berjumlah ratusan atau bahkan ribuan.
Pencetak membuat objek dengan meletakkan lapisan bahan mengikut arahan program pemotong, bermula di bahagian bawah objek dan bekerja ke atas. Lapisan berturut-turut disatukan. Proses ini disebut sebagai pembuatan aditif.
Filamen plastik sering digunakan sebagai media untuk pencetakan 3D, terutama pada pencetak yang berorientasikan pengguna. Pencetak mencairkan filamen dan kemudian mengeluarkan plastik panas melalui muncung. Muncung bergerak dalam semua dimensi kerana melepaskan plastik cair untuk membuat objek. Pergerakan muncung dan jumlah plastik yang diekstrusi dikawal oleh program pemotong. Plastik panas menguat segera setelah dibebaskan dari muncung. Jenis media percetakan lain tersedia untuk tujuan khas.
Bahagian telinga yang kelihatan dari bahagian luar badan dikenali sebagai pinna atau auricle. Selebihnya telinga terletak di tengkorak. Fungsi pinna adalah untuk mengumpulkan gelombang bunyi dan menghantarnya ke bahagian telinga yang seterusnya.
Membuat Telinga
Pada bulan Februari 2013, para saintis di Cornell University di Amerika Syarikat mengumumkan bahawa mereka dapat membuat pinna telinga dengan bantuan percetakan 3D. Langkah-langkah yang diikuti oleh para saintis Cornell adalah seperti berikut.
- Model telinga dibuat dalam program CAD. Para penyelidik menggunakan gambar telinga sebenar sebagai asas model ini.
- Model telinga dicetak oleh pencetak 3D, menggunakan plastik untuk membuat cetakan dengan bentuk telinga.
- Hidrogel yang mengandungi protein yang disebut kolagen diletakkan di dalam acuan. Hidrogel adalah gel yang mengandungi air.
- Chondrocytes (sel yang menghasilkan tulang rawan) diperoleh dari telinga lembu dan ditambahkan ke kolagen.
- Telinga kolagen diletakkan dalam larutan nutrien dalam piring makmal. Semasa telinga berada dalam larutan, beberapa kondrosit menggantikan kolagen.
- Telinga kemudian ditanam di belakang tikus di bawah kulitnya.
- Setelah tiga bulan, kolagen di telinga telah diganti sepenuhnya dengan tulang rawan dan telinga telah mempertahankan bentuk dan perbezaannya dari sel tikus di sekitarnya.
Perbezaan Antara Acuan dan Perancah
Dalam proses penciptaan telinga yang dijelaskan di atas, telinga plastik adalah acuan lengai. Fungsi utamanya adalah untuk memberikan bentuk telinga yang betul. Telinga kolagen yang terbentuk di dalam acuan bertindak sebagai perancah untuk kondrosit. Dalam kejuruteraan tisu, perancah adalah bahan biokompatibel dengan bentuk tertentu di mana sel tumbuh. Perancah tidak hanya mempunyai bentuk yang betul tetapi juga mempunyai sifat yang menyokong kehidupan sel.
Sejak proses penciptaan telinga yang asli dilakukan, para penyelidik Cornell telah menemukan cara untuk mencetak perancah kolagen dengan bentuk yang betul yang diperlukan untuk membuat telinga, menghilangkan keperluan untuk cetakan plastik.
Potensi Manfaat Telinga Bercetak
Telinga yang dibuat dengan bantuan pencetak dapat bermanfaat bagi orang yang kehilangan telinga sendiri akibat kecederaan atau penyakit. Mereka juga dapat menolong orang yang dilahirkan tanpa telinga atau mempunyai orang yang belum berkembang dengan baik.
Pada masa ini, telinga pengganti kadang-kadang dibuat dari tulang rawan di tulang rusuk pesakit. Mendapatkan tulang rawan adalah pengalaman yang tidak menyenangkan bagi pesakit dan boleh merosakkan tulang rusuk. Selain itu, telinga yang dihasilkan mungkin tidak kelihatan sangat semula jadi. Telinga juga dibuat dari bahan buatan, tetapi sekali lagi hasilnya mungkin tidak sepenuhnya memuaskan. Telinga yang dicetak berpotensi kelihatan lebih seperti telinga semula jadi dan berfungsi dengan lebih cekap.
Pada bulan Mac 2013, sebuah syarikat bernama Oxford Performance Materials melaporkan bahawa mereka telah menggantikan 75% tengkorak lelaki dengan tengkorak polimer bercetak. Pencetak 3D juga digunakan untuk membuat peralatan perawatan kesihatan, seperti anggota badan palsu, alat bantu pendengaran, dan implan gigi.
Mencetak rahang bawah
Pada Februari 2012, saintis Belanda melaporkan bahawa mereka telah membuat rahang bawah buatan dengan pencetak 3D dan menanamkannya ke wajah seorang wanita berusia 83 tahun. Rahang dibuat dari lapisan serbuk logam titanium yang disatukan oleh haba dan ditutup dengan lapisan bioceramic. Bahan bioceramic sesuai dengan tisu manusia.
Wanita itu menerima rahang tiruan kerana dia mengalami jangkitan tulang kronik di rahang bawahnya sendiri. Doktor merasakan bahawa pembedahan pembinaan semula wajah tradisional terlalu berisiko bagi wanita itu kerana usianya.
Rahang mempunyai sendi sehingga dapat digerakkan, serta rongga untuk melekatkan otot dan alur untuk saluran darah dan saraf. Wanita itu dapat mengucapkan beberapa perkataan sebaik sahaja dia bangun dari ubat bius. Keesokan harinya dia dapat menelan. Dia pulang setelah empat hari. Gigi palsu dijadualkan untuk dimasukkan ke rahang di kemudian hari.
Struktur bercetak juga digunakan dalam latihan perubatan dan dalam perancangan pra-pembedahan. Model tiga dimensi yang dibuat dari imbasan perubatan pesakit sangat berguna bagi pakar bedah, kerana dapat menunjukkan keadaan khusus di dalam tubuh pesakit. Ini dapat memudahkan pembedahan yang kompleks.
Item Prostetik dan Implan
Rahang logam yang dinyatakan di atas adalah sejenis prostetik, atau bahagian badan tiruan. Pengeluaran prostetik adalah kawasan di mana pencetak 3D menjadi penting. Beberapa hospital kini mempunyai pencetak sendiri atau bekerjasama dengan syarikat pembekal perubatan yang mempunyai pencetak.
Penciptaan prostetik dengan pencetakan 3D sering merupakan proses yang lebih cepat dan lebih murah daripada penciptaan dengan kaedah pembuatan konvensional. Di samping itu, lebih mudah untuk membuat kesesuaian khusus untuk pesakit apabila peranti dirancang dan dicetak khusus untuk orang tersebut. Imbasan hospital dapat digunakan untuk membuat alat yang disesuaikan.
Anggota badan pengganti sering dicetak 3D hari ini, sekurang-kurangnya di beberapa bahagian dunia. Lengan dan tangan yang dicetak sering kali lebih murah daripada yang dihasilkan dengan kaedah konvensional. Satu syarikat percetakan 3D bekerjasama dengan Walt Disney untuk membuat tangan palsu yang berwarna-warni dan menyeronokkan untuk kanak-kanak. Selain membuat produk yang lebih murah dan lebih berpatutan, inisiatif ini bertujuan "untuk membantu anak-anak melihat prostetik mereka sebagai sumber kegembiraan dan bukannya memalukan atau membatasi".
Lebih Banyak Contoh
- Pada akhir 2015, vertebra bercetak berjaya ditempatkan di pesakit. Pesakit juga telah menerima sternum bercetak dan tulang rusuk.
- Percetakan 3D digunakan untuk menghasilkan implan gigi yang lebih baik.
- Penggantian sendi pinggul sering dicetak.
- Kateter yang sesuai dengan ukuran dan bentuk tertentu lorong di badan pesakit tidak lama lagi.
- Percetakan 3D sering terlibat dalam pembuatan alat bantu dengar.
Pencetakan Bio dengan Sel Hidup: Masa Depan yang Mungkin
Percetakan dengan sel hidup, atau pencetakan bio, berlaku hari ini. Ini adalah proses yang sukar. Sel tidak boleh terlalu panas. Sebilangan besar kaedah pencetakan 3D melibatkan suhu tinggi, yang akan membunuh sel. Di samping itu, cecair pembawa sel tidak boleh membahayakannya. Cecair dan sel-sel di dalamnya dikenali sebagai bio-ink (atau bioink).
Penggantian Organ dan Tisu
Penggantian organ yang rosak dengan organ yang terbuat dari pencetak 3D akan menjadi revolusi hebat dalam perubatan. Pada masa ini, tidak ada organ yang didermakan untuk semua orang yang memerlukannya.
Rancangannya adalah untuk mengambil sel dari tubuh pesakit sendiri untuk mencetak organ yang mereka perlukan. Proses ini harus mengelakkan penolakan organ. Sel-sel itu mungkin sel stem, yang merupakan sel tidak khusus yang mampu menghasilkan jenis sel lain apabila mereka dirangsang dengan betul. Jenis sel yang berbeza akan disimpan oleh pencetak dengan urutan yang betul. Para penyelidik mendapati bahawa sekurang-kurangnya beberapa jenis sel manusia memiliki kemampuan luar biasa untuk mengatur diri sendiri ketika disimpan, yang akan sangat membantu dalam proses pembuatan organ.
Jenis khas pencetak 3D yang dikenali sebagai bioprinter digunakan untuk membuat tisu hidup. Dalam kaedah umum membuat tisu, hidrogel dicetak dari satu kepala pencetak untuk membentuk perancah. Titisan cair kecil, masing-masing mengandungi beribu-ribu sel, dicetak ke perancah dari kepala pencetak yang lain. Titisan segera bergabung dan sel-sel saling melekat. Apabila struktur yang dikehendaki telah terbentuk, perancah hidrogel dikeluarkan.Mungkin terkelupas atau boleh dihanyutkan jika larut dalam air. Perancah biodegradasi juga boleh digunakan. Ini secara beransur-ansur pecah di dalam badan hidup.
Dalam perubatan, transplantasi adalah pemindahan organ atau tisu dari penderma kepada penerima. Implan adalah memasukkan alat buatan ke dalam tubuh pesakit. Pencetakan bio 3D jatuh di antara kedua-dua ekstrem ini. Kedua "transplantasi" dan "implan" digunakan ketika merujuk pada item yang dihasilkan oleh bioprinter.
Beberapa Kejayaan Pencetakan Bio
Implan dan prostetik bukan hidup yang dibuat oleh pencetak 3D sudah digunakan pada manusia. Penggunaan implan yang mengandungi sel hidup memerlukan lebih banyak penyelidikan, yang sedang dilakukan. Seluruh organ belum dapat dibuat dengan percetakan 3D, tetapi bahagian organ dapat. Banyak struktur yang berbeza telah dicetak, termasuk tompok otot jantung yang dapat mengalahkan, tompok kulit, ruas saluran darah, dan tulang rawan lutut. Ini belum ditanamkan pada manusia. Pada tahun 2017, saintis menunjukkan prototaip pencetak yang dapat membuat kulit manusia untuk implantasi, dan pada tahun 2018 saintis lain mencetak kornea dalam proses yang suatu hari nanti dapat digunakan untuk memperbaiki kerosakan pada mata.
Beberapa penemuan yang diharapkan dilaporkan pada tahun 2016. Sekumpulan saintis menanamkan tiga jenis struktur bioprinted di bawah kulit tikus. Ini termasuk pinna telinga manusia berukuran bayi, sepotong otot, dan bahagian tulang rahang manusia. Pembuluh darah dari sekitarnya meluas ke semua struktur ini semasa berada di badan tikus. Ini adalah perkembangan yang menggembirakan, kerana bekalan darah diperlukan untuk memastikan tisu tetap hidup. Darah membawa nutrien ke tisu hidup dan membuang sisa-sisa mereka.
Sangat menarik untuk diperhatikan bahawa struktur yang ditanamkan dapat bertahan hidup sehingga saluran darah berkembang. Pencapaian ini dicapai dengan adanya pori-pori kecil dalam struktur yang membolehkan nutrien masuk ke dalamnya.
Mencetak Bahagian Jantung
Membuat Kornea
Para saintis di Universiti Newcastle di UK telah mencipta kornea bercetak 3D. Kornea adalah penutup mata kita yang telus dan terluar. Kerosakan yang teruk pada penutup ini boleh menyebabkan kebutaan. Transplantasi kornea sering menyelesaikan masalah, tetapi tidak banyak kornea yang tersedia untuk membantu semua orang yang memerlukannya.
Para saintis memperoleh sel stem dari kornea manusia yang sihat. Sel kemudian dimasukkan ke dalam gel yang terbuat dari alginat dan kolagen. Gel melindungi sel ketika mereka melalui muncung tunggal pencetak. Tidak sampai sepuluh minit diperlukan untuk mencetak gel dan sel dalam bentuk yang betul. Bentuknya diperoleh dengan mengimbas mata seseorang. (Dalam situasi perubatan, mata pasien akan di scan.) Setelah campuran gel dan sel dicetak, sel induk menghasilkan kornea lengkap.
Kornea yang dibuat oleh proses pencetakan belum dimasukkan ke mata manusia. Mungkin ada beberapa waktu sebelum mereka berada. Namun, mereka berpotensi untuk menolong banyak orang.
Merangsang sel induk untuk menghasilkan sel khusus yang diperlukan untuk membuat bahagian tertentu dari tubuh manusia pada waktu yang tepat adalah satu cabaran dalam dirinya sendiri. Ini adalah proses yang boleh memberi manfaat yang luar biasa bagi kita.
Manfaat Organ Mini, Organoid, atau Organ pada Cip
Para saintis dapat membuat organ mini dengan mencetak 3D (dan dengan kaedah lain). "Organ mini" adalah versi miniatur organ, bahagian organ, atau tompok tisu dari organ tertentu. Mereka disebut dengan pelbagai nama selain istilah mini organ. Kreasi yang dicetak mungkin tidak mengandungi setiap jenis struktur yang terdapat di organ bersaiz penuh, tetapi ia adalah perkiraan yang baik. Penyelidikan menunjukkan bahawa mereka mungkin mempunyai kegunaan penting, walaupun tidak dapat ditanam.
Organ mini tidak selalu dihasilkan dari sel yang dibekalkan oleh penderma rawak. Sebaliknya, ia sering dibuat dari sel-sel orang yang mempunyai penyakit. Penyelidik dapat memeriksa kesan ubat-ubatan pada organ mini. Sekiranya ubat didapati bermanfaat dan tidak berbahaya, ia boleh diberikan kepada pesakit. Terdapat beberapa kelebihan untuk proses ini. Salah satunya adalah bahawa ubat yang mungkin bermanfaat untuk versi penyakit tertentu pesakit dan untuk genom spesifik mereka dapat digunakan, yang meningkatkan kemungkinan rawatan yang berjaya. Yang lain adalah bahawa doktor mungkin dapat memperoleh ubat yang tidak biasa atau biasanya mahal untuk pesakit jika mereka dapat menunjukkan bahawa ubat itu mungkin berkesan. Di samping itu, menguji ubat pada organ mini dapat mengurangkan keperluan haiwan makmal.
Struktur yang Meniru Paru
Pada tahun 2019, saintis di Universiti Rice dan University of Washington menunjukkan penciptaan organ mini yang meniru paru-paru manusia dalam tindakan. Paru-paru mini terbuat dari hidrogel. Ia mengandungi struktur seperti paru-paru kecil yang dipenuhi udara pada selang waktu yang tetap. Jaringan kapal yang dipenuhi darah mengelilingi strukturnya.
Apabila dirangsang, paru-paru yang disimulasikan dan salurannya mengembang dan berkontraksi secara berirama tanpa patah. Video menunjukkan bagaimana struktur berfungsi. Walaupun organoid tidak berukuran penuh dan tidak meniru semua tisu di paru-paru manusia, kemampuannya bergerak seperti paru-paru adalah perkembangan yang sangat penting.
Beberapa Cabaran untuk Pencetakan Bio
Membuat organ yang sesuai untuk implantasi adalah tugas yang sukar. Organ adalah struktur kompleks yang mengandungi pelbagai jenis sel dan tisu yang disusun dalam corak tertentu. Sebagai tambahan, ketika organ berkembang semasa perkembangan embrio, mereka menerima isyarat kimia yang memungkinkan struktur halus dan tingkah laku yang rumit mereka berkembang dengan baik. Isyarat ini kurang apabila kita berusaha membuat organ secara buatan.
Beberapa saintis berpendapat bahawa pada mulanya — dan mungkin untuk beberapa waktu yang akan datang — kita akan mencetak struktur yang dapat ditanam yang dapat melakukan satu fungsi organ dan bukannya semua fungsinya. Struktur yang lebih sederhana ini mungkin sangat berguna jika ia dapat mengatasi kerosakan serius pada badan.
Walaupun mungkin bertahun-tahun sebelum organ cetak bio tersedia untuk implan, kita mungkin dapat melihat faedah baru dari teknologi sebelum itu. Laju penyelidikan nampaknya semakin meningkat. Masa depan percetakan 3D berkaitan dengan perubatan semestinya sangat menarik dan juga menarik.
Rujukan
- Telinga buatan yang dihasilkan oleh pencetak 3D dan sel-sel tulang rawan hidup dari Smithsonian Magazine.
- Rahang pemindahan dibuat oleh pencetak 3D dari BBC (British Broadcasting Corporation)
- Tangan bercetak 3D berwarna-warni dari Persatuan Jurutera Mekanikal Amerika
- Bioprinter mencipta bahagian badan yang ditanam secara makmal untuk pemindahan dari The Guardian
- Kornea manusia cetak 3D pertama dari perkhidmatan berita EurekAlert
- Pencetak 3D menjadikan hati manusia terkecil dari Saintis Baru
- Organ bercetak mini 3D meniru jantung dan hati yang berdegup dari Saintis Baru
- Organ yang meniru paru-paru dari Mekanik Popular
- Pencetak 3D baru menjadikan tisu telinga, otot, dan tulang berukuran besar dari sel hidup dari Science Alert
- 3-D bioprinter untuk mencetak kulit manusia dari perkhidmatan baru phys.org
Artikel ini tepat dan benar sepanjang pengetahuan penulis. Kandungan hanya untuk tujuan maklumat atau hiburan dan tidak menggantikan nasihat peribadi atau nasihat profesional dalam urusan perniagaan, kewangan, undang-undang, atau teknikal.
