Drukowanie przestrzenne (ang. 3D printing) - proces wytwarzania trójwymiarowych, fizycznych obiektów na podstawie komputerowego modelu.

Transkrypt

1 dr inż. A. Bukowska

2 Drukowanie przestrzenne (ang. 3D printing) - proces wytwarzania trójwymiarowych, fizycznych obiektów na podstawie komputerowego modelu. ETAPY WYTWARZANIA wykonanie modelu konstrukcyjnego klasy CAD w programie graficznym. wytworzenie pożądanego kształtu na wiele sposobów, zależnych od technologii druku. 2

3 TECHNOLOGIE DRUKU Direct Metal Laser Sintering (DMLS) selektywne spiekanie laserowe proszku metalicznego (stopy brązu, stale nierdzewne, stopy kobaltowe, proszki tytanowe) Selective Laser Sintering (SLS) selektywne spiekanie laserowe polega na spajaniu proszków poliamidowych lub polistyrenowych (tworzywa sztuczne, ceramika) za pomocą wiązki lasera. PolyJet oparta jest na natryskiwaniu ciekłego fotopolimeru (żywice akrylowe sztywne i elastyczne) oraz materiału wspierającego, a następnie utwardzaniu żywicy światłem UV (wielokolorowość) Fused Deposition Modeling - stopiony materiał (ABS, HPP, HDPE) nanoszony jest warstwa po warstwie przez rozgrzaną dyszę. LOM (Laminated Object Manufacturing) polega na sklejaniu modelu z wyciętych laserowo warstw papieru EBM (Electron Beam Melting) metoda addytywnego szybkiego prototypowania części metalowych. Przypomina proces technologiczny DMLS, tylko zamiast laseru, EBM do spajania sproszkowanego metalu wykorzystuje wiązkę elektronów. 3

4 Pomoc w skomplikowanych operacjach Pomoc w skomplikowanych operacjach Chirurgia estetyczna Chirurgia estetyczna Protetyka Bezpieczne Protetyka leki Bioprtining Bezpieczne leki, Bioprinting Tomografia komputerowe lub rezonans magnetyczny źródłem modeli 3D 4

5 Pomoc w skomplikowanych operacjach 16 mm na warstwę Pomoc w skomplikowanych operacjach Chirurgia estetyczna Protetyka Bezpieczne leki Bioprtining Żywica poliakrylowa model twarzy 5

6 Chirurgia estetyczna Pomoc w skomplikowanych operacjach Chirurgia estetyczna Protetyka Bezpieczne leki Bioprtining 75% powierzchni czaszki 6

7 Protetyka koszt wykonania protezy wynosi zaledwie 200 $ właśnie dzięki drukowi 3D, gdzie koszt normalnej protezy tego typu to ok 200,000 $ Koszt wydrukowania protezy odczytującą fale mózgowe użytkownika 200$. Koszt normalnej 7 protezy 200 tys. $

8 8 Początki druku 3D sięgają roku 1984, kiedy Charles Hull podjął się opracowania idei druku 3D. Opatentował ją dwa lata później pod nazwą stereolitografia. Hull zaprojektował format plików.stl Scott Crump opatentował technologię FDM (Fused Deposition Modelling) powstała pierwsza komercyjna drukarka 3D. Jej działanie polegało na utwardzaniu światłem lasera UV fotopolimera wylewanego warstwa po warstwie. 8

9 1999 r. po raz pierwszy wykorzystano druk 3D w medycynie. Naukowcy z Wake Forest w USA wszczepili pacjentowi powiększony pęcherz moczowy, który został wykonany przez nałożenie własnych komórek pacjenta na syntetyczny szkielet 2001 r. stworzono miniaturową nerkę zdolną do filtrowania krwi i produkowania uryny wewnątrz zwierzęcia laboratoryjnego. W 2012 roku LayerWise wytworzyło pierwszy implant żuchwy, który został wszczepiony 83-letniej kobiecie z infekcją kości stworzenie sztucznego ucha, które wygląda i funkcjonuje jak prawdziwy narząd. 9

10 TECHNOLOGIE BIOPRINTINGU Wytłaczanie (extrusion-based) to technologia umożliwiająca drukowanie dużej liczby komórek w tym samym czasie, co nie jest możliwe w przypadku nanoszenie pojedynczych kropel. Wykorzystywana jest strzykawka wypełniana biotuszem z długą igłą lub mikropipetą 10

11 BIOATRAMENT Atrament wykorzystywany do bioprintingu jest wytwarzany z komórek pobranych podczas biopsji oraz z komórek macierzystych. Większość bioatramentów to mieszanina komórek z innymi materiałami takimi jak: Silikony, Kolagen, Żelatyna, Kwas alginianowy, Czynniki wzrostu. W ostatnim czasie naukowcy stworzyli bioatrament, składający się z protein jedwabiu, który być może znajdzie zastosowanie w inżynierii tkankowej i implantach biomedycznych. 11

12 12

13 MATERIAŁY STOSOWANE DO TWORZENIA TKANEK Tkanka Typ komórek Materiał Zastawki serca Komórki śródmiąższowych zastawek aorty, Kwas hialuronowy, żelatyna, kwas alginowy Tkanki serca komórki sercowe Kwas alginowy, fibryna, Naczynia krwionośne Tkanki mięśniowoszkieletowe Nerwy Skóra Komórki sercowe, komórki tkanki łącznej, komórki śródbłonkowe Mioblasty, komórki szpiku kostnego Komórki Schwanna, komórki hippokampa, komórki korowe, Fibroblasty skórne, keranocyty naskórkowe Kolagen, kwas alginowy, agar Fibryna, agar, kwas alginowy, Agar, kolagen, fibryna, Kolagen, 13

14 14

15 DRUK SKÓRY został wykonany w 2010 roku w Centrum Laserowym w Hannowerze. Komórki zostały połączone ze sobą laserem. Wykorzystanie drukarki, która nadrukowuje skórę będzie przełomem w dziedzinie leczenia uszkodzeń skóry powstałych w wyniku poparzeń

16 BIODRUK ORGANÓW Grupa naukowców z University of Louisville pod kierownictwem Dr Stuarta Williams a przy pomocy sześcioosiowej drukarki 3D stworzyła pierwszy model ludzkiego serca. Do jego wytworzenia użyto komórek kolagenowych oraz tłuszczowych. 16

17 BIODRUK W WALCE Z RAKIEM 17

18 OBECNE PROJEKTY Organovo drukowanie naczyń krwionośnych, prace nad wydrukowaniem w pełni funkcjonalnej wątroby, drukowane tkanki nerki, Wake Forest wykonanie skóry przydatnej do np. leczenia oparzeń, wydruk funkcjonalej nerki, organoidy Rosja drukowana tarczyca, Michigan Technological University wydruk komórek nerwowych, University of Louisville ludzkie serce, Odbudowa struktury kostnej. 18

19 NERKI Drukowane nerki są zbyt małe, by móc dokonać transplantacji. Nie posiadają także naczyń krwionośnych ani zakończeń nerwowych, a ich żywotność nie przekracza 4 miesięcy. WĄTROBA NERWY W Michigan Technological University trwają prace nad wydrukiem 3D komórek nerwowych. Mają być one wykorzystywane do regeneracji nerwów u pacjentów z urazami kręgosłupa. Obecnie naukowcy szukają odpowiedniego bioatramentu. Sprawdzane są np. nanokryształy celulozy. WĄTROBA Tkanka została wydrukowana z trzech rodzajów komórek, które znajdują się w wątrobie człowieka. Wydrukowane przez Organovo tkanki wątroby (exvive 3D Liver) wykorzystywane są głównie do testowania leków. Wyprodukowana tkanka zachowuje swoje właściwości przez 40 dni, natomiast w zwykłych hodowlach komórkowych 2D zaledwie 48 godzin.

20 ORGANOIDY Organoidy to miniaturowe narządy, które zostały wydrukowane za pomocą metody trójwymiarowego skanowania i bioprintingu przez naukowców w Wake Forest. Miniaturowe serce powstało z przeprogramowanych komórek skóry. Tak otrzymane serce ma średnicę zaledwie 0,255 mm. Organoidy mają w przyszłości pomóc w badaniach medycznych nad nowymi lekami i terapiami, bez konieczności eksperymentowania na zwierzętach. Praca nad nimi może się przyczynić do stworzenia tych organów w rozmiarze 1:1 w stosunku do ludzkich organów.

21 BIODRUK NA PACJENCIE 21

22 WADY I ZALETY BIODRUKU ZALETY Wyeliminowanie potrzeby zażywania leków zapobiegąjących odrzuceniu organu Skrócenie czasu oczekiwania na organ Szansa na eliminacje odrzutów Tańsze i szybsze badania leków Wyeliminowanie testowania produktów na zwierzętach Mały współczynnik niszczenia materiału Możliwość drukowania materiałami o wysokiej lepkości i miękkości WADY Biodrukarki są bardzo kosztowne Używanie ludzkich komórek jest kontrowersyjne Używanie komórek macierzystych jest kosztowne Brak regulacji prawnych 22

23 23