fbpx

Biomedyczne zastosowania druku 3D

Eksperci Sygnis Bio Technologies dzielą się wiedzą o tym jak technologie addytywne stają się nadzieją medycyny personalizowanej na opłacalne wykonywanie zindywidualizowanych implantów, akcesoriów do radioterapii oraz modeli tkankowych

Od kilku lat zauważamy gwałtowny rozwój technologii druku 3D oraz coraz szerszy zakres jej zastosowań zarówno w przemyśle i sztuce, ale również w medycynie. Na całym świecie wiele małych i dużych przedsiębiorstw usprawnia swoje procesy produkcyjne wydajnymi drukarkami 3D. Wytwarzanie addytywne stało się również nieodłączną częścią laboratoriów biologiczno-chemicznych oraz placówek klinicznych. Niektóre zastosowania wymagają multidyscyplinarych zespołów i lat badań nad optymalną metodą wydruku oraz doborem odpowiednich materiałów.

Rysunek 1. Biodrukarka BIO X firmy Cellink
Źródło: Sygnis New Technologies

Software

Jak powszechnie wiadomo druk 3D pozwala na wytwarzanie fizycznych elementów na podstawie modelu cyfrowego. Tak samo jak w przypadku obrabiarek CNC, drukarki 3D sterowane są numeryczne, a wszystkie polecenia i operacje wykonują z wygenerowanego wcześniej g-code. O ile dla wielu użytkowników sama obsługa urządzenia nie była problematyczna, to największą barierę stanowiło samo przygotowanie modelu. Przez wiele lat było to zadanie przypisane jedynie wykwalifikowanym specjalistom, którzy korzystali z kosztownego oprogramowania. W szczególności zastosowania biomedyczne wymagały certyfikowanych systemów, które były niedostępne dla przeciętego użytkownika.

Kilka lat temu rozpoczęła się demokratyzacja również w dziedzinie software’u do projektowania 3D. Pojawiło się wiele prostych i darmowych programów dla użytkowników drukarek 3D oraz pierwsze kompleksowe systemy, które pozwoliły na modelowanie elementów oraz bezpośrednie przesyłanie ich do urządzenia.

Możliwym stało się również stworzenie końcowego produktu na podstawie rysunku technicznego 2D lub zbudowanie go z podstawowych brył geometrycznych. Oprócz systemów dedykowanych pod konkretne urządzenie (np. FlashPrint) istnieje wiele uniwersalnych programów open-source wspierających druk 3D oraz generatorów zaawansowanych struktur. Pod koniec 2019 roku firma Prellis Biologics opublikowała aplikację internetową, która umożliwia generację trójwymiarowych modeli unaczynionych skafoldów.

Tego typu systemy otwierają możliwości obsługi biodrukarek osobom z podstawową wiedzą na temat projektowania modeli komputerowych, w tym naukowcom zajmującym się na co dzień stricte biologią czy chemią. Wraz ze wzrostem konkurencji ceny profesjonalnych programów do projektowania 3D maleją, w konsekwencji czego znacznie zwiększa się ich dostępność dla początkujących użytkowników.

Materiały stosowane w druku 3D

Druk 3D daje użytkownikom możliwość wyboru pośród ogromnej gamy materiałów. W zależności od stosowanej technologii możemy wykorzystywać polilaktydowe filamenty, ciekłe żywice, proszki metali lub hydrożele. Należy jednak pamiętać, że wszystkie materiały wykorzystywane do produkcji elementów mających bezpośredni kontakt z pacjentem muszą posiadać odpowiednie certyfikacje i testy.

Produkcja elementów wszczepialnych w organizm żywy wymaga zastosowania materiału odpornego zarówno pod względem mechanicznym, jak i biochemicznym. Doskonałym materiałem do zastosowań implantologicznych jest PEEK (PoliEteroEteroKeton), jednak ze względu na temperaturę topnienia bliską 350°C jego obróbka jest bardzo skomplikowana i wymaga specjalistycznego sprzętu.

Pod względem odpowiedniego doboru materiału najbardziej zaawansowanej i multidyscyplinarnej wiedzy wymaga technologia biodruku 3D. Biotusze, które wchodzą w skład biotuszu muszą dostarczać odpowiednie bodźce chemiczne i mechaniczne zatopionym w nich żywym komórkom oraz chronić je w trakcie procesu drukowania. Nie wystarczy, aby umieszczone w hydrożelu komórki były jedynie biernie w nim zawieszone. Co więcej, biotusz powinien ułatwiać i indukować wzajemny kontakt między komórkami oraz promować rozwój macierzy zewnątrzkomórkowej. Spełnienie tych wszystkich wymogów jest kluczowe do powstania nowej tkanki z zachowaniem pierwotnych funkcji.

Biodruk 3D furtką do świata innowacji

Na świecie istnieje wiele grup badawczych, które codziennie próbują pokonać przeszkody pojawiające się na drodze wdrażania nowych technologii w medycynie i biotechnologii. Proces biodruku 3D wymaga multidyscyplinarnego podejścia oraz połączenia wiedzy z pogranicza medycyny, biologii, chemii, ale również mechaniki i fizyki. W efekcie regularnie powstają nowe metody wytwarzania trójwymiarowych biologicznych struktur, często dedykowane pod konkretny typ komórek lub zastosowanie. Niekiedy niewielkie modyfikacje, np. w postaci modyfikacji sposobu ekstruzji, mają duże znaczenie przy biodruku modeli o konkretnym przeznaczeniu i właściwościach. Zaawansowane zastosowania druku 3D wymagają znajomości aktualnego stanu światowego rynku zarówno na gruncie naukowym, jak i przemysłowym. Ze względu na mnogość nowych technologii addytywnych oraz wykorzystywanych/ stosowanych materiałów często konieczne jest skorzystanie z pomocy osób posiadających doświadczenie oraz odpowiednią bazę wiedzy. Lata praktyki w branży druku i biodruku 3D, liczne kwalifikacje oraz wszechstronne podejście do problemów technologicznych wyróżniają w tej materii grupę Sygnis.

Biodruk 3D nie obejmuje jedynie budowy urządzenia, ani utrzymania komórek przy życiu, ale składa się z szeregu etapów, które należy poprawnie przeprowadzić, aby uzyskać oczekiwany efekt. Z tego też powodu największą siłą Sygnis Bio Technologies jest interdyscyplinarny zespół składający się m.in. z inżynierów i fizyków biomedycznych, którzy od początku do końca są w stanie zaprojektować i zrealizować produkcję modeli tkankowych. Kilkanaście lat doświadczenia oraz liczne wdrożenia w ośrodkach badawczych świadczą o szerokich horyzontach oraz możliwościach.

PRZECZYTAJ TAKŻE: SYNTETYCZNA ROGÓWKA PRZYWRACA WZROK

„Kluczem do sukcesu w eksploracji nowych dróg, a także w poszukiwaniu zoptymalizowanych rozwiązań jest zdecydowanie stworzenie właściwego zespołu ludzi o nieprzeciętnych umiejętnościach w kilku dziedzinach. Nam się udało stworzyć zespół unikatowy, zróżnicowany płciowo, wykształceniowo, a przede wszystkim głodny nowej wiedzy i posiadający umiejętność jej zdobywania. Nic bardziej nie cieszy mnie jako ich szefa ta nadpobudliwość intelektualna, którą się kierują każdego dnia szukając dotychczas nieodkrytego!” – Grzegorz Kaszyński, CEO Sygnis Bio Technologies i współzałożyciel Grupy Sygnis.

 Grupa Sygnis to jednak nie tylko Sygnis Bio Technologies. Siostrzana firma, Sygnis New Technologies, od lat wprowadza rozwiązania inżynieryjne w naukach biomedycznych. Rola eksperta, w ich wykonaniu, nie oznacza jedynie dostarczenia odpowiedniego sprzętu. Niezmiernie ważne jest również indywidualne podejście do klienta oraz możliwość dostosowania aplikacji do jego potrzeb. Chęć ciągłego rozwoju, poszukiwanie niestandardowych rozwiązań oraz pokonywanie pojawiających się przeszkód jest podstawą sukcesu w branży nowych technologiach. Nie bez powodu grupa Sygnis coraz częściej nazywana jest Wylęgarnią Innowacji. „Rozszerzenie Grupy Sygnis o dział biotechnologiczny pozwoliło nam jeszcze skuteczniej wdrażań nowe pomysły i rozwiązania. To był brakujący puzzel w naszych kompetencjach. Coraz częściej stosujemy z sukcesami techniki biodruku 3D w przemyśle. Nasz zespół tworzy wspaniałe możliwości rozwojowe dla klientów i naszych własnych projektów badawczych trwale używając wszystkich 30 technologii addytywnych i mikroskopii jakimi dysponujemy na co dzień.” – Andrzej Burgs, CEO Sygnis New Technologies i współzałożyciel Grupy Sygnis.

CASE STUDIES

Sprzęt laboratoryjny

Technologia FDM umożliwia wytwarzanie prostych przedmiotów codziennego użytku. Przykładem zastosowania druku 3D w laboratorium jest wytwarzanie unikalnych stojaków lub uchwytów do dedykowanych aplikacji.

PRZECZYTAJ TAKŻE: JAKA JEST PRZYSZŁOŚĆ MEDYCYNY?
Rysunek 2. Przykład realizacji stojaka dla firmy Warsaw Geonomics
Źródło: Sygnis New Technologies

Implantologia

Medycyna spersonalizowana obejmuje również obszar wytwarzania personalizowanych protez i implantów, które poprawią jakość  życia pacjenta. Drukarka M220 firmy Apium jako pierwsza na świecie umożliwia drukowanie certyfikowanych implantów, personalizowanych dla anatomii pacjenta z biozgodnego PEEK.

Rysunek 3. Implanty kości twarzy wykonane z PEEK na drukarce Apium M220
Źródło: Apium