Drukowanie przestrzenne – nadzieja farmacji i medycyny

Od tworzenia trójwymiarowych modeli zabytków, przez drukowanie samochodów, aż do produkcji tabletek metodą druku przestrzennego. Drukowanie 3D dotarło w końcu do branży farmaceutycznej oraz medycznej i cały czas się rozwija, dając szansę na zrewolucjonizowanie wytwarzania leków, produkcję sprzętu medycznego, a także na jeszcze większe spersonalizowanie metod leczenia do potrzeb pacjenta.

 Krótko o procesie druku 3D

Punktem wyjścia dla każdego procesu drukowania 3D jest trójwymiarowy model komputerowy, który można stworzyć za pomocą dedykowanego programu. Następnie model jest dzielony na warstwy, które stają się czytelne dla drukarki 3D. Materiał przetworzony przez drukarkę 3D jest kolejno nakładany warstwa po warstwie. Z tego powodu drukowanie 3D określa się jako wytwarzanie addytywne lub przyrostowe. Na koniec powierzchnie wydrukowanego elementu mogą zostać wygładzone.

Możliwe jest wytwarzanie bardzo szczegółowych i skomplikowanych obiektów, zwykle bez potrzeby montażu, gdyż każdą z części można drukować bezpośrednio. Procesy druku 3D pozwalają na masową personalizację według indywidualnych potrzeb i wymagań.

Dla potrzeb medycyny i farmacji często stosuje się biodruk 3D. Jest to odmiana, w której materiałem używanym przez drukarki są żywe elementy. Mogą to być na przykład komórki zanurzone w specjalnym biotuszu. [1,2] 

Rys.1 Schemat procesu drukowania 3D
Źródło: theengineeringprojects.com

Leki szyte na miarę

6 lat temu wydarzył się istny przełom w produkcji leków. Pierwszy lek drukowany 3D otrzymał zezwolenie Amerykańskiej Agencji do spraw Żywności i Leków. Mowa o Spiritamie (lewetyracetam) – leku przeciwpadaczkowym, produkowanym przez przedsiębiorstwo Aprecia Pharmaceuticals z  Ohio. Dzięki zastosowaniu technologii druku warstwowego powierzchnia tabletki staje się bardziej porowata. Wpływa to na zwiększenie szybkości rozpuszczalności leku nawet przy dużych dawkach (do 1000 mg substancji czynnej). Jest to kluczowe rozwiązanie dla osób mających problemy z przełykaniem, w tym przypadku są to osoby z epilepsją. Dzięki drukowaniu leków 3D istnieje możliwość personalizacji leków. Dotyczy to indywidualnego doboru dawki do pacjenta, a także personalizacji smaku i kształtu tabletek. [3]


Wsparcie dla chirurgów

Dzięki drukowaniu przestrzennemu można tworzyć modele narządów do planowania operacyjnego. Przykładem jest chociażby model wątroby wytworzony przez Jana Witowskiego z Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Ewenementem jest cena druku takiego modelu. Ceny zagranicznych modeli sięgają kilkunastu tysięcy, natomiast koszt produkcji według projektu krakowianina wynosi około 400-500 złotych. Metoda Witowskiego opiera się na połączeniu dwóch technik – druku przestrzennego oraz odlewnictwa. Wnętrze wątroby może zostać przygotowane z plastiku, na niskobudżetowych drukarkach 3D. Następnie wydruk zalewa się silikonem, któremu w procesie odlewania nadaje się pożądany kształt.

Z modelu Witowskiego rutynowo korzysta się w Szpitalu Uniwersyteckim w Krakowie – w  Klinice Chirurgii Endoskopowej, Metabolicznej oraz Nowotworów Tkanek Miękkich kierowanej przez profesora Andrzeja Budzyńskiego. Jest to jedyny ośrodek w Polsce, w którym laparoskopowo przeprowadza się resekcje wątroby obejmujące kilka segmentów. Wydruki 3D wątroby wykonywane są u każdego chorego przed zabiegiem operacyjnym. [4]


 Pokonać lęk przed igłami

Chociaż mikroigły są znane i od wielu lat wykorzystywane w celu dostarczania leków do organizmu, dopiero stosunkowo niedawno zaczęto badania nad zastosowaniem druku przestrzennego mikroigieł.

Mikroigły często opisuje się jako połączenie igły podskórnej z plastrem transdermalnym. W dowolnym miejscu na płytce bazowej lub warstwie nośnej mocuje się od jednego do tysięcy mikroigieł. Szczepionkę lub lek zazwyczaj umieszcza się w końcówce mikroigłowej lub na  niej.

Ze względu na niewielką długość mikroigieł, nerwy skórne i naczynia krwionośne nie zostają naruszone, więc po nałożeniu plastra u pacjenta nie występuje ból ani krwawienie. Spada także ryzyko infekcji, które często towarzyszy tradycyjnym igłom.

W przeciwieństwie do tradycyjnych metod wytwarzania mikroigieł (np. odlewnictwo), technika drukowania 3D wymaga mniej skomplikowanych i kosztownych urządzeń produkcyjnych. Niepotrzebna jest także specjalistyczna wiedza w zakresie mikrowytwarzania, a czas produkcji mikroigieł zmniejsza się znacząco. Dodatkowo drukarka 3D charakteryzuje się większą precyzją w doborze ostrości igły oraz zwiększa wytrzymałość mechaniczną mikroigieł.

Mikroigły mają wyraźną przewagę nad szczepionkami płynnymi. Dzięki nim szczepionki mogą być przygotowywane w stanie suchym, eliminując potrzebę chłodzenia. Suche szczepionki są stabilne w temperaturach otoczenia, dlatego łatwiej jest je transportować i przechowywać.

Należy również wspomnieć o efektywności szczepionek podawanych z użyciem mikroigieł. Według naukowców ze Stanford University i University of North Carolina w Chapel Hill, uzyskana odpowiedź immunologiczna u zwierząt po zastosowaniu mikroigieł ze szczepionką była 10 razy większa niż po podaniu szczepionki w mięsień ramienia za pomocą wkłucia igły. Zespół planuje rozpocząć testy nad mikroigłami zawierającymi szczepionki RNA, takimi jak szczepionki Pfizer i Moderna. [5-7]


Rys.3 Plaster do szczepionki mikroigłowej wytworzony dzięki drukowaniu przestrzennemu.
https://centrumdruku3d.pl/wp-content/uploads/2021/09/3dpatch.jpg

Drukowanie organów – przyszłość transplantologii?

Chociaż dzięki drukowi 3D obecnie można wytwarzać protezy kończyn oraz stawu biodrowego lub kolanowego,  naukowcy próbują pójść krok dalej, w stronę drukowania całych narządów przy użyciu komórek macierzystych pacjenta. [8]

W kwietniu 2019 roku w Izraelu po raz pierwszy wydrukowano serce z ludzkich komórek macierzystych. Od pacjentów pobrano próbki tkanki tłuszczowej, z której wyizolowano żywe komórki oraz niezawierający komórek materiał biologiczny. Komórki zostały przekształcone do komórek pluripotencjalnych. Macierz zewnątrzkomórkową, trójwymiarową kolagenu i glikoprotein przekształcono w hydrożel, który użyto do drukowania. Zmieszano komórki z hydrożelem, a następnie komórki przeobraziły się w kardiomiocyty lub komórki wyściółki naczyń. Ostatecznie wydrukowane serce miało rozmiar serca królika oraz nie mogło funkcjonować. [9]

Jeszcze większy sukces odnieśli naukowcy z Uniwersytetu w Minnesocie. Przy użyciu druku 3D uczeni stworzyli pierwsze wytrzymałe, unaczynione, bijące sztuczne serce. Tak jak i  w  przypadku serca wytworzonego przez izraelskich naukowców, do druku użyto komórek macierzystych, które z czasem przekształciły się w kardiomiocyty, a także narząd był jedynie miniaturą ludzkiego serca. Jednakże uczonym z USA udało się uzyskać dużo grubsze ściany serca i odpowiednie zagęszczenie komórek tak, że serce mogło spełniać swoje funkcje. [10]

Przed naukowcami jeszcze daleka droga zanim uda im się wydrukować pełnowymiarowe serce człowieka, gotowe do przeszczepu pacjentowi.  


Rys. 4 Pierwsze serce wydrukowane w 3D .
Źródło: haaretz.com

Pionierzy druku 3D w Polsce

Pierwszą polską firmą zajmującą się drukowaniem przestrzennym w biotechnologii i medycynie jest Sygnis Bio Technologies. Powstała z połączenia firmy Labnatek produkującej sprzęt naukowo-badawczy i lidera branży druku 3D –  Sygnis New Technologies.

Jednym z ważniejszych osiągnięć firmy, wraz z Fundacją Badań i Rozwoju Nauki w Polsce,  jest wydrukowana w 3D bioniczna trzustka, która miałaby być ratunkiem dla chorych na cukrzycę typu 1 z powikłaniami. Bioniczna trzustka składa się z wysp trzustkowych zatopionych w biologicznym biotuszu, wokół których przebiega układ naczyniowy trzustki. Pobrane od zwierząt komórki wysp Langerhansa zmieszano z biotuszem o składzie umożliwiającym przeżycie tych komórek. Następnie drukarka 3D ułożyła komórki przestrzennie w bioreaktorze. Jednocześnie za pomocą drugiej strzykawki wydrukowano naczynia krwionośne, przez które będzie przepływać krew.

Na podstawie wyników badań przedklinicznych na zwierzętach potwierdzono skuteczność terapii. Jeśli rozwiązane zostaną wszystkie kwestie formalno-prawne dotyczące klasyfikacji projektu klinicznego oraz nie zabraknie funduszy, to na rok 2023 zaplanowano wszczepienie bionicznej trzustki pacjentowi z  wykorzystaniem jego komórek macierzystych. [11-13]


Rys. 5 Etapy projektu bionicznej trzustki.
Źródło: fundacjabirn.pl

 Ciągłe zainteresowanie drukiem 3D

O nieustannym rozwoju branży drukowania przestrzennego mogą świadczyć największe targi druku 3D na świecie, znane jako Formtext. Ubiegła edycja odbyła się we Frankfurcie nad Menem w dniach 16-19 listopada 2021 r. Zaprezentowano nowości na rynku, omówiono stale rozszerzające się obszary zastosowań wytwarzania addytywnego i jego imponujący potencjał. Wystawcy i uczestnicy oferowali również rozwiązania ważnych problemów, takich jak zdecentralizowana produkcja, wydajność procesów oraz zrównoważony rozwój. [14]


Podsumowanie

Druk 3D wydaje się oferować znaczną poprawę stanu opieki zdrowotnej, przede wszystkim ze względu na możliwość wytwarzania wysoce spersonalizowanych produktów zgodnie z  potrzebami konkretnego pacjenta. Z racji coraz szerszego zastosowania druku przestrzennego w farmacji i medycynie, istnieje ryzyko związane z kwestią regulacji i kontroli nad wyrobami medycznych wydrukowanymi w 3D.  Według naukowców z niemieckiego Uniwersytetu FH Münster, przepisy Unii Europejskiej pozostają daleko w tyle w porównaniu ze Stanami Zjednoczonymi lub Australią. Czy unijne rozporządzenia nadążą za błyskawicznie rozwijającą się branżą drukowania 3D wyrobów medycznych? Jaki będzie to miało wpływ na bezpieczeństwo pacjentów? Odpowiedzi na te pytania prawdopodobnie uda się poznać niebawem. [15]


Julianna Pijaj


Źródła:

1.  Skrzek K., Proces druku 3D i produkcyjne zastosowania, Przemysł przyszłości, 07.08.2020 [dostęp: 17.12.2021]. https://przemyslprzyszlosci.gov.pl/proces-druku-3d-i-produkcyjne-zastosowania/

2. Jamróz, W., Szafraniec, J., Kurek, M. et al. 3D Printing in Pharmaceutical and Medical Applications – Recent Achievements and Challenges, Pharm Res 35, 176, 11.07.2018 [dostęp: 18.12.2021]. https://doi.org/10.1007/s11095-018-2454-x

3. Aprecia, Zipdose technology [dostęp: 17.12.2021]. https://www.aprecia.com/technology/zipdose

4. Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum, Innowacyjna metoda druku modelu wątroby 3D opracowana przez studenta UJ CM, 25.05.2017, [dostęp: 18.12.2021]. https://cm-uj.krakow.pl/index.php/collegium/aktualnosc/1856

5. Dabbagh S.R.,  Sarabi M.R., Rahbarghazi R., Sokullu E., Yetisen A.K., Tasoglu S., 3D-printed microneedles in biomedical applications, iScience, Volume 24, Issue 1 [dostęp: 26.12.2021]. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004220312098

6. Kirkendoll S.M., A 3D-Printed Vaccine Patch Offers Vaccination without a Shot, UNC News, 23.09.2021 [dostęp: 17.12.2021]. https://uncnews.unc.edu/2021/09/23/a-3d-printed-vaccine-patch-offers-vaccination-without-a-shot/.

7. Faraji Rad Z., Prewett P.D., Davies G.J., An overview of microneedle applications, materials, and fabrication methods, Beilstein Journal of Nanotechnology, 2021, 12, 1034–1046, 13.09.2021 [dostęp: 20.12.2021]. https://www.beilstein-journals.org/bjnano/articles/12/77

8. PEW Research Center, What Is Medical 3D Printing—and How Is it Regulated?, 05.10.2020 [dostęp: 26.12.2021]. https://pew.org/3l8s9mm

9. Wernicki P., Serce z komórek pacjenta wydrukowane w 3D, Nauka w Polsce, 17.04.2019 [dostęp: 17.12.2021]. https://naukawpolsce.pl/aktualnosci/news%2C33676%2Cserce-z-komorek-pacjenta-wydrukowane-w-3d.html

10. Hanaphy P., University of Minnesota researchers use 3D bioprinting to create beating human heart, 3D Printing Industry, 07.07.2020, [dostęp: 19.12.2021] https://3dprintingindustry.com/news/university-of-minnesota-researchers-use-3d-bioprinting-to-create-beating-human-heart-173210/

11. Krupa A., Bioniczna trzustka 3D – przełom w leczeniu cukrzycy typu 1?, Medycyna Praktyczna, 27.03.2019 [dostęp: 17.12.2021]. http://www.mp.pl/social/article/206671https://www.mp.pl/cukrzyca/wywiady/206671,bioniczna-trzustka-3d-przelom-w-leczeniu-cukrzycy-typu-1

12. Mokrzycka K., Polska bioniczna trzustka 3D pozwoli wyleczyć cukrzycę. Zainwestował w nią założyciel CD Projekt, 300 Gospodarka, 13.09.2021 [dostęp: 17.12.2021]. https://300gospodarka.pl/wywiady/zalozyciel-cd-projekt-wiedzmin-kicinski-inwestuje-w-polska-bioniczna-trzustke-3d-polbionica

13. Fundacja Badań i Rozwoju Nauki, Biodrukowanie 3D bionicznej trzustki [dostęp: 20.12.2021]. https://fundacjabirn.pl/projekt-biodrukowanie-3d-bionicznej-trzustki/

14. Formnext, Formnext – Where ideas take shape, [dostęp: 26.12.2021]. https://formnext.mesago.com/frankfurt/en.html.

15. Carl A.K.; Hochmann D. Regulatory framework for 3D printed custom-made devices in Europe., Transactions on Additive Manufacturing Meets Medicine, 3(1), 542., 2021. [dostęp: 26.12.2021] https://doi.org/10.18416/AMMM.2021.2109542

©  Polskie Towarzystwo Studentów Farmacji  2022

Zaloguj się używając swojego loginu i hasła

Nie pamiętasz hasła ?

Ta strona używa plików cookie. Więcej informacji

Nasza strona internetowa używa plików cookies (tzw. ciasteczka) w celach statystycznych, reklamowych oraz funkcjonalnych. Dzięki nim możemy indywidualnie dostosować stronę do twoich potrzeb. Każdy może zaakceptować pliki cookies albo ma możliwość wyłączenia ich w przeglądarce, dzięki czemu nie będą zbierane żadne informacje.

Zamknij