ΕΠΙΣΤΗΜΗ

Η τρισδιάστατη επανάσταση στην ιατρική είναι εδώ

i-trisdiastati-epanastasi-stin-iatriki-einai-edo-2292454

Μια τεχνολογία που γνωρίζει αλματώδη ανάπτυξη και φέρνει το μέλλον στην καθημερινή ζωή, έρχεται να ανακουφίσει πάσχοντες ακόμη και στις πιο φτωχές γωνιές της Γης. Η τρισδιάστατη εκτύπωση οργάνων, ιστών, οστών, αγγείων, εμφυτευμάτων, τεχνητών μελών, ιατρικού εξοπλισμού εξελίσσεται σε επανάσταση στην υγειονομική περίθαλψη. Διότι μειώνει εντυπωσιακά τον χρόνο παραγωγής και το κόστος οργάνων, προσθετικών μελών και εργαλείων, επιταχύνοντας τις θεραπείες και την ίδια στιγμή περιορίζοντας τις ανισότητες. Παράλληλα, βελτιώνει το αποτέλεσμα αφού κάθε προϊόν σχεδιάζεται με εξαιρετική ακρίβεια πάνω στον μεμονωμένο ασθενή, ακόμη και στον αναπτυσσόμενο κόσμο, όπου μέχρι πρότινος ήταν αδύνατη η υιοθέτηση νέων τεχνικών.

Για παράδειγμα, στην Αϊτή η ομάδα iLab Haiti εκτυπώνει προηγμένο ιατρικό εξοπλισμό για τα τοπικά νοσοκομεία, προσφέροντας το έως χθες αδιανόητο. Στις εμπόλεμες ζώνες στην Ασία και στην Αφρική, τα φθηνά, απόλυτα εξατομικευμένα τεχνητά μέλη που εκτυπώνονται σε μια μέρα, έχουν αποκαταστήσει μέσα στο 2017 εκατοντάδες ακρωτηριασμένους από νάρκες. Ενώ η βιο-εκτύπωση, που βρίσκεται σήμερα σε πειραματικό στάδιο, θα αλλάξει ριζικά τις θεραπείες στο μέλλον, καθώς θα εκτυπώνονται από ζωντανά κύτταρα, ζωντανά όργανα και ιστοί…

Η έκρηξη

«Τον πρώτο τρισδιάστατο εκτυπωτή κατασκεύασε το 1984 ο Αμερικανός μηχανικός Τσαρλς Χαλ και η τρισδιάστατη εκτύπωση σταδιακά μπήκε στη βιομηχανία, στην τεχνολογία, στην ιατρική, στην εκπαίδευση, στην αεροδιαστημική, στην αυτοκινητοβιομηχανία», εξηγεί στην «Κ» ο κ. Τάσος Λαζαρίδης, ηλεκτρολόγος μηχανικός και μηχανικός υπολογιστών, ο οποίος έχει ειδικευθεί και πραγματοποιεί τρισδιάστατες εκτυπώσεις για ιατρική χρήση. «Στην Ευρώπη εμφανίστηκε το 1990, αλλά οι εκτυπωτές ήταν πάρα πολύ ακριβοί, ενώ δεν υπήρχαν και τα υλικά. Οι πρώτες ύλες των εκτυπωτών είναι κυρίως τα θερμοπλαστικά και οι ρητίνες, τα οποία αποτέλεσαν προϊόν της αγοράς τα τελευταία 10 χρόνια. Η έκρηξη έγινε αρχικά στη βιομηχανία, κυρίως στη ρομποτική και μετά στην ιατρική, γύρω στο 2000, όταν πρωτοχρησιμοποιήθηκε για τη κατασκευή οδοντιατρικών εμφυτευμάτων και προσθετικών μελών. Το πρόβλημα με την ιατρική είναι ότι το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί θα πρέπει να είναι βιοσυμβατό –ώστε να μην απορριφθεί από τον οργανισμό, να μην προκληθούν μολύνσεις ή τραυματισμοί– και να έχει λάβει τις κατάλληλες εγκρίσεις», λέει ο ίδιος.

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην ιατρική είναι η γρήγορη και φθηνή κατασκευή προσθετικών μελών, ανατομικών τμημάτων, αλλά και ιατρικών εργαλείων για κάθε ασθενή ξεχωριστά. Οποιο μέρος του ανθρώπινου σώματος φαίνεται σε τρισδιάστατη απεικόνιση (γνάθος, γόνατο, κρανίο, αγγεία, καρδιά κ.λπ.) «μπορεί να ανασυντεθεί και να εκτυπωθεί άμεσα με εντυπωσιακή ακρίβεια, για προεγχειρητική ή διεγχειρητική χρήση.

Προεγχειρητικά η τρισδιάστατη εκτύπωση εφαρμόζεται σε κάθε τομέα της ιατρικής, στην οδοντιατρική, γναθοπροσωπική χειρουργική, ορθοπεδική χειρουργική, νευροχειρουργική, καρδιοχειρουργική, αγγειοχειρουργική, ογκολογία κ.λπ. και συμβάλλει στη μείωση του χρόνου και του ρίσκου της επέμβασης, τη γρήγορη ανάρρωση του ασθενούς», τονίζει ο κ. Λαζαρίδης. Με δεδομένα που λαμβάνονται από την αξονική ή μαγνητική τομογραφία εκτυπώνεται τρισδιάστατα ένα ανατομικό μοντέλο, στο οποίο φαίνονται καθαρά με κάθε λεπτομέρεια τα πάντα στο εσωτερικό και στο εξωτερικό του οργάνου ή του μέλους, ιστοί, νεύρα, αρτηρίες, αγγεία, ρίζες δοντιών, καρκινικοί όγκοι κ.λπ.

«Το μοντέλο διευκολύνει τη διάγνωση και στη συνέχεια τον σχεδιασμό, με απόλυτη ακρίβεια, ακόμη και εξαιρετικά περίπλοκων επεμβάσεων. Για παράδειγμα, ένας καρδιολόγος μπορεί να κάνει ευκολότερα διάγνωση σε μια καρδιά που έχει στα χέρια του παρά από εικόνες στον υπολογιστή, να επιτύχει προσομοίωση της ενδοκαρδιακής ροής, να μελετήσει με ακρίβεια τις ανατομικές λεπτομέρειες και τα σημεία που χρειάζονται αποκατάσταση κ.λπ. Ακόμη, πάνω στο εκτυπωμένο μοντέλο –και όχι κατευθείαν στον ασθενή– μπορεί να δοκιμαστεί και ένα νέο ιατρικό μηχάνημα. Επίσης, με τα απτά μοντέλα οι γιατροί μπορούν να επικοινωνήσουν καλύτερα με τους ασθενείς, αλλά και να εκπαιδεύσουν τους φοιτητές.

Για την εγχείρηση εκτυπώνονται, από υλικά που αντέχουν τις υψηλές θερμοκρασίες της αποστείρωσης, τα απαιτούμενα ανατομικά τμήματα αλλά και φθηνά χειρουργικά εργαλεία εξατομικευμένης χρήσης (η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι η οικονομικότερη μέθοδος κατασκευής πρότυπων προϊόντων – οι παραδοσιακές μέθοδοι κατασκευής εργαλείων απαιτούν παραγωγή μεγάλης κλίμακας, πάνω από 10.000 κομμάτια). Την προηγούμενη εβδομάδα, ένας καρδιοχειρουργός χρειαζόταν ένα διαστολέα αορτικής βαλβίδας για συγκεκριμένο ασθενή – ως χειρουργικό εργαλείο υπάρχει στην αγορά, απλώς η συγκεκριμένη αορτή είχε μικρότερες διαστάσεις από τις κοινές. Με βάση τη μαγνητική τομογραφία του ασθενούς, κατασκεύασα ένα και μόνο εργαλείο για τη συγκεκριμένη επέμβαση. Ενα νεογέννητο παιδί έπρεπε να χειρουργηθεί, αλλά δεν υπήρχε τόσο μικρή μάσκα παροχής οξυγόνου. Κλήθηκε ένας μηχανικός να την κατασκευάσει άμεσα», περιγράφει ο ίδιος.

Νέες τεχνικές

Στην οδοντιατρική, οι 3D εκτυπωτές «είναι από τα πιο ευέλικτα εργαλεία. Κάθε οδοντική τεχνική έχει και διαφορετικές απαιτήσεις σε υλικά. Ορισμένα πρέπει να είναι μακροχρόνια βιοσυμβατά, άλλα βραχυχρόνια βιοσυμβατά και άλλα διάφανα, για λόγους αισθητικής. Η δυνατότητα τρισδιάστατης σάρωσης και εκτύπωσης οδοντοστοιχιών, ορθοδοντικών μοντέλων και συσκευών βοηθάει τον οδοντοτεχνίτη να δουλέψει με ακρίβεια και να εφαρμόσει νέες τεχνικές. Μία από τις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται καθημερινά είναι η εκτύπωση ενός και μόνο χειρουργικού νάρθηκα από διάφανη ρητίνη για την προσθήκη εμφυτευμάτων στον συγκεκριμένο ασθενή. Με βάση τον νάρθηκα, ο οδοντίατρος γνωρίζει επακριβώς το σημείο που θα τρυπήσει με μία και μόνη συγκεκριμένη κλίση, σε ένα και μόνο συγκεκριμένο ύψος, για το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα, μείωση του μετεγχειρητικού πόνου, του οιδήματος, του χρόνου επούλωσης», σημειώνει ο κ. Λαζαρίδης.

Πιο γρήγορα και πιο φθηνά

Τα τεχνητά μέλη «σχεδιάζονται πάνω στον κάθε μυ του ασθενούς για περισσότερη λειτουργικότητα και ζωντανή αίσθηση σε κάθε κίνηση – στην αγορά είναι διαθέσιμα μόνο τρία μεγέθη. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται, μεγάλης αντοχής και διάρκειας, είναι τιτάνιο, άνθρακας και πλαστικό ABS. Το κόστος είναι μικρότερο, όπως και ο χρόνος κατασκευής. Πριν από τρία χρόνια σχεδίασα και εκτύπωσα έναν πλαστικό νάρθηκα για το χέρι έπειτα από ένα στραμπούληγμα στον καρπό, καθώς ο νάρθηκας που μου έδωσε ο ορθοπεδικός δεν μπορούσε να μπει στο νερό. Μου πήρε δύο ώρες ο σχεδιασμός και τρεις ώρες η εκτύπωση. Το κόστος του ήταν ελάχιστο, 2-3 ευρώ. Η εκτύπωση προσθετικών μελών εξελίσσεται σε μια αγορά που θα αγγίξει το 1,1 δισ. δολάρια το 2020», λέει ο κ. Λαζαρίδης.

Και τα άλματα σε όλους τους τομείς της ιατρικής συνεχίζονται, με τις παλιές μεθόδους να αντικαθίστανται από ψηφιακές σαρώσεις και τεχνικές μέσω υπολογιστών, με πλήθος βιολογικά ενεργά εμφυτεύματα για ανακατασκευή μερών του σώματος όπως τα εμφυτεύματα από τιτάνιο, που έχουν επικαλυφθεί με βιοδραστικούς παράγοντες για την αναδημιουργία οστών. Οι δυνατότητες των τρισδιάστατων εκτυπωτών, που χρησιμοποιούν πληθώρα υλικών, από συγκεκριμένα είδη πλαστικών και κεραμικών έως κράματα τιτανίου ή κοβαλτίου-χρωμίου, φαντάζουν απεριόριστες.

«Στη φαρμακευτική βιομηχανία, οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές, που μοιάζουν με ρομποτάκια, δοκιμάζουν νέες δοσολογίες φαρμάκων, εκτυπώνουν σκευάσματα για να ελεγχθούν οι συστατικές ουσίες κ.λπ. Στο μέλλον, θα μπορεί ο εκτυπωτής φαρμάκων να βρίσκεται μέσα σε κάθε σπίτι και το κάθε μέλος της οικογένειας να πληκτρολογεί στον φορτωμένο με τα κατάλληλα δεδομένα εκτυπωτή, ανάλογα με την ασθένεια και με τη χρήση ψηφιακής συνταγής, το κατάλληλο εξατομικευμένο φάρμακο, που θα αυξάνει την αποτελεσματικότητα και θα μειώνει τις παρενέργειες», επισημαίνει ο κ. Λαζαρίδης.

Το πρώτο 3D εκτυπωμένο φάρμακο που έχει εγκριθεί από την Αμερικανική Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων είναι ένα σκεύασμα κατά των επιληπτικών κρίσεων. Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την κατασκευή χαπιών με πολύ υψηλή δόση δραστικής ουσίας, αλλά και περαιτέρω με βάση τις ανάγκες του εκάστοτε ασθενούς – μια εξατομικευμένη προσέγγιση, η οποία έως τώρα ήταν εξαιρετικά ακριβή.

Η εκτύπωση ζωντανών οργάνων

Στο όχι πολύ μακρινό μέλλον, η τρισδιάστατη εκτύπωση θα προσφέρει, με την εναπόθεση στρώσεων κυττάρων, ζωντανές, πλήρως λειτουργικές εκδόσεις ανθρώπινων οργάνων. Οι ερευνητές στα εργαστήρια πειραματίζονται πάνω στην εκτύπωση ζωντανού ανθρώπινου δέρματος και αιμοφόρων αγγείων, ενώ οραματίζονται τη δημιουργία νεφρών, συκωτιού, καρδιάς και άλλων οργάνων και ιστών, έτσι ώστε ένας ασθενής που χρειάζεται μεταμόσχευση να μην αναζητεί δότη, αλλά τρισδιάστατο εκτυπωτή…

«Στο εξωτερικό υπάρχουν ήδη χειροπιαστά αποτελέσματα της έρευνας προς αυτή την κατεύθυνση. Εδώ και τουλάχιστον μία δεκαετία ο αμερικανικός στρατός χρησιμοποιεί συνθετικό δέρμα σε σπρέι για την επούλωση εγκαυμάτων.

Από τότε που οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές βγήκαν στην αγορά, το σπρέι αυτό τοποθετήθηκε σε έναν 3D εκτυπωτή, ο οποίος σκανάρει το τραύμα και εκτυπώνει επιδερμίδα κατευθείαν πάνω στην πληγή, υπολογίζοντας πόσες στρώσεις κυττάρων θα πρέπει να εναποθέσει και σε ποιο ακριβώς σημείο. Ο χρόνος επούλωσης μειώθηκε σε ποσοστό 70% με 80%», εξηγεί ο κ. Λαζαρίδης.

Σε ποιο σημείο βρίσκεται αυτή τη στιγμή η προσπάθεια εκτύπωσης ζωντανών οργάνων; «Η πρώτη ύλη, τα ζωντανά κύτταρα υπάρχουν. Αυτό που πρέπει να εξασφαλίσουμε είναι ότι μετά την εκτύπωση, το όργανο που κατασκευάστηκε θα καταφέρει να επιβιώσει. Η εκτύπωση γίνεται όχι στο εξωτερικό περιβάλλον αλλά μέσα σε υδρογέλη. Αρχικά το εκτυπωμένο όργανο κατάφερε να επιβιώσει για πέντε με έξι ημέρες. Στη συνέχεια για 30 με 40 ημέρες. Στόχος, να μπορέσει να επιβιώσει για περισσότερο από ένα χρόνο».

Βέβαια, έχουμε καταφέρει να εκτυπώσουμε εξωτερικά όργανα, όπως αυτιά – όχι μόνο βοηθήματα ακοής (η τρισδιάστατη εκτύπωση γνωρίζει ευρεία χρήση στη βιομηχανία παραγωγής βοηθημάτων ακοής· παλιότερα χρειαζόταν μία εβδομάδα για να κατασκευαστεί ένα ακουστικό βοήθημα, σήμερα μόνο λίγες ώρες). «Καλούπι ανθρώπινου αυτιού, που σχεδίασε τρισδιάστατος εκτυπωτής, γέμισε με πήκτωμα από κύτταρα χόνδρου βοοειδών, το οποίο διατήρησε το αρχικό σχήμα και αναπτύχθηκε σε ανθρώπινο αυτί με ζωντανά κύτταρα. Ερευνητές στο Πρίνστον έχουν ενσωματώσει σε αυτί που κατασκευάστηκε με τον ίδιο τρόπο ηλεκτρονικά εξαρτήματα για υπερφυσική ακοή».