Ήταν Φεβρουάριος του 2012 όταν ένα μόλις τριών χρονών αγοράκι από τις ΗΠΑ σταμάτησε ξαφνικά να αναπνέει και μεταφέρθηκε σε κρίσιμη κατάσταση στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Παίδων του Μίσιγκαν. Είχε γεννηθεί με trecheobrocnchomalacia, μια σπάνια αναπνευστική πάθηση: Τα τοιχώματα της τραχείας του ήταν πολύ αδύναμα κι έτσι αυτή «κατέρρευσε» και το οξυγόνο δεν μπορούσε να φτάσει στους πνεύμονες. Το βρέφος διέτρεχε άμεσο κίνδυνο να υποστεί πνευμονική και καρδιακή ανακοπή και οι γιατροί έπρεπε να δράσουν ταχύτατα. Το τοποθέτησαν σε μηχανικό αναπνευστήρα και ζήτησαν τη γνώμη των συναδέλφων τους στο Akron Children's Hospital του Οχάιο. Εκείνοι τους πρότειναν να αξιοποιήσουν τις δυνατότητες του νέου τους αποκτήματος: Ενός τρισδιάστατου εκτυπωτή.
Αυτό έγινε. Μέσω αξονική τομογραφίας σκαναρίστηκε ο θώρακας του μωρού και σχεδιάστηκε ένα μοντέλο αεραγωγού – νάρθηκα στις ακριβείς διαστάσεις του. Στη συνέχεια εκτυπώθηκε σε πολυκαπρολακτόνη, ένα βιοαποκοδοιμητικό πολυμερές και το τεχνητό τμήμα προσαρμόστηκε στην τραχεία του αγοριού, έτσι ώστε να την κρατάει ανοιχτή. Τρεις βδομάδες μετά την επέμβαση, το παιδί αποσυνδέθηκε από τον μηχανικό αναπνευστήρα και πήρε εξιτήριο. Σήμερα είναι υγιέστατο, ο νάρθηκας έχει απορροφηθεί πλήρως από τον οργανισμό του, όπως προβλεπόταν και οι φυσικοί αεραγωγοί του έχουν αναπτυχθεί και λειτουργούν φυσιολογικά.
Και αν η περίπτωση του Μίσιγκαν σε κάποιους ακούγεται… διαστημική, στην πραγματικότητα είναι μία από τις πολλές, αφού πλέον η χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι συνηθισμένη για ιατρικούς και ερευνητικούς σκοπούς. «Χάρη στους 3D printers, όποιο μέρος της ανατομίας φαίνεται σε μια ιατρική απεικόνιση -σε αξονική ή μαγνητική τομογραφία, για παράδειγμα- μπορεί να αντιγραφεί και να εκτυπωθεί σε βιοσυμβατό ή μη υλικό», εξηγεί ο καθηγητής Εμβιομηχανικής και Υπολογιστικής Χειρουργικής Πάνος ∆ιαμαντόπουλος, ένας από τους πρωτοπόρους της τρισδιάστατης εκτύπωσης για ιατρικούς σκοπούς στη χώρα μας. «Θέλουμε αντίγραφο μιας γνάθου, ενός γονάτου, κάποιων αγγείων, ενός κρανίου, μιας καρδιάς; Μπορούμε να το ανασυνθέσουμε εικονικά και να το στείλουμε για εκτύπωση. Και αυτό μπορεί να γίνει άμεσα και με εντυπωσιακή ακρίβεια».
Οι τρεις «δρόμοι» του 3D
Από τον πρώτο τρισδιάστατο εκτυπωτή που κατασκεύασε τη δεκαετία του 1980 ο Αμερικανός μηχανικός Charles Hull είναι σαν να έχουν περάσει… αιώνες. Οι δυνατότητες των σύγχρονων μηχανημάτων φαντάζουν απεριόριστες. Τι είδους υλικά χρησιμοποιούνται, όμως, στο 3D printing όταν αυτό αφορά την Ιατρική; Και κυρίως για ποιους σκοπούς;
Οι «δρόμοι» είναι τρεις. Κατ’ αρχάς, οι τρισδιάστατες εκτυπώσεις οργάνων έχουν μεγάλη εκπαιδευτική αξία. Οι φοιτητές και οι ειδικευόμενοι γιατροί μπορούν χάρη σ’ αυτές να εξοικειωθούν με ασφάλεια και χωρίς στρες με την ανατομία του ανθρώπινου σώματος πριν αναλάβουν έναν ασθενή. Επειτα, είναι πολύτιμα εργαλεία για τον προεγχειρητικό έλεγχο και τον θεραπευτικό σχεδιασμό. Σε μια επανορθωτική επέμβαση, όπως ένα συντριπτικό κάταγμα, οι γιατροί μελετώντας το ανατομικό αντίγραφο του ασθενούς γνωρίζουν ακριβώς τι πρέπει να κάνουν πριν καν τον ακουμπήσουν. «Ετσι κερδίζουν χρόνο στο χειρουργείο, μειώνουν την ταλαιπωρία του ασθενούς, αυξάνουν την αποτελεσματικότητα της επέμβασης και ελαττώνουν τον κίνδυνο επιπλοκών», επισημαίνει ο Richard Arm, ερευνητής του βρετανικού Πανεπιστημίου Nottingham Trent και δημιουργός της τρισδιάστατης εκτυπωμένης καρδιάς που εκτέθηκε πρόσφατα στο Ωνάσειο Καρδιοχειρουργικό Κέντρο, στο πλαίσιο της έκθεσης 3D Printing της Στέγης Γραμμάτων και Τεχνών.
Εάν λοιπόν το 3D αντίγραφο προορίζεται για εκπαιδευτικούς σκοπούς ή προ-εγχειρητικό έλεγχο και προγραμματισμό, συνήθως χρησιμοποιούνται για την εκτύπωσή του πολυμερή (π.χ. πλαστικά και ελαστικά), υδροτζέλ, γυαλί ή γύψος. Ιδιαίτερα διαδεδομένες στις προσομοιώσεις επεμβάσεων είναι και οι ρητίνες. Γιατί; Πρώτον, έχουν «συμπεριφορά» παρόμοια με εκείνη των ανατομικών ιστών και, δεύτερον, είναι διαφανείς και μπορούν να χρωματιστούν, για να τονιστούν συγκεκριμένες περιοχές, όπως νεύρα, αρτηρίες, αγγεία, ρίζες δοντιών, ακόμη και καρκινικοί όγκοι.
Υπάρχει, όμως, και η ανάγκη για δημιουργία εμφυτευμάτων ή μοσχευμάτων που θα παραμείνουν στο ανθρώπινο σώμα – είναι ήδη πάρα πολλές οι εφαρμογές εξατομικευμένων τρισδιάστατων αντιγράφων σε κρανιοπροσωπική, ορθοπεδική και πλαστική χειρουργική, νευροχειρουργική, καρδιοχειρουργική, αγγειοχειρουργική, ογκολογία και οδοντιατρική. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις, το υλικό της εκτύπωσης πρέπει να είναι βιοσυμβατό, ώστε να μην απορριφθεί από τον οργανισμό, να μην προκαλέσει μολύνσεις ή τραυματισμούς. Ετσι χρησιμοποιούνται από ειδικά είδη πλαστικού και κεραμικά έως κράματα τιτανίου ή κοβαλτίου – χρωμίου, «αλλά και υδροτζέλ με βλαστοκύτταρα, ιδιαίτερα στο χώρο της βιοτεχνολογίας», όπως αναφέρει ο Εμμανουήλ Παπασταύρου, υποψήφιος διδάκτωρ του βρετανικού πανεπιστημίου Nottingham Trent, ο οποίος στην έρευνά του συνδυάζει την επιστήμη των υλικών, το σχεδιασμό και τη μηχανική για την αναγέννηση οστών.
Ειδικά στις περιπτώσεις των οστών, η τρισδιάστατη εκτύπωση κάνει, χωρίς υπερβολή, θαύματα. Στις αρχές του χρόνου, χειρουργοί στην Ουαλία χρησιμοποίησαν 3D printer για να ανακατασκευάσουν το πρόσωπο ενός 29χρονου ο οποίος είχε σπάσει το αριστερό ζυγωματικό, την άνω γνάθο, τις οφθαλμικές κόγχες και το κρανίο του σε ατύχημα με μοτοσικλέτα. Η ιατρική ομάδα σκάναρε το κεφάλι του με τη χρήση αξονικού και μαγνητικού τομογράφου και με βάση τα εναπομείναντα γερά οστά σχημάτισε την εικόνα της πλήρους δομής του προσώπου του – όπως ήταν πριν από το ατύχημα. Στη συνέχεια εκτύπωσαν εμφυτεύματα από τιτάνιο, τα οποία τοποθετήθηκαν στον ασθενή με επιτυχία. «Η 3D τεχνολογία έχει εφαρμογή σε ένα πολύ ευρύ φάσμα της Ιατρικής, αλλά στo χειρουργικό πεδίο πραγματικά αλλάζει ζωές», αναφέρει ο κ. ∆ιαμαντόπουλος.
Θα εκτυπώνουμε… ζωή;
Οι ειδικοί συμφωνούν πως η τρισδιάστατη εκτύπωση θα παίξει σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό δομών που θα μπορούσαν να «προγραμματιστούν» για τη στοχευμένη θεραπεία νοσημάτων. «Η ανάπτυξη νανορομπότ που θα αποτελούνται από γενετικό υλικό και, αφού θα εισέρχονται στον ανθρώπινο οργανισμό, θα κάνουν πλήθος ενεργειών -από τη χορήγηση φαρμάκων εκεί ακριβώς όπου υπάρχει πρόβλημα μέχρι το να “βοηθούν” χειρουργούς σε δύσκολες επεμβάσεις- θα φέρει επανάσταση στην Ιατρική. Και δεν απέχουμε πολύ από αυτό…» επισημαίνει ο κ. Παπασταύρου.
Ομως κάτι ακόμη πιο συγκλονιστικό βρίσκεται μπροστά μας, όπως προσθέτει ο κ. ∆ιαμαντόπουλος: το Bioprinting, δηλαδή η ολοκληρωμένη εκτύπωση αληθινών ανθρώπινων οργάνων. Οι ερευνητές στα εργαστήρια οραματίζονται τη δημιουργία νεφρών, συκωτιού, καρδιάς και άλλων οργάνων και ιστών, έτσι ώστε ένας ασθενής ο οποίος χρειάζεται μεταμόσχευση να μην αναζητά δότη, αλλά έναν 3D printer που θα εκτυπώνει ζώντα όργανα από κύτταρα! Και το ζήτημα δεν είναι πότε θα συμβεί αυτό, αλλά πώς….
«Ο βασικός περιορισμός προς το παρόν έγκειται στην εύρεση εκτυπώσιμων υλικών που δεν θα είναι απλώς βιοσυμβατά, αλλά πραγματικά βιολογικά. Αν ξεπεραστεί αυτό, τότε δεν αποκλείεται να φτάσουμε στο σημείο να εκτυπώνουμε ζωή», καταλήγει ο κ. ∆ιαμαντόπουλος. «Και τότε, ο μόνος πιθανός κίνδυνος θα είναι η ανθρώπινη φύση και ο τρόπος που τελικά θα διαχειριστούμε αυτή την τεχνολογία…»