콘텐츠
- 3D 프린터로 의학 혁신
- 3D 프린터는 어떻게 작동합니까?
- 귀 만들기
- 금형과 비계의 차이점
- 인쇄 된 귀의 잠재적 인 이점
- 아래턱 인쇄
- 보철 및 이식 가능한 품목
- 더 많은 예
- 살아있는 세포를 사용한 Bioprinting : 가능한 미래
- 장기 및 조직 교체
- 일부 Bioprinting 성공
- 심장의 일부 인쇄
- 각막 생성
- 미니 오르간, 오가 노이드 또는 오르간 칩의 이점
- 폐를 모방 한 구조
- Bioprinting의 몇 가지 과제
- 참고 문헌
Linda Crampton은 수년 동안 고등학생들에게 과학 및 정보 기술을 가르쳤습니다. 그녀는 새로운 기술에 대해 배우는 것을 즐깁니다.
3D 프린터로 의학 혁신
3D 프린팅은 유용한 응용 분야가 많은 흥미로운 기술입니다. 3D 프린터의 매력적이고 잠재적으로 매우 중요한 응용 프로그램 중 하나는 의학에 사용할 수있는 재료를 만드는 것입니다. 이러한 재료에는 이식 형 의료 기기, 인공 신체 부위 또는 보철물, 맞춤형 의료 기기가 포함됩니다. 또한 살아있는 인간 조직의 인쇄 된 패치와 미니 장기도 포함됩니다. 앞으로 이식 가능한 장기가 인쇄 될 수 있습니다.
3D 프린터는 컴퓨터 메모리에 저장된 디지털 모델을 기반으로 솔리드 3 차원 개체를 인쇄 할 수 있습니다. 일반적인 인쇄 매체는 인쇄 후 응고되는 액체 플라스틱이지만 다른 매체를 사용할 수 있습니다. 여기에는 분말 금속과 살아있는 세포를 포함하는 "잉크"가 포함됩니다.
인체에 적합한 재료를 생산하는 프린터의 능력이 빠르게 향상되고 있습니다. 일부 재료는 이미 의학에 사용되고 다른 재료는 아직 실험 단계에 있습니다. 많은 연구자들이 조사에 참여하고 있습니다. 3D 프린팅은 의학적 치료를 혁신 할 수있는 흥미로운 잠재력을 가지고 있습니다.
3D 프린터는 어떻게 작동합니까?
프린터로 3 차원 물체를 만드는 첫 번째 단계는 물체를 디자인하는 것입니다. 이것은 CAD (Computer-Aided Design) 프로그램에서 수행됩니다. 디자인이 완료되면 다른 프로그램이 일련의 레이어에서 객체를 생성하기위한 지침을 생성합니다. 이 두 번째 프로그램은 전체 개체의 CAD 코드를 일련의 슬라이스 또는 수평 레이어에 대한 코드로 변환하기 때문에 슬라이싱 프로그램 또는 슬라이서 소프트웨어라고도합니다. 레이어는 수백 개 또는 수천 개에이를 수 있습니다.
프린터는 슬라이서 프로그램의 지침에 따라 물체의 바닥에서 시작하여 위쪽으로 작업하여 재료 층을 증착하여 물체를 만듭니다. 연속적인 레이어는 함께 융합됩니다. 이 프로세스를 적층 제조라고합니다.
플라스틱 필라멘트는 특히 소비자 지향 프린터에서 3D 프린팅 매체로 자주 사용됩니다. 프린터는 필라멘트를 녹인 다음 노즐을 통해 뜨거운 플라스틱을 압출합니다. 노즐은 물체를 만들기 위해 액체 플라스틱을 방출하면서 모든 치수로 움직입니다. 노즐의 움직임과 압출되는 플라스틱의 양은 슬라이서 프로그램에 의해 제어됩니다. 뜨거운 플라스틱은 노즐에서 방출 된 직후에 굳어집니다. 특수 목적을 위해 다른 유형의 인쇄 매체를 사용할 수 있습니다.
신체 외부에서 보이는 귀 부분을 귓바퀴 또는 귓바퀴라고합니다. 나머지 귀는 두개골에 있습니다. 귓바퀴의 기능은 음파를 수집하여 귀의 다음 부분으로 보내는 것입니다.
귀 만들기
2013 년 2 월, 미국 코넬 대학의 과학자들은 3D 프린팅의 도움으로 귀고리를 만들 수 있었다고 발표했습니다. 코넬 과학자들이 수행 한 단계는 다음과 같습니다.
- 귀 모형이 CAD 프로그램에서 만들어졌습니다. 연구자들은이 모델의 기초로 실제 귀 사진을 사용했습니다.
- 귀 모형은 플라스틱을 사용하여 귀 모양의 몰드를 만드는 3D 프린터로 인쇄되었습니다.
- 콜라겐이라는 단백질을 함유 한 하이드로 겔을 곰팡이 내부에 넣었습니다. 하이드로 겔은 물이 들어있는 젤입니다.
- 연골 세포 (연골을 생성하는 세포)는 소의 귀에서 채취하여 콜라겐에 첨가했습니다.
- 콜라겐 귀를 실험실 접시의 영양 용액에 넣었습니다. 귀가 용액에있는 동안 일부 연골 세포가 콜라겐을 대체했습니다.
- 그런 다음 귀는 쥐의 피부 아래에 이식되었습니다.
- 3 개월 후 귀의 콜라겐은 연골로 완전히 대체되었고 귀는 주변 쥐 세포와 모양과 구별을 유지했습니다.
금형과 비계의 차이점
위에서 설명한 귀 생성 과정에서 플라스틱 귀는 불활성 곰팡이였습니다. 유일한 기능은 귀에 올바른 모양을 제공하는 것입니다. 곰팡이 내부에 형성된 콜라겐 귀는 연골 세포의 지지체 역할을했습니다. 조직 공학에서 스캐 폴드는 세포가 성장하는 특정 모양을 가진 생체 적합성 물질입니다. 스캐 폴드는 모양이 정확할뿐만 아니라 세포의 수명을 지원하는 특성도 가지고 있습니다.
원래의 귀 생성 과정이 수행 된 이후로 코넬 연구진은 귀를 만드는 데 필요한 올바른 모양으로 콜라겐 스캐 폴드를 인쇄하여 플라스틱 주형에 대한 요구 사항을 제거하는 방법을 찾았습니다.
인쇄 된 귀의 잠재적 인 이점
프린터의 도움으로 만든 귀는 부상이나 질병으로 인해 귀를 잃은 사람들에게 유용 할 수 있습니다. 귀가없이 태어 났거나 제대로 발달하지 못한 사람들을 도울 수도 있습니다.
현재 대체 귀는 때때로 환자의 갈비뼈의 연골로 만들어집니다. 연골을 얻는 것은 환자에게 불쾌한 경험이며 갈비뼈를 손상시킬 수 있습니다. 또한 결과 귀가 매우 자연스럽게 보이지 않을 수 있습니다. 귀도 인공 재료로 만들어졌지만 다시 한 번 결과가 완전히 만족스럽지 않을 수 있습니다. 인쇄 된 귀는 자연스러운 귀처럼 보이고 더 효율적으로 작동 할 수있는 잠재력이 있습니다.
2013 년 3 월 Oxford Performance Materials라는 회사는 남성 두개골의 75 %를 인쇄 된 폴리머 두개골로 대체했다고보고했습니다. 3D 프린터는 의족, 보청기 및 치과 용 임플란트와 같은 의료 기기를 만드는데도 사용됩니다.
아래턱 인쇄
2012 년 2 월 네덜란드 과학자들은 3D 프린터로 인공 아래턱을 만들어 83 세 여성의 얼굴에 이식했다고보고했습니다. 턱은 열에 의해 융합 된 티타늄 금속 분말 층으로 만들어졌으며 바이오 세라믹 코팅으로 덮여있었습니다. 바이오 세라믹 소재는 인체 조직과 호환됩니다.
여성은 자신의 아래턱에 만성적 인 뼈 감염이 있었기 때문에 인공 턱을 받았습니다. 의사들은 전통적인 안면 재건 수술이 그녀의 나이 때문에 여성에게 너무 위험하다고 느꼈습니다.
턱에는 움직일 수있는 관절과 근육 부착을위한 구멍과 혈관과 신경의 홈이 있습니다. 여성은 마취에서 깨어나 자마자 몇 마디 말을 할 수있었습니다. 다음날 그녀는 삼킬 수있었습니다. 그녀는 4 일 후에 집에 갔다. 틀니는 나중에 턱에 이식 될 예정이었습니다.
인쇄 된 구조는 의료 교육 및 수술 전 계획에도 사용됩니다. 환자의 의료 스캔으로 만든 3 차원 모델은 환자의 신체 내부의 특정 상태를 보여줄 수 있기 때문에 외과 의사에게 매우 유용 할 수 있습니다. 이것은 복잡한 수술을 단순화 할 수 있습니다.
보철 및 이식 가능한 품목
위에서 설명한 금속 턱은 보철 또는 인공 신체 부위의 한 유형입니다. 보철물 생산은 3D 프린터가 중요 해지고있는 분야입니다. 일부 병원은 현재 자체 프린터를 가지고 있거나 프린터가있는 의료 공급 회사와 협력하고 있습니다.
3D 프린팅으로 보철물을 만드는 것은 기존의 제조 방법으로 만드는 것보다 더 빠르고 저렴합니다. 또한 장치가 사람을 위해 특별히 설계되고 인쇄되면 환자에 맞게 맞춤 제작하는 것이 더 쉽습니다. 병원 스캔을 사용하여 맞춤형 장치를 만들 수 있습니다.
대체 팔다리는 오늘날 적어도 세계 일부 지역에서 종종 3D로 인쇄됩니다. 인쇄 된 팔과 손은 종종 기존의 방법으로 생산 된 것보다 상당히 저렴합니다. 한 3D 프린팅 회사는 Walt Disney와 협력하여 어린이를위한 다채롭고 재미있는 의수를 만듭니다. 더 저렴한 가격의 저렴한 제품을 만드는 것 외에도이 이니셔티브는 "아이들이 보철물을 당황이나 제한이 아닌 흥분의 원천으로 여기도록 돕는 것"을 목표로합니다.
더 많은 예
- 2015 년 말, 인쇄 된 척추 뼈가 환자에게 성공적으로 배치되었습니다. 환자들은 또한 인쇄 된 흉골과 흉곽을 받았습니다.
- 3D 프린팅은 개선 된 치과 용 임플란트를 생산하는 데 사용됩니다.
- 교체 용 고관절은 종종 인쇄됩니다.
- 환자의 신체에있는 통로의 특정 크기와 모양에 맞는 카테터가 곧 일반화 될 수 있습니다.
- 3D 프린팅은 종종 보청기 제조에 관여합니다.
살아있는 세포를 사용한 Bioprinting : 가능한 미래
살아있는 세포를 사용한 인쇄 또는 바이오 프린팅이 오늘날 일어나고 있습니다. 섬세한 과정입니다. 세포가 너무 뜨거워서는 안됩니다. 대부분의 3D 프린팅 방법은 고온을 포함하여 세포를 죽입니다. 또한 세포를 운반하는 액체가 세포에 해를 끼치면 안됩니다. 액체와 그 안에 들어있는 세포를 바이오 잉크 (또는 바이오 잉크)라고합니다.
장기 및 조직 교체
손상된 장기를 3D 프린터로 만든 장기로 대체하는 것은 의학에서 놀라운 혁명이 될 것입니다. 현재로서는 필요한 모든 사람이 사용할 수있는 기증 된 장기가 충분하지 않습니다.
계획은 환자에게 필요한 장기를 인쇄하기 위해 환자 자신의 신체에서 세포를 가져 오는 것입니다. 이 과정은 장기 거부를 방지해야합니다. 세포는 줄기 세포 일 가능성이 높으며, 제대로 자극을 받으면 다른 유형의 세포를 생산할 수있는 특수화되지 않은 세포입니다. 다른 셀 유형은 올바른 순서로 프린터에 의해 배치됩니다. 연구자들은 적어도 어떤 종류의 인간 세포가 퇴적 될 때 자기 조직화하는 놀라운 능력을 가지고 있다는 것을 발견하고 있으며, 이는 장기를 만드는 과정에서 매우 도움이 될 것입니다.
바이오 프린터로 알려진 특수한 유형의 3D 프린터는 살아있는 조직을 만드는 데 사용됩니다. 조직을 만드는 일반적인 방법에서는 하나의 프린터 헤드에서 하이드로 겔을 인쇄하여 스캐 폴드를 형성합니다. 각각 수천 개의 세포를 포함하는 작은 액체 방울이 다른 프린터 헤드에서 비계에 인쇄됩니다. 물방울이 곧 결합되고 세포가 서로 부착됩니다. 원하는 구조가 형성되면 하이드로 겔 스캐 폴드가 제거됩니다.껍질이 벗겨 지거나 수용성 인 경우 씻어 낼 수 있습니다. 생분해 성 스캐 폴드도 사용할 수 있습니다. 이들은 생체 내에서 점차적으로 분해됩니다.
의학에서 이식은 기증자로부터 수혜자에게 장기 또는 조직을 옮기는 것입니다. 임플란트는 환자의 신체에 인공 장치를 삽입하는 것입니다. 3D 바이오 프린팅은이 두 극단 사이의 어딘가에 있습니다. "이식"과 "임플란트"는 모두 바이오 프린터에서 생산 된 품목을 지칭 할 때 사용됩니다.
일부 Bioprinting 성공
3D 프린터로 만든 무생물 임플란트 및 보철물은 이미 인간에게 사용되고 있습니다. 살아있는 세포를 포함하는 임플란트를 사용하려면 더 많은 연구가 필요하며 현재 수행되고 있습니다. 전체 장기는 아직 3D 프린팅으로 만들 수 없지만 일부 장기는 만들 수 있습니다. 박동 할 수있는 심장 근육 패치, 피부 패치, 혈관 부분, 무릎 연골 등 다양한 구조가 인쇄되었습니다. 이들은 아직 인간에게 이식되지 않았습니다. 하지만 2017 년에 과학자들은 이식을 위해 사람의 피부를 만들 수있는 프린터의 프로토 타입을 발표했으며 2018 년에는 다른 과학자들이 언젠가는 눈의 손상을 복구하는 데 사용될 수있는 과정으로 각막을 인쇄했습니다.
2016 년에 몇 가지 희망적인 발견이보고되었습니다. 과학자 팀은 생쥐의 피부 아래에 세 가지 유형의 생체 인쇄 구조를 이식했습니다. 여기에는 아기 크기의 인간 귀 귓바퀴, 근육 조각 및 인간 턱뼈 부분이 포함되었습니다. 주변의 혈관은 쥐의 몸 안에있는 동안 이러한 모든 구조로 확장되었습니다. 조직을 살리기 위해 혈액 공급이 필요하기 때문에 이것은 흥미로운 발전이었습니다. 혈액은 영양분을 살아있는 조직으로 운반하고 노폐물을 제거합니다.
이식 된 구조물이 혈관이 발달 할 때까지 살아남을 수 있다는 점도 흥미로 웠습니다. 이 위업은 영양소가 들어가도록 허용하는 구조에 작은 구멍이 존재함으로써 달성되었습니다.
심장의 일부 인쇄
각막 생성
영국 뉴캐슬 대학의 과학자들은 3D 프린팅 된 각막을 만들었습니다. 각막은 우리 눈의 투명하고 가장 바깥 쪽을 가리는 부분입니다. 이 덮개가 심각하게 손상되면 실명 할 수 있습니다. 각막 이식은 종종 문제를 해결하지만 필요한 모든 사람을 도울 수있는 각막이 충분하지 않습니다.
과학자들은 건강한 인간 각막에서 줄기 세포를 얻었습니다. 세포를 알기 네이트와 콜라겐으로 만든 겔에 넣었다. 젤은 프린터의 단일 노즐을 통해 이동할 때 세포를 보호했습니다. 젤과 세포를 올바른 모양으로 인쇄하는 데 10 분이 채 걸리지 않았습니다. 모양은 사람의 눈을 스캔하여 얻었습니다. (의학적 상황에서 환자의 눈을 스캔합니다.) 겔과 세포 혼합물이 인쇄되면 줄기 세포가 완전한 각막을 생성했습니다.
인쇄 과정에서 만들어진 각막은 아직 인간의 눈에 이식되지 않았습니다. 아마 시간이 좀 걸릴 것입니다. 그러나 그들은 많은 사람들을 도울 잠재력이 있습니다.
인체의 특정 부위를 정확한 시간에 만드는 데 필요한 특수 세포를 생산하기 위해 줄기 세포를 자극하는 것은 그 자체로 어려운 일입니다. 그러나 그것은 우리에게 놀라운 혜택을 줄 수있는 과정입니다.
미니 오르간, 오가 노이드 또는 오르간 칩의 이점
과학자들은 3D 프린팅 (및 기타 방법)으로 미니 장기를 만들 수있었습니다. "미니 장기"는 장기, 장기 섹션 또는 특정 장기의 조직 패치의 축소 버전입니다. 미니 오르간이라는 용어 외에도 다양한 이름으로 불립니다. 인쇄 된 창작물에는 전체 크기의 오르간에서 발견되는 모든 유형의 구조가 포함되어 있지 않을 수 있지만 근사치입니다. 연구에 따르면 이식 가능하지 않더라도 중요한 용도로 사용할 수 있습니다.
미니 장기가 항상 무작위 기증자가 공급 한 세포에서 생산되는 것은 아닙니다. 대신, 그들은 종종 질병이있는 사람의 세포에서 만들어집니다. 연구원은 미니 장기에 대한 약물의 효과를 확인할 수 있습니다. 약물이 도움이되고 유해하지 않은 것으로 밝혀지면 환자에게 투여 할 수 있습니다. 이 프로세스에는 몇 가지 장점이 있습니다. 하나는 환자의 특정 질병 버전과 특정 게놈에 도움이 될 수있는 약물을 사용하여 성공적인 치료 가능성을 높일 수 있다는 것입니다. 또 다른 하나는 의사가 약물이 효과적 일 가능성이 있음을 입증 할 수 있다면 환자를 위해 비정상적이거나 일반적으로 값 비싼 약물을 얻을 수 있다는 것입니다. 또한 소형 장기에 대한 약물 검사는 실험 동물의 필요성을 줄일 수 있습니다.
폐를 모방 한 구조
2019 년 라이스 대학교와 워싱턴 대학교의 과학자들은 인간의 폐를 모방 한 소형 장기를 만드는 과정을 시연했습니다. 미니 폐는 하이드로 겔로 만들어져 있습니다. 그것은 일정한 간격으로 공기로 채워진 작은 폐와 같은 구조를 포함합니다. 혈액으로 채워진 혈관 네트워크가 구조를 둘러싸고 있습니다.
자극을 받으면 시뮬레이션 된 폐와 혈관이 부러지지 않고 리드미컬하게 확장 및 수축됩니다. 비디오는 구조가 어떻게 작동하는지 보여줍니다. 오르가 노이드는 전체 크기가 아니고 인간 폐의 모든 조직을 모방하지는 않지만 폐처럼 움직이는 능력은 매우 중요한 발전입니다.
Bioprinting의 몇 가지 과제
이식에 적합한 장기를 만드는 것은 어려운 작업입니다. 장기는 특정 패턴으로 배열 된 다양한 세포 유형과 조직을 포함하는 복잡한 구조입니다. 또한 배아 발달 과정에서 장기가 발달함에 따라 미세 구조와 복잡한 행동이 적절하게 발달 할 수 있도록하는 화학적 신호를받습니다. 이 신호는 우리가 인위적으로 장기를 만들려고 할 때 부족합니다.
일부 과학자들은 처음에 그리고 아마도 앞으로 얼마 동안은 장기의 모든 기능 대신에 단일 기능을 수행 할 수있는 이식 가능한 구조를 인쇄 할 것이라고 생각합니다. 이러한 단순한 구조는 신체의 심각한 결함을 보완하는 경우 매우 유용 할 수 있습니다.
생체 인쇄 장기를 임플란트에 사용할 수있게되기까지는 몇 년이 걸릴 가능성이 높지만 그 전에는 기술의 새로운 이점을 볼 수 있습니다. 연구 속도가 증가하고있는 것 같습니다. 의학과 관련된 3D 프린팅의 미래는 매우 흥미롭고 흥미로워 야합니다.
참고 문헌
- Smithsonian Magazine의 3D 프린터와 살아있는 연골 세포로 만든 인공 귀.
- BBC (British Broadcasting Corporation)의 3D 프린터로 만든 이식 턱
- American Society of Mechanical Engineers의 다채로운 3D 프린팅 손
- Bioprinter는 The Guardian에서 이식을위한 맞춤형 실험실 성장 신체 부위를 제작합니다.
- EurekAlert 뉴스 서비스에서 최초로 3D 프린팅 된 인간 각막
- 3D 프린터는 New Scientist에서 가장 작은 인간의 간을 만듭니다.
- New Scientist의 심장 박동을 모방 한 미니 3D 프린팅 장기
- Popular Mechanics의 폐를 모방 한 기관
- 새로운 3D 프린터는 Science Alert의 살아있는 세포에서 실물 크기의 귀, 근육 및 뼈 조직을 만듭니다.
- phys.org 새 서비스에서 사람의 피부를 인쇄하는 3D 바이오 프린터
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